pH Larutan Penyangga Setelah Ditambah HCl atau NaOH, Hitung Mol

Untuk menghitung pH larutan penyangga setelah ditambah HCl atau NaOH, ubah semuanya ke mol, reaksikan asam atau basa kuat yang masuk dengan komponen penyangga, baru masukkan mol sisa ke rumus Henderson-Hasselbalch. Urutannya tidak boleh dibalik: reaksi stoikiometri dulu, kesetimbangan belakangan. Contoh soal larutan penyangga di bawah memakai sistem CH₃COOH/CH₃COONa dan NH₃/NH₄Cl, termasuk kasus ketika penyangga "jebol" sehingga rumus Henderson-Hasselbalch tidak berlaku lagi.

#Rumus Henderson-Hasselbalch yang dipakai di soal penambahan

Untuk penyangga asam lemah HA dan basa konjugasinya A⁻:

$\text{pH}=\text{p}{K}_a+\log \frac{n_{{\text{A}}^{-}}}{n_{\text{HA}}}$

Untuk penyangga basa lemah B dan asam konjugasinya BH⁺, rumus yang setara:

$\text{pOH}=\text{p}{K}_b+\log \frac{n_{{\text{BH}}^{+}}}{n_{\text{B}}}$

Perhatikan bahwa rumus ditulis dengan mol ($n$), bukan konsentrasi. Ini sah karena kedua komponen berada di volume yang sama, jadi volume saling coret di pecahan. Akibatnya, kamu tidak perlu menghitung volume total untuk soal penyangga yang masih bekerja. Kamu baru butuh volume total ketika penyangganya habis.

Di semua contoh, $K_a$ asam asetat dan $K_b$ amonia masing-masing $\mathrm{1,8}\times {10}^{-5}$, sehingga $\text{p}{K}_a=\text{p}{K}_b=\mathrm{4,74}$.

#Langkah mengerjakan: tabel mol sebelum dan sesudah reaksi

Asam kuat dan basa kuat bereaksi praktis sempurna dengan komponen penyangga. Jadi yang dipakai adalah tabel mol biasa (sering disebut tabel MRS: mula, reaksi, sisa), bukan tabel ICE kesetimbangan.

1. Hitung mmol tiap komponen penyangga: $n=M\times V$ (mL).
2. Hitung mmol asam atau basa kuat yang ditambahkan.
3. Tentukan reaksinya. HCl bereaksi dengan komponen basa: ${\text{H}}^{+}+{\text{A}}^{-}\to \text{HA}$. NaOH bereaksi dengan komponen asam: ${\text{OH}}^{-}+\text{HA}\to {\text{A}}^{-}+{\text{H}}_2\text{O}$.
4. Cek apakah kedua komponen masih ada setelah reaksi. Kalau ya, pakai Henderson-Hasselbalch. Kalau salah satu habis, pindah ke cara lain (lihat bagian penyangga jebol).

#Contoh soal 1: penyangga asetat ditambah HCl

Soal: 100 mL CH₃COOH 0,10 M dicampur 100 mL CH₃COONa 0,10 M. Ke dalamnya ditambahkan 10 mL HCl 0,10 M. Berapa pH sebelum dan sesudah penambahan?

Sebelum penambahan, mmol CH₃COOH = $\mathrm{0,10}\times 100=10$ mmol dan mmol CH₃COO⁻ = 10 mmol. Rasionya 1, jadi pH = p$K_a$ = 4,74.

HCl yang masuk: $\mathrm{0,10}\times 10=\mathrm{1,0}$ mmol. Tabel mol:

$\text{pH}=\mathrm{4,74}+\log \frac{\mathrm{9,0}}{11}=\mathrm{4,74}-\mathrm{0,087}=\mathrm{4,65}$

pH hanya turun 0,09. Bandingkan dengan 1,0 mmol HCl yang sama dimasukkan ke 200 mL air murni: volumenya 210 mL, $\left[{\text{H}}^{+}\right]=\mathrm{1,0}/210=\mathrm{0,00476}$ M, dan pH = 2,32. Dari 7 ke 2,32, turun hampir 5 satuan. Itulah arti penyangga dalam angka.

#Contoh soal 2: penyangga asetat ditambah NaOH

Soal: ke penyangga yang sama (10 mmol CH₃COOH dan 10 mmol CH₃COO⁻) ditambahkan 50 mL NaOH 0,10 M, yaitu 5,0 mmol.

$\text{pH}=\mathrm{4,74}+\log \frac{15}{\mathrm{5,0}}=\mathrm{4,74}+\mathrm{0,477}=\mathrm{5,22}$

Naik 0,48 satuan. Lima mmol NaOH di 250 mL air murni akan memberi $\left[{\text{OH}}^{-}\right]=\mathrm{0,020}$ M dan pH 12,30.

#Contoh soal 3: penyangga basa NH₃/NH₄Cl ditambah HCl

Soal: 50 mL NH₃ 0,20 M dicampur 50 mL NH₄Cl 0,10 M, lalu ditambah 2,0 mmol HCl.

Awalnya NH₃ = 10 mmol dan NH₄⁺ = 5,0 mmol. pOH awal $=\mathrm{4,74}+\log \left(\mathrm{5,0}/10\right)=\mathrm{4,44}$, jadi pH = 9,56.

HCl bereaksi dengan komponen basanya: ${\text{H}}^{+}+{\text{NH}}_3\to {\text{NH}}_4^{+}$. Sisa NH₃ = 8,0 mmol, NH₄⁺ = 7,0 mmol.

$\text{pOH}=\mathrm{4,74}+\log \frac{\mathrm{7,0}}{\mathrm{8,0}}=\mathrm{4,74}-\mathrm{0,058}=\mathrm{4,68}\Rightarrow \text{pH}=14-\mathrm{4,68}=\mathrm{9,32}$

Di penyangga basa, letak pecahannya terbalik dibanding penyangga asam. Paling aman, hafalkan satu rumus saja (yang versi pH) dan ingat bahwa pembilangnya selalu spesies basa. Untuk pasangan NH₄⁺/NH₃, p$K_a$ NH₄⁺ = 14 − 4,74 = 9,26, sehingga $\text{pH}=\mathrm{9,26}+\log \left(\mathrm{8,0}/\mathrm{7,0}\right)=\mathrm{9,32}$, hasil yang sama.

#Apa itu kapasitas penyangga dan berapa batasnya?

Kapasitas penyangga adalah seberapa banyak asam atau basa kuat yang bisa ditampung sebelum pH bergeser jauh. Patokan yang sering dipakai di kuliah: penyangga dianggap efektif selama rasio $n_{{\text{A}}^{-}}/n_{\text{HA}}$ ada di antara 0,1 dan 10, yaitu pH dalam rentang p$K_a\pm 1$.

Untuk penyangga 10 mmol/10 mmol tadi, berapa mmol NaOH yang menggeser pH tepat 1 satuan? Cari $n$ yang membuat rasio menjadi 10:

$\frac{10+n}{10-n}=10\Rightarrow 10+n=100-10n\Rightarrow n=\frac{90}{11}=\mathrm{8,2}\text{ mmol}$

Karena komposisinya simetris, HCl juga butuh 8,2 mmol untuk menurunkan pH sebanyak 1 satuan. Kapasitas ini sebanding dengan jumlah mol komponen. Penyangga 0,010 M (masing-masing 1 mmol) punya pH awal yang sama persis, 4,74, tetapi kapasitasnya sepersepuluh. Konsentrasi menentukan ketahanan, rasio menentukan pH.

Grafik di atas dihitung dari kesetimbangan lengkap, bukan dari Henderson-Hasselbalch. Garis putus-putus Henderson-Hasselbalch berimpit dengan kurva eksak sampai mendekati 100 mL, lalu berhenti, karena di titik itu $n_{\text{HA}}=0$ dan logaritmanya tidak terdefinisi.

#Kapan penyangga jebol dan Henderson-Hasselbalch tidak berlaku?

Rumus Henderson-Hasselbalch hanya berlaku selama kedua komponen masih ada dalam jumlah yang berarti. Ada tiga situasi yang memaksamu berganti cara.

1. Asam atau basa kuat tepat menghabiskan satu komponen. Contoh: penyangga 10/10 mmol ditambah 100 mL NaOH 0,10 M (10 mmol). Semua CH₃COOH berubah menjadi CH₃COO⁻, total 20 mmol dalam 300 mL, atau 0,0667 M. Sekarang larutannya garam basa lemah. Dengan $K_b={10}^{-14}/(\mathrm{1,8}\times {10}^{-5})=\mathrm{5,56}\times {10}^{-10}$, $\left[{\text{OH}}^{-}\right]=\sqrt{\mathrm{5,56}\times {10}^{-10}\times \mathrm{0,0667}}=\mathrm{6,09}\times {10}^{-6}$ M, pOH 5,22, dan pH 8,78.
2. Asam atau basa kuat berlebih. Penyangga yang sama ditambah 120 mL NaOH 0,10 M (12 mmol). CH₃COOH habis dan tersisa 2,0 mmol OH⁻ dalam 320 mL. $\left[{\text{OH}}^{-}\right]=\mathrm{2,0}/320=\mathrm{0,00625}$ M, pOH 2,20, pH 11,80. Di sini volume total wajib dipakai, karena yang dihitung adalah konsentrasi basa kuat. Sumbangan OH⁻ dari ion asetat jauh lebih kecil dan boleh diabaikan.
3. Penyangga terlalu encer dibanding yang ditambahkan. Penyangga 100 mL CH₃COOH 0,010 M + 100 mL CH₃COONa 0,010 M (masing-masing 1,0 mmol) ditambah 1,0 mmol HCl. Semua asetat berubah jadi asam asetat: 2,0 mmol dalam 210 mL, 0,00952 M. Ini larutan asam lemah tunggal, dan rumus kuadratnya memberi pH 3,39. Penyangga yang lebih pekat di contoh soal 1 hanya turun ke 4,65 dengan HCl yang sama.

Untuk kasus 3, cara menghitung pH asam lemah tunggal dan kapan rumus akar boleh dipakai dibahas di pH asam lemah: kapan rumus akar Ka kali C boleh.

#Kesalahan yang sering terjadi di soal penyangga

• Memasukkan HCl ke komponen yang salah. HCl mengurangi komponen basa (A⁻ atau NH₃), bukan komponen asam. NaOH mengurangi komponen asam.
• Menghitung pH baru dengan "pH awal dikurangi pH HCl". Penambahan tidak bisa dijumlahkan seperti itu. Selalu lewat tabel mol.
• Membalik pecahan di penyangga basa. Kalau ragu, kerjakan dengan p$K_a$ asam konjugasinya dan pakai satu rumus versi pH.
• Memakai volume total di penyangga yang masih bekerja lalu salah membagi salah satu komponen saja. Kalau mau pakai konsentrasi, bagi keduanya dengan volume yang sama, atau cukup pakai mol.
• Lupa menghitung volume total ketika asam atau basa kuat berlebih. Di kasus jebol, konsentrasi sisa dihitung dari volume campuran, bukan volume awal.
• Memakai rumus penyangga untuk campuran asam lemah dan basa kuat tanpa mereaksikannya dulu. Campuran 20 mmol CH₃COOH dan 10 mmol NaOH memang penyangga, tapi komponennya baru muncul setelah reaksi: 10 mmol CH₃COOH dan 10 mmol CH₃COO⁻.

Kalau soal meminta konsentrasi larutan awal dari padatan atau pengenceran, mulai dari membuat larutan dari padatan dan pengenceran. Untuk soal yang melibatkan konsentrasi setimbang secara umum, lihat tabel ICE dan hubungan Kp-Kc, dan untuk titrasi yang kurvanya mirip grafik di atas, lihat menghitung normalitas dan titrasi.

#FAQ

#Kenapa pH penyangga tidak berubah saat diencerkan?

Karena rasio mol kedua komponen tidak berubah. Ini berlaku selama pengencerannya wajar. Pada pengenceran ekstrem, ionisasi air dan pendekatan Henderson-Hasselbalch mulai tidak akurat.

#Penyangga paling kuat itu yang rasionya berapa?

Rasio 1:1, saat pH sama dengan p$K_a$. Pada titik itu penyangga bisa menahan asam maupun basa sama besar. Semakin jauh rasionya dari 1, semakin cepat salah satu sisi habis.

#Boleh pakai konsentrasi, bukan mol, di Henderson-Hasselbalch?

Boleh, asalkan kedua konsentrasi dihitung di volume total yang sama. Hasilnya identik dengan memakai mol. Yang salah adalah mencampur konsentrasi awal satu komponen dengan konsentrasi akhir komponen lain.

#Kenapa HCl dianggap bereaksi sempurna dengan ion asetat?

Konstanta reaksi ${\text{H}}^{+}+{\text{CH}}_3{\text{COO}}^{-}\to {\text{CH}}_3\text{COOH}$ adalah $1/K_a$, sekitar $\mathrm{5,6}\times {10}^4$. Angka sebesar itu membuat reaksinya praktis tuntas, jadi tabel mol biasa cukup.

#Bagaimana memilih pasangan asam-basa untuk membuat penyangga pH tertentu?

Pilih asam lemah dengan p$K_a$ dalam jarak 1 dari pH target, lalu atur rasionya dengan Henderson-Hasselbalch. Untuk pH sekitar 4,7, pasangan asetat cocok. Untuk pH sekitar 9,3, pasangan amonia lebih tepat.