Visualisasi Larutan Penyangga Model Kotak Spesi

Larutan penyangga (buffer) didefinisikan sebagai larutan yang dapat mempertahankan pH-nya secara relatif konstan terhadap penambahan sedikit asam kuat, basa kuat, atau pengenceran. Mekanisme pertahanan pH ini bergantung pada keberadaan dua komponen utama yang saling berpasangan dalam larutan: asam lemah dan basa konjugasinya, atau basa lemah dan asam konjugasinya.

Simulasi ini fokus pada sistem pertama, yaitu asam lemah (HA) dan basa konjugasinya ($A^-$), serta sistem kedua yaitu basa lemah (B) dan asam konjugasinya ($BH^+$).

Untuk pemvisualan model digram batang dapat dilihat di sini.

Sistem Penyangga Asam Lemah ($HA / A^-$)

1. Mekanisme Kerja Penangkal Asam ($H^+$)

   Ketika sedikit asam kuat ditambahkan ke dalam sistem penyangga, asam kuat tersebut akan menghasilkan sejumlah besar ion hidrogen ($H^+$). Jika $H^+$ ini ditambahkan ke air murni, pH akan anjlok drastis. Namun, dalam larutan penyangga, ion $H^+$ yang masuk akan segera bereaksi dengan komponen basa konjugasi ($A^-$) yang tersedia dalam jumlah cukup. Reaksi yang terjadi adalah: $$\text{HA} \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{A}^-$$ $$\text{Reaksi Penyangga: } \quad \text{A}^- (\text{aq}) + \text{H}^+ (\text{aq}) \rightarrow \text{HA} (\text{aq})$$
   
   Ion $H^+$ dihilangkan dari larutan karena diubah menjadi komponen asam lemah (HA) yang hanya sedikit terionisasi. Hal ini menyebabkan perubahan konsentrasi $H^+$ bebas di larutan menjadi sangat kecil, sehingga pH pun hanya berubah sedikit. Dalam simulasi, ini direpresentasikan sebagai **pengurangan kotak $A^-$** dan **penambahan kotak HA**.

---

2. Mekanisme Kerja Penangkal Basa ($OH^-$)

   Sebaliknya, ketika sedikit basa kuat ditambahkan, basa kuat tersebut akan menghasilkan sejumlah besar ion hidroksida ($OH^-$). Ion $OH^-$ ini akan bereaksi dengan komponen asam lemah (HA) yang tersedia dalam jumlah cukup. Reaksi yang terjadi adalah: $$\text{HA} (\text{aq}) + \text{OH}^- (\text{aq}) \rightarrow \text{A}^- (\text{aq}) + \text{H}_2\text{O} (\text{l})$$ Ion $OH^-$ dihilangkan dari larutan karena dikonsumsi oleh asam lemah (HA). Reaksi ini menghasilkan komponen basa konjugasi ($A^-$) dan air. Sama seperti sebelumnya, ion $OH^-$ diubah menjadi zat yang relatif netral, sehingga pH tidak melonjak naik secara signifikan. Dalam simulasi, ini direpresentasikan sebagai pengurangan kotak HA dan penambahan kotak $A^-$.

---

3. Landasan Perhitungan (Persamaan Henderson-Hasselbalch $pH$)

   Kekuatan larutan penyangga asam lemah dihitung menggunakan Persamaan Henderson-Hasselbalch berdasarkan $K_a$:

   $$K_a = \dfrac{[\text{H}^+][\text{A}^-]}{[\text{HA}]}$$

   Dengan mengambil logaritma negatif, diperoleh hubungan pH:

   $$pH = pK_a + \log \left(\frac{[\text{Basa Konjugasi}]}{[\text{Asam Lemah}]}\right)$$ $$pH = pK_a + \log \left(d\frac{[\text{A}^-]}{[\text{HA}]}\right)$$

   Ketika sedikit asam atau basa kuat ditambahkan, perubahan mol $A^-$ dan $HA$ bersifat stoikiometri, sehingga rasio $\dfrac{[\text{A}^-]}{[\text{HA}]}$ hanya berubah sedikit, yang menjaga pH relatif stabil.

---

Sistem Penyangga Basa Lemah ($B / BH^+$)

1. Mekanisme Kerja Penangkal Asam ($H^+$)

   Dalam sistem penyangga basa lemah, komponen basa lemah ($B$) bertindak sebagai penangkap asam. Ketika asam kuat ($H^+$) ditambahkan, ion $H^+$ akan segera bereaksi dengan basa lemah ($B$). Reaksi yang terjadi adalah: $$\text{B} (\text{aq}) + \text{H}^+ (\text{aq}) \rightarrow \text{BH}^+ (\text{aq})$$ Ion $H^+$ dihilangkan dari larutan karena diubah menjadi komponen asam konjugasi ($BH^+$) yang relatif stabil (hanya sedikit terhidrolisis). Dalam simulasi, ini direpresentasikan sebagai pengurangan kotak $B$ dan penambahan kotak $BH^+$.

---

2. Mekanisme Kerja Penangkal Basa ($OH^-$)

   Ketika basa kuat ($OH^-$) ditambahkan, komponen asam konjugasi ($BH^+$) akan bertindak sebagai penangkap basa. Reaksi yang terjadi adalah: $$\text{BH}^+ (\text{aq}) + \text{OH}^- (\text{aq}) \rightarrow \text{B} (\text{aq}) + \text{H}_2\text{O} (\text{l})$$ Ion $OH^-$ dihilangkan dari larutan karena dikonsumsi oleh asam konjugasi ($BH^+$), menghasilkan komponen basa lemah ($B$) dan air. Dalam simulasi, ini direpresentasikan sebagai pengurangan kotak $BH^+$ dan penambahan kotak $B$.

---

3. Landasan Perhitungan (Persamaan Henderson-Hasselbalch $pOH$)

   Kekuatan larutan penyangga basa lemah dihitung menggunakan Persamaan Henderson-Hasselbalch berdasarkan tetapan kesetimbangan basa ($K_b$):

   $$K_b = \dfrac{[\text{BH}^+][\text{OH}^-]}{[\text{B}]}$$

   Dengan mengambil logaritma negatif, diperoleh hubungan untuk $pOH$:

   $$pOH = pK_b + \log \left(\dfrac{[\text{Asam Konjugasi}]}{[\text{Basa Lemah}]}\right)$$ $$pOH = pK_b + \log \left(\dfrac{[\text{BH}^+]}{[\text{B}]}\right)$$

   Nilai pH akhir kemudian dihitung menggunakan hubungan kesetimbangan air:

   $$pH = pK_w - pOH$$

   Sama seperti penyangga asam, perubahan mol $B$ dan $BH^+$ yang bersifat stoikiometri menyebabkan rasio $\dfrac{[\text{BH}^+]}{[\text{B}]}$ hanya berubah sedikit, sehingga pH tetap stabil.

Visualisasi Larutan Penyangga

Dirancang oleh urip.info

Gunakan tombol untuk menambahkan sedikit asam ($H^+$) atau basa ($OH^-$) kuat dan lihat bagaimana komponen penyangga bereaksi untuk mempertahankan rasio dan pH.

Sistem Penyangga Asam Lemah $\left(\dfrac{HA}{A^-}\right)$

pH: 4,75

Asam Lemah (HA)
Penangkap Basa

Basa Konjugasi ($A^-$)
Penangkap Asam

Sistem Penyangga Basa Lemah $\left(\dfrac{B}{BH^+}\right)$

pH: 9,25

Basa Lemah (B)
Penangkap Asam ($NH_3$)

Asam Konjugasi ($BH^+$)
Penangkap Basa ($NH_4^+$)

Cara Kerja Visualisasi:

• Pada Penyangga Asam Lemah ($HA/A^-$): Penambahan $H^+$ akan mengurangi $A^-$ dan menambah $HA$. Penambahan $OH^-$ akan mengurangi $HA$ dan menambah $A^-$.
• Pada Penyangga Basa Lemah ($B/BH^+$): Penambahan $H^+$ akan mengurangi $B$ dan menambah $BH^+$. Penambahan $OH^-$ akan mengurangi $BH^+$ dan menambah $B$.
• Perubahan pH dihitung menggunakan Persamaan Henderson-Hasselbalch, menunjukkan bahwa pH hanya berubah sedikit.

Contoh Perhitungan Stoikiometri Penyangga Asam Lemah

Misalkan Larutan Penyangga $HA/A^-$ memiliki $pK_a = 4,75$. Mol awal $HA = 5,0 \text{ mmol}$ dan $A^- = 5,0 \text{ mmol}$.

Kondisi Awal

$$ pH = 4,75 + \log \left(\frac{\text{5,0 mmol}}{\text{5,0 mmol}}\right) = 4,75 $$

Kasus Penambahan Asam Kuat (1,0 mmol $H^+$)

Reaksi: $A^- + H^+ \rightarrow HA$. Jumlah $A^-$ berkurang, jumlah$HA$ bertambah.

	$\text{A}^-$ (mmol)	$\text{H}^+$ (mmol)	$\text{HA}$ (mmol)
Awal (A)	$5,0$	$1,0$	$5,0$
Bereaksi (B)	$-1,0$	$-1,0$	$+1,0$
Setimbang (S)	$4,0$	$0$	$6,0$

$$ \text{Mol } A^- \text{ akhir} = 5,0 \text{ mmol} - 1,0 \text{ mmol} = 4,0 \text{ mmol} $$ $$ \text{Mol } HA \text{ akhir} = 5,0 \text{ mmol} + 1,0 \text{ mmol} = 6,0 \text{ mmol} $$ $$ pH \text{ akhir} = 4,75 + \log \left(\frac{\text{4,0 mmol}}{\text{6,0 mmol}}\right) \approx 4,75 - 0,18 = 4,57 $$

---

Contoh Perhitungan Stoikiometri Penyangga Basa Lemah

Misalkan Larutan Penyangga $B/BH^+$ memiliki $pK_b = 4,75$ (maka $pK_a$ konjugasi = $14,00 - 4,75 = 9,25$). Mol awal $B = 5,0 \text{ mmol}$ dan $BH^+ = 5,0 \text{ mmol}$.

Kondisi Awal

Perhitungan POH:

$$ pOH = pK_b + \log \left(\frac{[\text{BH}^+]}{[\text{B}]}\right) = 4,75 + \log \left(\frac{\text{5,0 mmol}}{\text{5,0 mmol}}\right) = 4,75 $$

Perhitungan PH:

$$ pH = 14,00 - pOH = 14,00 - 4,75 = 9,25 $$

Kasus Penambahan Basa Kuat (1,0 mmol $OH^-$)

Reaksi: $BH^+ + OH^- \rightarrow B + H_2O$. Jumlah $BH^+$ berkurang, jumlah $B$ bertambah.

	$\text{BH}^+$ (mmol)	$\text{OH}^-$ (mmol)	$\text{B}$ (mmol)
Awal (A)	$5,0$	$1,0$	$5,0$
Bereaksi (B)	$-1,0$	$-1,0$	$+1,0$
Setimbang (S)	$4,0$	$0$	$6,0$

$$ \text{Mol } BH^+ \text{ akhir} = 5,0 \text{ mmol} - 1,0 \text{ mmol} = 4,0 \text{ mmol} $$ $$ \text{Mol } B \text{ akhir} = 5,0 \text{ mmol} + 1,0 \text{ mmol} = 6,0 \text{ mmol} $$

pOH akhir:

$$ pOH \text{ akhir} = 4,75 + \log \left(\frac{\text{4,0 mmol}}{\text{6,0 mmol}}\right) \approx 4,75 - 0,18 = 4,57 $$

pH akhir:

$$ pH \text{ akhir} = 14,00 - 4,57 = 9,43 $$

pH hanya naik 0,18 poin (dari 9,25 menjadi 9,43), menunjukkan kemampuan penyangga.