Pembahasan Soal Nomor 8 OSP Kimia 2023 (Kesetimbangan Asam-Basa Senyawa Krom dan Fosfat)

Berikut pembahasan soal OSP Kimia Tahun 2023 yang terdiri 9 soal. Setiap soal akan diberikan dalam tautan berbeda.

• Soal #1: Termodinamika
• Soal #2: Kinetika
• Soal #3: Elektrokimia
• Soal #4: Sifat Koligatif Larutan
• Soal #5: Termokimia-Kesetimbangan
• Soal #6: Struktur Molekul
• Soal #7: Polimer-Spektroskopi
• Soal #8: Kesetimbangan Asam-basa
• Soal #9: Kimia Organik

Kesetimbangan Asam-Basa Senyawa Krom dan Fosfat (25 poin)

Kromium(IV) oksida (CrO₃) merupakan salah satu oksida logam yang bersifat asam dan memiliki titik leleh yang rendah. Senyawa CrO₃ juga dikenal dengan istilah asam dikromat (H₂Cr₂O₇) anhidrat.

1. Padatan CrO₃ dapat larut dengan larutan natrium hidroksida (NaOH) dan menghasilkan larutan ....

   • Na₂CrO₄
   • Na₂Cr₂O₇
   • NaCrO₄
   • NaCr₂O₇
   • tidak tahu
Pembahasan bagian a.
CrO₃ merupakan oksida asam. Dalam suasana basa (NaOH berlebih), bentuk kromium(VI) yang stabil adalah ion kromat (CrO₄²⁻), bukan dikromat (yang stabil pada suasana asam):
$$ \begin{aligned} \text{CrO}_3(s) + 2\text{NaOH}(aq) &\rightarrow \text{Na}_2\text{CrO}_4(aq) + \text{H}_2\text{O}(l) \end{aligned} $$
Jawaban: Na₂CrO₄

2. Reaksi asam-basa antara larutan asam dikromat (H₂Cr₂O₇) dengan larutan NaOH dapat dijelaskan dengan teori asam-basa ________

Pembahasan bagian b.
Reaksi ini melibatkan transfer proton (H⁺) dari asam dikromat (donor proton) ke ion hidroksida dari NaOH (akseptor proton):
$$ \begin{aligned} \text{H}_2\text{Cr}_2\text{O}_7 + 2\text{OH}^- &\rightarrow \text{Cr}_2\text{O}_7^{2-} + 2\text{H}_2\text{O} \end{aligned} $$
Karena inti penjelasannya adalah perpindahan proton dari asam ke basa, reaksi ini paling tepat dijelaskan dengan teori asam-basa Brønsted–Lowry (asam = donor proton, basa = akseptor proton).
Jawaban: Teori asam-basa Brønsted–Lowry

3. Senyawa Cr(VI) memiliki dua jenis asam okso, yaitu asam dikromat dan asam kromat (H₂CrO₄, memiliki nilai pK_a1 = 0,74 dan pK_a2 = 6,49).

   Larutan H₂CrO₄ 0,02 M sebanyak 20 mL dititrasi dengan larutan NaOH 0,025 M, pH larutan pada titik ekivalen 1 adalah ________ dan pH larutan pada titik ekivalen 2 adalah ________.

Pembahasan bagian c.
Data: 20 mL H₂CrO₄ 0,02 M dititrasi NaOH 0,025 M
$$ \begin{aligned} n_{\text{H}_2\text{CrO}_4} &= 20 \text{ mL} \times 0{,}02 \text{ M} \\[4pt] &= 0{,}4 \text{ mmol} \end{aligned} $$
Titik ekivalen 1: pembentukan HCrO₄⁻ (spesi amfiprotik)
$$ \begin{aligned} V_{\text{NaOH,ekv1}} &= \dfrac{n_{\text{H}_2\text{CrO}_4}}{[\text{NaOH}]} \\[4pt] &= \dfrac{0{,}4}{0{,}025} \\[4pt] &= 16 \text{ mL} \end{aligned} $$
Pada titik ekivalen 1, spesi dominan adalah HCrO₄⁻ yang bersifat amfiprotik, sehingga:
$$ \begin{aligned} \mathrm{pH}_{\text{ekv1}} &= \dfrac{1}{2}\left(\mathrm{p}K_{a1}+\mathrm{p}K_{a2}\right) \\[4pt] &= \dfrac{1}{2}\left(0{,}74+6{,}49\right) \\[4pt] &= \dfrac{7{,}23}{2} \\[4pt] &= 3{,}62 \end{aligned} $$
Titik ekivalen 2: pembentukan CrO₄²⁻ (basa konjugasi lemah)
$$ \begin{aligned} V_{\text{NaOH,ekv2}} &= 2\times V_{\text{NaOH,ekv1}} \\[4pt] &= 32 \text{ mL} \\[10pt] [\text{CrO}_4^{2-}] &= \dfrac{0{,}4 \text{ mmol}}{20+32 \text{ mL}} \\[4pt] &= \dfrac{0{,}4}{52} \\[4pt] &= 7{,}69\times 10^{-3} \text{ M} \end{aligned} $$
Hidrolisis basa: $\text{CrO}_4^{2-} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HCrO}_4^- + \text{OH}^-$
$$ \begin{aligned} K_b &= \dfrac{K_w}{K_{a2}} \\[4pt] &= \dfrac{10^{-14}}{10^{-6{,}49}} \\[4pt] &= 10^{-7{,}51} \\[4pt] &= 3{,}09\times 10^{-8} \end{aligned} $$
$$ \begin{aligned} [\text{OH}^-] &= \sqrt{K_b \times C_b} \\[4pt] &= \sqrt{(3{,}09\times 10^{-8})(7{,}69\times 10^{-3})} \\[4pt] &= \sqrt{2{,}38\times 10^{-10}} \\[4pt] &= 1{,}54\times 10^{-5} \text{ M} \end{aligned} $$
$$ \begin{aligned} \mathrm{pOH} &= -\log(1{,}54\times 10^{-5}) \\[4pt] &= 4{,}81 \\[10pt] \mathrm{pH}_{\text{ekv2}} &= 14 - 4{,}81 \\[4pt] &= 9{,}19 \end{aligned} $$
pH(titik ekivalen 1) ≈ 3,62   |   pH(titik ekivalen 2) ≈ 9,19

4. Volume larutan NaOH yang diperlukan untuk menghasilkan larutan bufer (penyangga) dengan pH = pK_a1 pada titrasi tersebut adalah ________ mL dan untuk pH = pK_a2 sebanyak ________ mL.

Pembahasan bagian d.
Berdasarkan persamaan Henderson–Hasselbalch, pH = pK_a tercapai tepat pada titik setengah ekivalen (setengah titik ekivalen terkait), di mana konsentrasi asam dan basa konjugasinya sama sehingga suku logaritma = 0.
pH = pK_a1 (setengah jalan menuju ekivalen 1)
$$ \begin{aligned} V_{\mathrm{pH=pK_{a1}}} &= \dfrac{1}{2}\,V_{\text{NaOH,ekv1}} \\[4pt] &= \dfrac{1}{2}(16 \text{ mL}) \\[4pt] &= 8 \text{ mL} \end{aligned} $$
pH = pK_a2 (setengah jalan antara ekivalen 1 dan ekivalen 2)
$$ \begin{aligned} V_{\mathrm{pH=pK_{a2}}} &= V_{\text{NaOH,ekv1}} + \dfrac{1}{2}\left(V_{\text{NaOH,ekv2}}-V_{\text{NaOH,ekv1}}\right) \\[4pt] &= 16 + \dfrac{1}{2}(32-16) \\[4pt] &= 16+8 \\[4pt] &= 24 \text{ mL} \end{aligned} $$
V(pH=pK_a1) = 8 mL   |   V(pH=pK_a2) = 24 mL

5. Garam natrium kromat memiliki kelarutan yang cukup besar dalam air (s = 84,5 g/100 mL air pada 25 °C). pH larutan natrium kromat tepat jenuh adalah ________.

Pembahasan bagian e.
M(Na₂CrO₄) = 2(23) + 52 + 4(16) = 162 g/mol
Kelarutan: s = 84,5 g / 100 mL air. Diasumsikan volume larutan ≈ volume air (100 mL) untuk menghitung molaritas larutan jenuh.
Langkah 1: Konsentrasi larutan jenuh
$$ \begin{aligned} n_{\text{Na}_2\text{CrO}_4} &= \dfrac{84{,}5}{162} \\[4pt] &= 0{,}522 \text{ mol} \\[10pt] C &= \dfrac{0{,}522 \text{ mol}}{0{,}100 \text{ L}} \\[4pt] &= 5{,}22 \text{ M} \end{aligned} $$
Langkah 2: Hidrolisis CrO₄²⁻
$$ \begin{aligned} [\text{OH}^-] &= \sqrt{K_b \times C} \\[4pt] &= \sqrt{(3{,}09\times 10^{-8})(5{,}22)} \\[4pt] &= \sqrt{1{,}61\times 10^{-7}} \\[4pt] &= 4{,}01\times 10^{-4} \text{ M} \end{aligned} $$
Langkah 3: Menghitung pH
$$ \begin{aligned} \mathrm{pOH} &= -\log(4{,}01\times 10^{-4}) \\[4pt] &= 3{,}40 \\[10pt] \mathrm{pH} &= 14-3{,}40 \\[4pt] &= 10{,}60 \end{aligned} $$
pH larutan Na₂CrO₄ jenuh ≈ 10,60

6. Larutan natrium kromat direaksikan dengan larutan natrium dihidrogen fosfat (NaH₂PO₄, diketahui H₃PO₄ memiliki nilai pK_a1 = 2,12, pK_a2 = 7,21, dan pK_a3 = 12,38), maka reaksi kesetimbangan asam-basa akan bergeser ke ________.

Pembahasan bagian f.
Reaksi transfer proton yang mungkin terjadi:
$$ \begin{aligned} \text{CrO}_4^{2-} + \text{H}_2\text{PO}_4^{-} &\rightleftharpoons \text{HCrO}_4^{-} + \text{HPO}_4^{2-} \end{aligned} $$
Menghitung tetapan kesetimbangan reaksi (K)
$$ \begin{aligned} K &= \dfrac{[\text{HCrO}_4^-][\text{HPO}_4^{2-}]}{[\text{CrO}_4^{2-}][\text{H}_2\text{PO}_4^-]} \\[4pt] &= \dfrac{K_{a2}(\text{H}_2\text{PO}_4^-)}{K_{a2}(\text{H}_2\text{CrO}_4)} \\[4pt] &= \dfrac{10^{-7{,}21}}{10^{-6{,}49}} \\[4pt] &= 10^{-0{,}72} \\[4pt] &= 0{,}19 \end{aligned} $$
Karena K < 1, reaksi transfer proton dari H₂PO₄⁻ ke CrO₄²⁻ tidak menguntungkan (H₂PO₄⁻ adalah asam yang lebih lemah daripada HCrO₄⁻, sehingga kurang mampu mendonorkan proton kepada CrO₄²⁻).
Reaksi bergeser ke kiri (ke arah pereaksi awal: CrO₄²⁻ dan H₂PO₄⁻ tetap dominan), karena K < 1

7. Rasio massa (dalam g) NaH₂PO₄/Na₂HPO₄ yang diperlukan untuk menghasilkan 500 mL larutan penyangga dengan pH = 7,01 adalah ________.

Pembahasan bagian g.
M(NaH₂PO₄) = 23+2(1)+31+4(16) = 120 g/mol
M(Na₂HPO₄) = 2(23)+1+31+4(16) = 142 g/mol
Langkah 1: Persamaan Henderson–Hasselbalch
$$ \begin{aligned} \mathrm{pH} &= \mathrm{p}K_{a2} + \log\left(\dfrac{[\text{HPO}_4^{2-}]}{[\text{H}_2\text{PO}_4^-]}\right) \\[10pt] 7{,}01 &= 7{,}21 + \log\left(\dfrac{[\text{HPO}_4^{2-}]}{[\text{H}_2\text{PO}_4^-]}\right) \\[10pt] \log\left(\dfrac{[\text{HPO}_4^{2-}]}{[\text{H}_2\text{PO}_4^-]}\right) &= -0{,}20 \end{aligned} $$
Langkah 2: Rasio mol
$$ \begin{aligned} \dfrac{[\text{HPO}_4^{2-}]}{[\text{H}_2\text{PO}_4^-]} &= 10^{-0{,}20} \\[4pt] &= 0{,}631 \\[10pt] \dfrac{n_{\text{H}_2\text{PO}_4^-}}{n_{\text{HPO}_4^{2-}}} &= \dfrac{1}{0{,}631} \\[4pt] &= 1{,}585 \end{aligned} $$
Langkah 3: Konversi ke rasio massa
$$ \begin{aligned} \dfrac{m_{\text{NaH}_2\text{PO}_4}}{m_{\text{Na}_2\text{HPO}_4}} &= \dfrac{n_{\text{H}_2\text{PO}_4^-}}{n_{\text{HPO}_4^{2-}}} \times \dfrac{M_{\text{NaH}_2\text{PO}_4}}{M_{\text{Na}_2\text{HPO}_4}} \\[4pt] &= 1{,}585 \times \dfrac{120}{142} \\[4pt] &= 1{,}585 \times 0{,}845 \\[4pt] &= 1{,}34 \end{aligned} $$
Rasio massa NaH₂PO₄ : Na₂HPO₄ ≈ 1,34 : 1
Volume larutan (500 mL) tidak memengaruhi hasil rasio massa karena rasio konsentrasi = rasio mol pada volume yang sama.

---