Materi Kimia: pH dan Perhitungannya untuk Asam/Basa - Kuat/Lemah

Setelah memahami konsep dasar asam-basa menurut teori Arrhenius, Brønsted-Lowry, dan Lewis, kini kita masuk ke bagian yang lebih kuantitatif: perhitungan pH. pH (power of Hydrogen) adalah skala numerik yang digunakan untuk menyatakan tingkat keasaman atau kebasaan suatu larutan.

Dalam bagian ini, kita akan mempelajari bagaimana menghitung pH untuk berbagai jenis larutan asam dan basa, mulai dari asam kuat yang terionisasi sempurna seperti HCl dan H2SO4, hingga asam lemah seperti CH3COOH yang hanya terionisasi sebagian. Pemahaman tentang perhitungan pH ini merupakan fondasi penting sebelum kita melanjutkan ke topik-topik lanjutan seperti hidrolisis garam dan larutan penyangga.

1. Konsep pH dan pOH

Definisi pH

pH (power of Hydrogen) adalah skala yang digunakan untuk menyatakan tingkat keasaman atau kebasaan suatu larutan. pH didefinisikan sebagai negatif logaritma basis 10 dari konsentrasi ion H⁺.

Rumus pH:

$$ \text{pH} = -\log[H^+] $$

Rumus pOH:

$$ \text{pOH} = -\log[OH^-] $$

Hubungan pH dan pOH:

$$ \text{pH} + \text{pOH} = 14 \quad (\text{pada suhu 25°C}) $$

Skala pH

pH < 7: Larutan bersifat asam
pH = 7: Larutan bersifat netral
pH > 7: Larutan bersifat basa

Perubahan 1 satuan pH berarti konsentrasi ion H⁺ berubah 10 kali lipat. Contoh: Larutan dengan pH 3 memiliki konsentrasi H⁺ 10 kali lebih besar daripada larutan dengan pH 4.

Catatan: Nilai 14 pada hubungan pH + pOH = 14 berasal dari tetapan ion air (K_w) pada suhu 25°C:

$$ K_w = [H^+][OH^-] = 1,0 \times 10^{-14} $$ $$ \text{p}K_w = -\log K_w = -\log(1,0 \times 10^{-14}) = 14 $$

2. Asam Kuat dan Basa Kuat

Karakteristik Asam Kuat dan Basa Kuat

Asam kuat: Terionisasi sempurna (100%) dalam air
Basa kuat: Terionisasi sempurna (100%) dalam air
Tidak ada kesetimbangan, hanya ada panah satu arah (→) dalam persamaan ionisasi

Contoh Asam Kuat:

HCl (asam klorida) → HCl → H⁺ + Cl^-
H₂SO₄ (asam sulfat) → H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄^2-
HNO₃ (asam nitrat) → HNO₃ → H⁺ + NO₃^-
HBr (asam bromida), HI (asam iodida), HClO₄ (asam perklorat)

Contoh Basa Kuat:

NaOH (natrium hidroksida) → NaOH → Na⁺ + OH^-
KOH (kalium hidroksida) → KOH → K⁺ + OH^-
Ca(OH)₂ (kalsium hidroksida) → Ca(OH)₂ → Ca²⁺ + 2OH^-
Ba(OH)₂ (barium hidroksida), Sr(OH)₂ (stronsium hidroksida)

Rumus Perhitungan pH Asam Kuat

Untuk asam kuat monoprotik (melepaskan 1 H⁺):

$$ [H^+] = M_a $$ $$ \text{pH} = -\log[M_a] $$

Untuk asam kuat diprotik seperti H₂SO₄:

$$ [H^+] = n \times M_a $$

dimana n = jumlah H⁺ yang dapat dilepaskan

Rumus Perhitungan pH Basa Kuat

Untuk basa kuat yang melepaskan 1 OH^-:

$$ [OH^-] = M_b $$ $$ \text{pOH} = -\log[M_b] $$ $$ \text{pH} = 14 - \text{pOH} $$

Untuk basa kuat yang melepaskan 2 OH^- seperti Ca(OH)₂:

$$ [OH^-] = n \times M_b $$

3. Contoh Perhitungan pH Asam Kuat

Contoh 1: Larutan HCl 0,01 M

HCl adalah asam kuat monoprotik yang terionisasi sempurna:

HCl(aq) → H⁺(aq) + Cl^-(aq)

Langkah 1: Tentukan [H⁺]

$$ [H^+] = M_{\text{HCl}} = 0,01 \text{ M} = 10^{-2} \text{ M} $$

Langkah 2: Hitung pH

$$ \begin{aligned} \text{pH} &= -\log[H^+] \\ &= -\log(10^{-2}) \\ &= -(-2) \\ &= 2 \end{aligned} $$

Jawaban: pH larutan HCl 0,01 M adalah 2

Contoh 2: Larutan H₂SO₄ 0,005 M

H₂SO₄ adalah asam kuat diprotik:

H₂SO₄(aq) → 2H⁺(aq) + SO₄^2-(aq)

Langkah 1: Tentukan [H⁺]

$$ [H^+] = 2 \times M_{\text{H}_2\text{SO}_4} = 2 \times 0,005 = 0,01 \text{ M} = 10^{-2} \text{ M} $$

Langkah 2: Hitung pH

$$ \begin{aligned} \text{pH} &= -\log[H^+] \\ &= -\log(10^{-2}) \\ &= 2 \end{aligned} $$

Jawaban: pH larutan H₂SO₄ 0,005 M adalah 2

Contoh 3: Larutan HNO₃ 0,1 M

Langkah 1: Tentukan [H⁺]

$$ [H^+] = M_{\text{HNO}_3} = 0,1 \text{ M} = 10^{-1} \text{ M} $$

Langkah 2: Hitung pH

$$ \begin{aligned} \text{pH} &= -\log[H^+] \\ &= -\log(10^{-1}) \\ &= 1 \end{aligned} $$

Jawaban: pH larutan HNO₃ 0,1 M adalah 1

4. Contoh Perhitungan pH Basa Kuat

Contoh 1: Larutan NaOH 0,001 M

NaOH adalah basa kuat yang terionisasi sempurna:

NaOH(aq) → Na⁺(aq) + OH^-(aq)

Langkah 1: Tentukan [OH^-]

$$ [OH^-] = M_{\text{NaOH}} = 0,001 \text{ M} = 10^{-3} \text{ M} $$

Langkah 2: Hitung pOH

$$ \begin{aligned} \text{pOH} &= -\log[OH^-] \\ &= -\log(10^{-3}) \\ &= 3 \end{aligned} $$

Langkah 3: Hitung pH

$$ \begin{aligned} \text{pH} &= 14 - \text{pOH} \\ &= 14 - 3 \\ &= 11 \end{aligned} $$

Jawaban: pH larutan NaOH 0,001 M adalah 11

Contoh 2: Larutan Ca(OH)₂ 0,02 M

Ca(OH)₂ adalah basa kuat yang melepaskan 2 ion OH^-:

Ca(OH)₂(aq) → Ca²⁺(aq) + 2OH^-(aq)

Langkah 1: Tentukan [OH^-]

$$ [OH^-] = 2 \times M_{\text{Ca(OH)}_2} = 2 \times 0,02 = 0,04 \text{ M} $$

Langkah 2: Hitung pOH

$$ \begin{aligned} \text{pOH} &= -\log[OH^-] \\ &= -\log(0,04) \\ &= -\log(4 \times 10^{-2}) \\ &= -(\log 4 + \log 10^{-2}) \\ &= -(0,6021 - 2) \\ &= -(-1,3979) \\ &= 1,3979 \approx 1,4 \end{aligned} $$

Langkah 3: Hitung pH

$$ \begin{aligned} \text{pH} &= 14 - \text{pOH} \\ &= 14 - 1,4 \\ &= 12,6 \end{aligned} $$

Jawaban: pH larutan Ca(OH)₂ 0,02 M adalah 12,6

Contoh 3: Larutan KOH 0,0001 M

Langkah 1: Tentukan [OH^-]

$$ [OH^-] = M_{\text{KOH}} = 0,0001 \text{ M} = 10^{-4} \text{ M} $$

Langkah 2: Hitung pOH

$$ \begin{aligned} \text{pOH} &= -\log[OH^-] \\ &= -\log(10^{-4}) \\ &= 4 \end{aligned} $$

Langkah 3: Hitung pH

$$ \begin{aligned} \text{pH} &= 14 - \text{pOH} \\ &= 14 - 4 \\ &= 10 \end{aligned} $$

Jawaban: pH larutan KOH 0,0001 M adalah 10

5. Asam Lemah dan Basa Lemah

Karakteristik Asam Lemah dan Basa Lemah

Asam lemah: Terionisasi sebagian dalam air (α < 5%)
Basa lemah: Terionisasi sebagian dalam air (α < 5%)
Terdapat kesetimbangan antara molekul yang tidak terionisasi dengan ion-ionnya
Menggunakan tetapan kesetimbangan: K_a untuk asam lemah, K_b untuk basa lemah

Contoh Asam Lemah:

CH₃COOH (asam asetat, K_a = 1,8 × 10^-5)
HCN (asam sianida, K_a = 4,9 × 10^-10)
HF (asam fluorida, K_a = 6,8 × 10^-4)
H₂CO₃ (asam karbonat, K_a1 = 4,3 × 10^-7)
HCOOH (asam format, K_a = 1,8 × 10^-4)

Contoh Basa Lemah:

NH₃ (ammonia, K_b = 1,8 × 10^-5)
CH₃NH₂ (metilamina, K_b = 4,4 × 10^-4)
C₆H₅NH₂ (anilina, K_b = 4,3 × 10^-10)
NH₂OH (hidroksilamina, K_b = 1,1 × 10^-8)

Rumus Perhitungan pH Asam Lemah

Untuk asam lemah monoprotik dengan derajat ionisasi kecil (α < 5%):

$$ [H^+] = \sqrt{K_a \times M_a} $$ $$ \text{pH} = -\log[H^+] = -\log\sqrt{K_a \times M_a} $$

Rumus alternatif:

$$ \text{pH} = \frac{1}{2}\text{p}K_a - \frac{1}{2}\log M_a $$

dimana $\text{p}K_a = -\log K_a$

Rumus Perhitungan pH Basa Lemah

Untuk basa lemah dengan derajat ionisasi kecil (α < 5%):

$$ [OH^-] = \sqrt{K_b \times M_b} $$ $$ \text{pOH} = -\log[OH^-] = -\log\sqrt{K_b \times M_b} $$ $$ \text{pH} = 14 - \text{pOH} $$

Rumus alternatif:

$$ \text{pOH} = \frac{1}{2}\text{p}K_b - \frac{1}{2}\log M_b $$ $$ \text{pH} = 14 - \left(\frac{1}{2}\text{p}K_b - \frac{1}{2}\log M_b\right) $$

Penting! Rumus $[H^+] = \sqrt{K_a \times M_a}$ dan $[OH^-] = \sqrt{K_b \times M_b}$ hanya berlaku jika derajat ionisasi (α) kurang dari 5%. Jika α > 5%, harus menggunakan rumus kuadrat dari persamaan kesetimbangan.

6. Contoh Perhitungan pH Asam Lemah

Contoh 1: Larutan CH₃COOH 0,1 M (K_a = 1,8 × 10^-5)

CH₃COOH adalah asam lemah monoprotik:

CH₃COOH(aq) ⇌ H⁺(aq) + CH₃COO^-(aq)

Langkah 1: Periksa apakah α < 5%

$$ \begin{aligned} \alpha &= \sqrt{\frac{K_a}{M_a}} \times 100\% \\ &= \sqrt{\frac{1,8 \times 10^{-5}}{0,1}} \times 100\% \\ &= \sqrt{1,8 \times 10^{-4}} \times 100\% \\ &= 1,34 \times 10^{-2} \times 100\% \\ &= 1,34\% < 5\% \end{aligned} $$

OK, bisa menggunakan rumus pendekatan.

Langkah 2: Hitung [H⁺]

$$ \begin{aligned} [H^+] &= \sqrt{K_a \times M_a} \\ &= \sqrt{(1,8 \times 10^{-5}) \times 0,1} \\ &= \sqrt{1,8 \times 10^{-6}} \\ &= 1,34 \times 10^{-3} \text{ M} \end{aligned} $$

Langkah 3: Hitung pH

$$ \begin{aligned} \text{pH} &= -\log[H^+] \\ &= -\log(1,34 \times 10^{-3}) \\ &= -(\log 1,34 + \log 10^{-3}) \\ &= -(0,1271 - 3) \\ &= -(-2,8729) \\ &= 2,8729 \approx 2,87 \end{aligned} $$

Jawaban: pH larutan CH₃COOH 0,1 M adalah 2,87

Contoh 2: Larutan HCN 0,01 M (K_a = 4,9 × 10^-10)

Langkah 1: Periksa apakah α < 5%

$$ \begin{aligned} \alpha &= \sqrt{\frac{K_a}{M_a}} \times 100\% \\ &= \sqrt{\frac{4,9 \times 10^{-10}}{0,01}} \times 100\% \\ &= \sqrt{4,9 \times 10^{-8}} \times 100\% \\ &= 2,21 \times 10^{-4} \times 100\% \\ &= 0,0221\% < 5\% \end{aligned} $$

OK, bisa menggunakan rumus pendekatan.

Langkah 2: Hitung [H⁺]

$$ \begin{aligned} [H^+] &= \sqrt{K_a \times M_a} \\ &= \sqrt{(4,9 \times 10^{-10}) \times 0,01} \\ &= \sqrt{4,9 \times 10^{-12}} \\ &= 2,21 \times 10^{-6} \text{ M} \end{aligned} $$

Langkah 3: Hitung pH

$$ \begin{aligned} \text{pH} &= -\log[H^+] \\ &= -\log(2,21 \times 10^{-6}) \\ &= -(\log 2,21 + \log 10^{-6}) \\ &= -(0,3444 - 6) \\ &= -(-5,6556) \\ &= 5,6556 \approx 5,66 \end{aligned} $$

Jawaban: pH larutan HCN 0,01 M adalah 5,66

Contoh 3: Larutan HF 0,1 M (K_a = 6,8 × 10^-4)

Langkah 1: Periksa apakah α < 5%

$$ \begin{aligned} \alpha &= \sqrt{\frac{K_a}{M_a}} \times 100\% \\ &= \sqrt{\frac{6,8 \times 10^{-4}}{0,1}} \times 100\% \\ &= \sqrt{6,8 \times 10^{-3}} \times 100\% \\ &= 8,25 \times 10^{-2} \times 100\% \\ &= 8,25\% > 5\% \end{aligned} $$

TIDAK BISA menggunakan rumus pendekatan. Harus menggunakan rumus kuadrat.

Langkah 2: Buat persamaan kesetimbangan

Misal [H⁺] = x, maka:

$$ \begin{aligned} \text{HF} &\rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{F}^- \\ \text{Awal:} & \quad 0,1 \quad\quad 0 \quad\quad 0 \\ \text{Berubah:} & \quad -x \quad\quad +x \quad\quad +x \\ \text{Setimbang:} & \quad 0,1-x \quad\quad x \quad\quad x \end{aligned} $$

Langkah 3: Gunakan tetapan kesetimbangan

$$ \begin{aligned} K_a &= \frac{[H^+][F^-]}{[HF]} \\ 6,8 \times 10^{-4} &= \frac{x \cdot x}{0,1 - x} \\ 6,8 \times 10^{-4} &= \frac{x^2}{0,1 - x} \end{aligned} $$

Langkah 4: Selesaikan persamaan kuadrat

$$ \begin{aligned} x^2 &= 6,8 \times 10^{-4}(0,1 - x) \\ x^2 &= 6,8 \times 10^{-5} - 6,8 \times 10^{-4}x \\ x^2 + 6,8 \times 10^{-4}x - 6,8 \times 10^{-5} &= 0 \end{aligned} $$

Menggunakan rumus kuadrat:

$$ \begin{aligned} x &= \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a} \\ &= \frac{-6,8 \times 10^{-4} \pm \sqrt{(6,8 \times 10^{-4})^2 + 4 \times 6,8 \times 10^{-5}}}{2} \\ &= \frac{-6,8 \times 10^{-4} \pm \sqrt{4,624 \times 10^{-7} + 2,72 \times 10^{-4}}}{2} \\ &= \frac{-6,8 \times 10^{-4} \pm \sqrt{2,724624 \times 10^{-4}}}{2} \\ &= \frac{-6,8 \times 10^{-4} \pm 1,6506 \times 10^{-2}}{2} \end{aligned} $$

Ambil nilai positif:

$$ \begin{aligned} x &= \frac{-6,8 \times 10^{-4} + 1,6506 \times 10^{-2}}{2} \\ &= \frac{1,5826 \times 10^{-2}}{2} \\ &= 7,913 \times 10^{-3} \text{ M} \end{aligned} $$

Jadi, [H⁺] = 7,913 × 10^-3 M

Langkah 5: Hitung pH

$$ \begin{aligned} \text{pH} &= -\log[H^+] \\ &= -\log(7,913 \times 10^{-3}) \\ &= 2,102 \approx 2,10 \end{aligned} $$

Jawaban: pH larutan HF 0,1 M adalah 2,10

Jika menggunakan rumus pendekatan: [H⁺] = √(6,8×10^-4×0,1) = 8,25×10^-3 M, pH = 2,08. Terlihat ada perbedaan kecil.

7. Contoh Perhitungan pH Basa Lemah

Contoh 1: Larutan NH₃ 0,1 M (K_b = 1,8 × 10^-5)

NH₃ adalah basa lemah:

NH₃(aq) + H₂O(l) ⇌ NH₄⁺(aq) + OH^-(aq)

Langkah 1: Periksa apakah α < 5%

$$ \begin{aligned} \alpha &= \sqrt{\frac{K_b}{M_b}} \times 100\% \\ &= \sqrt{\frac{1,8 \times 10^{-5}}{0,1}} \times 100\% \\ &= \sqrt{1,8 \times 10^{-4}} \times 100\% \\ &= 1,34 \times 10^{-2} \times 100\% \\ &= 1,34\% < 5\% \end{aligned} $$

OK, bisa menggunakan rumus pendekatan.

Langkah 2: Hitung [OH^-]

$$ \begin{aligned} [OH^-] &= \sqrt{K_b \times M_b} \\ &= \sqrt{(1,8 \times 10^{-5}) \times 0,1} \\ &= \sqrt{1,8 \times 10^{-6}} \\ &= 1,34 \times 10^{-3} \text{ M} \end{aligned} $$

Langkah 3: Hitung pOH

$$ \begin{aligned} \text{pOH} &= -\log[OH^-] \\ &= -\log(1,34 \times 10^{-3}) \\ &= 2,8729 \approx 2,87 \end{aligned} $$

Langkah 4: Hitung pH

$$ \begin{aligned} \text{pH} &= 14 - \text{pOH} \\ &= 14 - 2,87 \\ &= 11,13 \end{aligned} $$

Jawaban: pH larutan NH₃ 0,1 M adalah 11,13

Contoh 2: Larutan CH₃NH₂ 0,05 M (K_b = 4,4 × 10^-4)

Langkah 1: Periksa apakah α < 5%

$$ \begin{aligned} \alpha &= \sqrt{\frac{K_b}{M_b}} \times 100\% \\ &= \sqrt{\frac{4,4 \times 10^{-4}}{0,05}} \times 100\% \\ &= \sqrt{8,8 \times 10^{-3}} \times 100\% \\ &= 9,38 \times 10^{-2} \times 100\% \\ &= 9,38\% > 5\% \end{aligned} $$

TIDAK BISA menggunakan rumus pendekatan. Harus menggunakan rumus kuadrat.

Langkah 2: Buat persamaan kesetimbangan

Misal [OH^-] = x, maka:

$$ \begin{aligned} \text{CH}_3\text{NH}_2 + \text{H}_2\text{O} &\rightleftharpoons \text{CH}_3\text{NH}_3^+ + \text{OH}^- \\ \text{Awal:} & \quad 0,05 \quad\quad\quad\quad 0 \quad\quad 0 \\ \text{Berubah:} & \quad -x \quad\quad\quad\quad +x \quad\quad +x \\ \text{Setimbang:} & \quad 0,05-x \quad\quad\quad x \quad\quad x \end{aligned} $$

Langkah 3: Gunakan tetapan kesetimbangan

$$ \begin{aligned} K_b &= \frac{[CH_3NH_3^+][OH^-]}{[CH_3NH_2]} \\ 4,4 \times 10^{-4} &= \frac{x \cdot x}{0,05 - x} \\ 4,4 \times 10^{-4} &= \frac{x^2}{0,05 - x} \end{aligned} $$

Langkah 4: Selesaikan persamaan kuadrat

$$ \begin{aligned} x^2 &= 4,4 \times 10^{-4}(0,05 - x) \\ x^2 &= 2,2 \times 10^{-5} - 4,4 \times 10^{-4}x \\ x^2 + 4,4 \times 10^{-4}x - 2,2 \times 10^{-5} &= 0 \end{aligned} $$

Menggunakan rumus kuadrat:

$$ \begin{aligned} x &= \frac{-4,4 \times 10^{-4} \pm \sqrt{(4,4 \times 10^{-4})^2 + 4 \times 2,2 \times 10^{-5}}}{2} \\ &= \frac{-4,4 \times 10^{-4} \pm \sqrt{1,936 \times 10^{-7} + 8,8 \times 10^{-5}}}{2} \\ &= \frac{-4,4 \times 10^{-4} \pm \sqrt{8,81936 \times 10^{-5}}}{2} \\ &= \frac{-4,4 \times 10^{-4} \pm 9,391 \times 10^{-3}}{2} \end{aligned} $$

Ambil nilai positif:

$$ \begin{aligned} x &= \frac{-4,4 \times 10^{-4} + 9,391 \times 10^{-3}}{2} \\ &= \frac{8,951 \times 10^{-3}}{2} \\ &= 4,4755 \times 10^{-3} \text{ M} \end{aligned} $$

Jadi, [OH^-] = 4,4755 × 10^-3 M

Langkah 5: Hitung pOH dan pH

$$ \begin{aligned} \text{pOH} &= -\log[OH^-] \\ &= -\log(4,4755 \times 10^{-3}) \\ &= 2,349 \\ \text{pH} &= 14 - \text{pOH} \\ &= 14 - 2,349 \\ &= 11,651 \approx 11,65 \end{aligned} $$

Jawaban: pH larutan CH₃NH₂ 0,05 M adalah 11,65

8. Ringkasan Rumus pH

Jenis Larutan	Rumus [H⁺] atau [OH^-]	Rumus pH
Asam Kuat Monoprotik (HCl, HNO₃, dll)	$[H^+] = M_a$	$\text{pH} = -\log M_a$
Asam Kuat Diprotik (H₂SO₄)	$[H^+] = 2 \times M_a$	$\text{pH} = -\log(2 \times M_a)$
Basa Kuat 1 OH^- (NaOH, KOH)	$[OH^-] = M_b$	$\text{pH} = 14 + \log M_b$
Basa Kuat 2 OH^- (Ca(OH)₂, Ba(OH)₂)	$[OH^-] = 2 \times M_b$	$\text{pH} = 14 + \log(2 \times M_b)$
Asam Lemah (α < 5%) (CH₃COOH, HCN)	$[H^+] = \sqrt{K_a \times M_a}$	$\text{pH} = \frac{1}{2}\text{p}K_a - \frac{1}{2}\log M_a$
Basa Lemah (α < 5%) (NH₃, CH₃NH₂)	$[OH^-] = \sqrt{K_b \times M_b}$	$\text{pOH} = \frac{1}{2}\text{p}K_b - \frac{1}{2}\log M_b$ $\text{pH} = 14 - \text{pOH}$

Tips Menghitung pH:

Identifikasi jenis asam/basa (kuat atau lemah)
Untuk asam/basa kuat: gunakan konsentrasi langsung
Untuk asam/basa lemah: cek derajat ionisasi (α) terlebih dahulu
Jika α < 5%: gunakan rumus pendekatan
Jika α > 5%: gunakan persamaan kuadrat
Perhatikan jumlah ion H⁺ atau OH^- yang dilepaskan
Untuk basa, selalu hitung pOH terlebih dahulu, baru konversi ke pH

Pages