Materi Kimia Kelas XI: Definisi, Komponen, Sifat, Cara Kerja, pH dan Manfaat Larutan Penyangga

Pada materi sebelumnya kalian sudah memahami konsep asam dan basa. Nah, pernahkan kalian membayangkan bila tubuh manusia dimasuki zat yang mengandung asam dan basa? Tentu saja jika tubuh manusia mengalami perubahan pH yang naik atau turun drastis akibat masuknya larutan asam maupun basa maka akan sangat berbahaya hingga menyebabkan kematian. Dengan demikian, kesetimbangan pH dalam tubuh manusia harus dijaga. Untuk menjaga kesetimbangan tersebut,maka tubuh manusia memiliki sifat yang disebut sebagai larutan penyangga atau buffer. Dengan adanya sifat larutan penyangga, maka tubuh manusia akan tetap mampu mempertahankan pH meskipun mengalami penambahan zat yang mengandung asam atau basa.

Definisi, Komponen, dan Sifat Larutan Penyangga

Tubuh manusia harus bisa mempertahankan derajat keasamannya (pH) agar bisa menjalankan fungsinya sehingga tidak membahayakan kesehatan. Darah merupakan salah satu cairan dalam tubuh yang memiliki fungsi sangat penting memiliki fungsi penting dalam mendistribusikan oksigen dan sari-sari makanan ke seluruh tubuh, mengangkut limbah metabolisme tubuh, seperti CO2, urea, dan asam laktat untuk dibuang melalui alat ekskresi tubuh, menjaga suhu tubuh, dan lain-lain. Suatu basis berbasis larutan akan memberikan dampak pada perubahan kinerja sistem biokimia dalam tubuh makhluk hidup apabila mengalami perubahan pH. Dalam hal ini, darah menjaga kondisi kimiawi untuk melaksanakan perannya yaitu menjaga pH agar relatif konstan yang berkisar 7,4.

Fungsi darah sebagai pengangkut dan pendistribusi oksigen ke seluruh tubuh dan pengangkut CO2 untuk dibuang melalui paru-paru seharusnya mengakibatkan pengaruh pada perubahan pH karena adanya perbedaan zat yang diangkut. Namun adanya sistem larutan penyangga atau buffer dalam darah mampu menjaga ketahanan pH tersebut yang ditunjukkan melalui reaksi kesetimbangan asam-basa dalam air darah. Dari pemaparan tersebut, maka dapat disimpulkan bahwa pengertian dari larutan penyangga adalah larutan yang dapat mempertahankan pH tertentu terhadap usaha mengubah pH, seperti penambahan asam atau basa. Dengan kata lain pH larutan penyangga tidak akan berubah secara siknifikan walaupun pada larutan tersebut ditambahkan sedikit asam kuat, basa kuat atau larutan tersebut diencerkan.

a. Larutan Penyangga Asam

Jenis larutan penyangga asam ditentukan oleh komponen terpenting penyusunnya yaitu asam lemah dan basa konjugasi yang berasal dari garamnya, seperti CH3COOH dan CH3COO-. Misalnya dalam suatu percobaan, campuran 50 mL CH3COOH 0,1 M dan 50 mL larutan CH3COONa ternyata menghasilkan pH yang relatif konstan meskipun terjadi penambahan sedikit asam maupun basa. Nah, apa penyebab campuran tersebut dapat mempertahankan harga pH? Apa sajakah yang terdapat dalam campuran tersebut sehingga dapat mempertahankan harga pH? Di dalam campuran tersebut terdapat partikel asam lemah (CH3COOH) dan ion CH3COO- dari garamnya (CH3COONa). Adanya partikel CH3COOH (asam lemah) dan ion CH3COO- dari CH3COONa (garamnya) inilah yang paling mungkin menyebabkan campuran larutan CH3COOH 0,1 M dengan 50 ml larutan CH3COONa 0,1 M dapat mempertahankan harga pH. Sesuai dengan teori asam-basa Bronsted-Lowry pasangan CH3COOH dan CH3COONa merupakan pasangan asam lemah dan garamnya (basa konjugasi) adalah larutan penyangga.

Dengan adanya komponen tersebut maka, dalam pembuatan larutan penyangga asam hal yang perlu diperhatikan adalah keberadaan asam lemah dan basa konjugasi yang berasal dari garamnya. Dengan memperhatikan keberadaan asam lemah dan basa konjugasi yang berasal dari garamnya, pembuatan larutan penyangga asam dapat dilakukan dengan dua cara, yakni 1) mencampurkan asam lemah dan garamnya (seperti pada contoh CH3COOH dan CH3COONa) dan 2) mereaksikan asam lemah berlebih dengan basa kuat, yang nantinya akan terdapat asam lemah (sisa reaksi) dan basa konjugasi yang berasal dari garam yang terbentuk.

b. Larutan Penyangga Basa

Jenis larutan penyangga basa ditentukan oleh komponen terpenting penyusunnya yaitu basa lemah dan asam konjugasi yang berasal dari garamnya, seperti NH4OH dan NH4Cl. Misalnya dalam suatu percobaan, campuran 50 mL NH4OH 0,1 M dan 50 mL larutan NH4Cl ternyata menghasilkan pH yang relatif konstan meskipun terjadi penambahan sedikit asam maupun basa. Hasil dari pencampuran tersebut menghasilkan partikel basa lemah (NH4OH) dan ion NH4+ dari garamnya (NH4Cl). Adanya partikel NH4OH (basa lemah) dan ion NH4+ dari garamnya inilah yang paling mungkin menyebabkan campuran 50 ml NH4OH H 0,1 M dengan 50 ml NH4Cl 0,1 M dapat mempertahankan harga pH ketika ditambahkan sedikit asam maupun basa. Sesuai dengan teori asam-basa Bronsted-Lowry pasangan NH4OH dan NH4Cl merupakan pasangan basa lemah dan garamnya (asam konjugasi). Dengan demikian, larutan yang mengandung basa lemah dan garamnya (asam konjugasi) adalah larutan penyangga.

Dengan adanya komponen tersebut maka, dalam pembuatan larutan penyangga asam hal yang perlu diperhatikan adalah keberadaan asam lemah dan basa konjugasi yang berasal dari garamnya. Dengan memperhatikan keberadaan asam lemah dan basa konjugasi yang berasal dari garamnya, pembuatan larutan penyangga asam dapat dilakukan dengan dua cara, yakni 1) mencampurkan basa lemah dan garamnya (seperti pada contoh NH4OH dan NH4Cl) dan 2) mereaksikan basa lemah berlebih dengan asam kuat, yang nantinya akan terdapat basa lemah (sisa reaksi) dan asam konjugasi yang berasal dari garam yang terbentuk.

Cara Kerja Larutan Penyangga

Kita sudah mengetahui bahwa jenis-jenis larutan yang dapat mempertahankan pH (buffer) terdiri dari buffer asam dan buffer basa. Larutan penyangga asam mengandung komponen asam lemah dan garamnya dari basa kuat, sedangkan larutan penyangga basa mengandung komponen basa lemah dan garamnya dari asam kuat. Lantas, bagaimanakah kedua komponen-komponen tersebut berperan dalam mempertahankan pH dari larutan penyangga ketika ditambahkan sedikit asam maupun basa? Bagaimanakah mekanisme kerja komponen-komponen tersebut?

a. Larutan Penyangga Asam

Campuran larutan CH3COOH dan CH3COONa merupakan larutan penyangga. Dapat diketahui pula bahwa campuran larutan tersebut mengandung sisa asam lemah, yakni CH3COOH dan garamnya, yakni CH3COONa. CH3COOH yang merupakan asam lemah, akan terionisasi dalam larutannya secara tidak sempurna membentuk sistem kesetimbangan asam lemah sebagai berikut

Sedangkan CH3COONa yang merupakan garam akan terdisosiasi dalam larutannya menjadi ion CH3COO- dan Na+. Dengan demikian, dalam campuran larutan tersebut terdapat CH3COOH (asam lemah yang tidak terurai), ion CH3COO- (hasil ionisasi CH3COOH dan disosiasi CH3COONa), ion H+ (hasil ionisasi CH3COOH), dan ion Na+ (hasil disosiasi CH3COONa). Konsentrasi ion CH3COO- hasil disosiasi dari CH3COONa dapat mewakili keseluruh ion CH3COO-, karena kosentrasi ion yang sama dari hasil ionisasi jauh lebih kecil daripada hasil disosiasi.

1) Penambahan Asam

Ketika HCl (asam kuat) ditambahkan ke dalam campuran tersebut, ion H+ dari HCl akan bereaksi dengan ion CH3COO- menghasilkan CH3COOH.

Penambahan asam akan menggeser kesetimbangan awal dalam campuran ke arah pembentukan CH3COOH. Hal ini akan mencegah penambahan konsentrasi H+ secara signifikan sehingga pH tidak mengalami perubahan secara signifikan.

2) Penambahan Basa

Ketika NaOH (basa kuat) ditambahkan ke dalam campuran tersebut, CH3COOH akan bereaksi dengan ion OH- dari NaOH menghasilkan CH3COO- dan air.

Penambahan OH- akan menggeser kesetimbangan awal dalam campuran ke arah pembentukan CH3COO-. Hal ini akan mencegah terjadinya penambahan konsentrasi OH- secara signifikan sehingga pH tidak mengalami perubahan secara signifikan.

b. Larutan Penyangga Basa

Campuran larutan NH4OH dan NH4Cl merupakan larutan penyangga. Dapat diketahui pula bahwa campuran larutan tersebut mengandung sisa basa lemah, yakni NH4OH dan garamnya, yakni NH4Cl. NH4OH yang merupakan asam lemah, akan terionisasi dalam larutannya secara tidak sempurna membentuk sistem kesetimbangan asam lemah sebagai berikut.

Sedangkan NH4Cl yang merupakan garam akan terdisosiasi dalam larutannya menjadi ion NH4+ dan Cl-. Dengan demikian, dalam campuran larutan tersebut terdapat NH4OH (basa lemah yang tidak terurai), ion NH4+ (hasil ionisasi NH4OH dan disosiasi NH4Cl), ion OH- (hasil ionisasi NH4OH), dan ion Cl- (hasil disosiasi NH4Cl). Konsentrasi ion NH4+ hasil disosiasi dari NH4Cl dapat mewakili keseluruh ion NH4+, karena kosentrasi ion yang sama dari hasil ionisasi jauh lebih kecil daripada hasil disosiasi.

1) Penambahan Asam

Ketika HCl (asam kuat) ditambahkan ke dalam campuran tersebut, ion H+ dari HCl akan bereaksi dengan ion NH4OH membentuk NH4+.

Pengurangan ion OH- akan dikembalikan melalui ionisasi basa lemah sesuai dengan kesetimbangan awal dalam campuran. Hal ini akan mencegah penambahan konsentrasi H+ secara signifikan sehingga pH tidak mengalami perubahan secara signifikan.

2) Penambahan Basa

Ketika NaOH (basa kuat) ditambahkan ke dalam campuran tersebut, ion OH- dari NaOH akan bereaksi dengan ion NH4+ menghasilkan NH4OH.

Penambahan OH- akan menggeser kesetimbangan awal dalam campuran ke arah pembentukan NH4OH. Hal ini akan mencegah terjadinya penambahan konsentrasi OH- secara signifikan sehingga pH tidak mengalami perubahan secara signifikan. Berdasarkan pembahasan di atas, dapat disimpulkan bahwa larutan penyangga asam dan penyangga basa dapat mempertahankan harga pH melalui mekanisme kesetimbangan kimia dalam larutan. Adapun komponen-komponen utamanya adalah molekul asam lemah dan ion negatifnya yang banyak berasal dari garam dalam buffer asam atau molekul dari basa lemah dan ion positifnya yang banyak berasal dari garam dalam buffer basa akan mencegah perubahan pH.

pH Larutan Penyangga

Pada unit pembelajaran ini, pH larutan penyangga dapat dirumuskan melalui pembuatan larutan penyangga dan pengukuran pH-nya. Seperti unit pembelajaran sebelumnya, larutan buffer asam atau basa memiliki konsentrasi komponen asam/basa dan garam yang berbeda-beda. Perbedaan tersebuut dapat digunakan untuk merumuskan pH larutan penyangga, dengan melihat hubungan konsentrasi dan perbedaan pH-nya. Perhitungan-perhitungan ini juga akan digunakan untuk melihat ketahanan pH terhadap penambahan asam atau basa. pH larutan penyangga, akan ditentukan oleh reaksi kesetimbangan asam dengan kehadiran ion basa konjugasinya yang relatif tinggi untuk buffer asam; dan reaksi kesetimbangan basa lemah dengan kehadiran ion positif asam konjugasinya yang relatif tinggi untuk buffer basa. Kemudian, data hasil pengukuran pH larutan setelah penambahan sedikit asam/basa dari luar untuk mengetahui efeknya terhadap perubahan pH atau ketahanan pH larutan penyangga dapat dirasionalkan melalui perhitungan penerapan rumus pH larutan penyangga setelah menghitung pergeseran konsentrasi komponen larutan penyangga sesuai dengan asas Lechatelier.

a. Larutan Penyangga Asam

Konsentrasi ion H+ larutan penyangga asam dapat diprediksi atau dihitung dengan mengalikan harga Ka dengan hasil bagi jumlah mol asam lemah dan basa konjugasi. Jika asam lemah bervalensi satu, maka jumlah mol basa konjugasi sama dengan mol garam.

pH larutan penyangga asam dapat dihitung sebagai berikut

Contoh:

Seorang peneliti mencampurkan 100 mL CH3COOH 0,1 M dan 50 mL NaOH 0,1 M dan bereaksi seperti persamaan reaksi berikut

Secara ionik persamaan reaksi di atas dapat ditulis sebagai berikut.

Perhitungan stoikiometri untuk mengetahui jumlah mol masing-masing zat yang ada adalah sebagai berikut.

Natrium asetat CH3COONa yang merupakan garam dari CH3COOH akan terdisosiasi dalam larutan menjadi ion CH3COO- dan Na+, dimana ion Na+ berada stabil dalam larutan sehingga tidak mempengaruhi kesetimbangan. Jadi dalam campuran larutan sesuai dengan persamaan reaksi di atas menghasilkan CH3COOH (asam lemah yang tidak terurai), ion CH3COO- (hasil ionisasi dan disosiasi CH3COONa), ion H+ (hasil ionisasi CH3COOH) dan ion Na+ (hasil ionisasi CH3COONa). Adanya CH3COOH, ion CH3COO- dan ion H+ dalam campuran menghasilkan kesetimbangan berikut.

Melalui sistem kesetimbangan di atas, harga tetapan kesetimbangan CH3COOH adalah sebagai berikut.

Dalam campuran, terdapat lebih banyak ion-ion CH3COO- yang berasal dari disosiasi CH3COONa sehingga, H+ hasil ionisasi CH3COOH dapat diabaikan. Harga Ka dari CH3COOH adalah 1,8 10-5. Secara matematis, konsentrasi H+ ([H+]) yang menjadi prasyarat perhitungan pH dapat dinyatakan seperti di bawah ini.

Konsentrasi dalam molar (M) dihitung sebagai jumlah mol dibagi volume (dalam liter), sehingga persamaannya menjadi sebagai berikut.

Berdasarkan persamaan di atas, harga pH dapat dihitung sebagai berikut.

Dengan memasukkan jumlah mol yang sudah didapatkan pada analisis stoikiometri sebelumnya, pH campuran 100 mL CH3COOH 0,1 M dan 50 mL NaOH 0,1 M adalah sebagai berikut.

b. Larutan Penyangga Basa

Konsentrasi ion OH- larutan penyangga basa dapat diprediksi atau dihitung dengan mengalikan harga Kb dengan hasil bagi jumlah mol basa lemah dan asam konjugasi. Jika basa lemah bervalensi satu, maka jumlah mol basa konjugasi sama dengan mol garam.

pH larutan penyangga basa dapat dihitung sebagai berikut.

Contoh:

Seorang peneliti mencampurkan 100 mL NH4OH 0,1 M dan 50 mL HCl 0,1 M dan bereaksi seperti persamaan reaksi berikut.

Perhitungan stoikiometri untuk mengetahui jumlah mol masing-masing zat yang ada adalah sebagai berikut.

Amonium hidroksida (NH4OH) dalam larutan akan terionisasi secara tidak sempurna yang reaksinya membentuk sistem kesetimbangan.

Amonium klorida (NH4Cl) akan terdisosiasi dalam larutan menjadi ion NH4+ dan Cl-. Jadi dalam campuran larutan sesuai dengan persamaan reaksi di atas menghasilkan NH4OH (basa lemah yang tidak terurai), ion NH4+ (hasil ionisasi NH4OH dan disosiasi NH4Cl), ion OH- (hasil ionisasi NH4OH) dan ion Cl- (hasil disosiasi NH4Cl). Dengan demikian sistem kesetimbangan basa lemah NH4OH dengan harga kesetimbangan (Kb) adalah sebagai berikut.

Dalam campuran, terdapat lebih banyak ion-ion NH4+ yang berasal dari disosiasi NH4Cl sehingga, hasil ionisasi NH4OH dapat diabaikan.

Harga Kb dari NH4OH adalah 1,8 10-5. Dengan mengabaikan konsentrasi H2O konsentrasi OH- yang menjadi prasyarat perhitungan pOH dapat dinyatakan seperti di bawah ini.

Konsentrasi dalam molar (M) dihitung sebagai jumlah mol dibagi volume (dalam liter), sehingga persamaannya menjadi sebagai berikut.

Berdasarkan persamaan di atas, harga pH dapat dihitung sebagai berikut.

Dengan memasukkan jumlah mol yang sudah didapatkan pada analisis stoikiometri sebelumnya, pH campuran mencampurkan 100 mL NH4OH 0,1 M dan 50 mL HCl 0,1 M adalah sebagai berikut.

Manfaat Larutan Penyangga

Darah dalam tubuh manusia mempunyai kisaran pH 7,35 sampai 7,45 dan apabila pH di atas 7,8 akan menyebabkan organ tubuh manusia menjadi rusak, sehingga harus dijaga dikisarah pH yang ada dalam tubuh dengan larutan penyangga. Terdapat tiga jenis sistem penyangga dalam tubuh makhluk hidup, yakni sistem penyangga karbonat-bikarbonat, sistem penyangga fosfat dan sistem penyangga asam amino.

1) Sistem Penyangga Karbonat-Bikarbonat

Sistem penyangga karbonat dan bikarbonat adalah sistem larutan penyangga yang terdapat pada darah dan tersusun atas H2CO3 dan HCO3-. Tubuh manusia merupakan sebuah sistem kompleks yang setiap organnya berhubungan satu sama lain. Energi yang dibutuhkan manusia diperoleh dari proses respirasi, yang merupakan proses pemecahan molekul kompleks menjadi molekul yang lebih sederhana dan energi. Dalam proses tersebut dibutuhkan oksigen (O2) yang akan membantu dalam pemecahan molekul tersebut yang diperoleh manusia melalui proses pernafasan.

Oksigen (O2) akan digunakan dalam proses metabolisme dan menyisakan karbon dioksida (CO2) sebagai sisa metabolisme. Selanjutnya karbon dioksida (CO2) ini akan diangkut dalam darah dan larut di dalamnya membentuk asam karbonat (H2CO3). H2CO3 kemudian segera terdisosiasi menjadi ion H+ dan ion HCO3-, dimana ion H+ sudah tentu akan menurunkan pH darah yang apabila terlalu asam akan membahayakan tubuh. Untuk mencegah hal tersebut terdapat sistem penyangga karbonat-bikarbonat yang bertanggung jawab untuk menjaga kestabilan pH darah sekitar 7,4.

Keberadaan sistem penyangga karbonat-bikarbonat dapat digambarkan dalam persamaan reaksi berikut.

Persamaan kesetimbangan reaksi di atas menunjukkan bahwa di dalam tubuh akan terbentuk sistem penyangga untuk menjaga pH agar tetap stabil di sekitar 7,4. Ketika CO2 masuk ke dalam darah, CO2 akan berubah menjadi H2CO3 dan akan segera terionisasi menjadi H+ dan HCO3-. Penambahan asam ke dalam darah akan segera direspon oleh ion HCO3-. Dengan demikian, ion H+ akan bereaksi dengan ion HCO3- membentuk H2CO3 yang kemudian akan terurai menjadi CO2.

Karbondioksida (CO2) hasil penguraian ini kemudian akan dikeluarkan oleh tubuh melalui paru-paru melalui peningkatan pernafasan. Sedangkan, penambahan basa ke dalam darah akan segera direspon oleh H2CO3. Dengan demikian, ion OH- akan bereaksi dengan H2CO3 membentuk HCO3-.

Selanjutnya, CO2 yang terdapat dalam paru-paru akan larut kembali dalam darah membentuk H2CO3 untuk tetap mempertahankan keseimbangan sebelumnya.

Terjadinya penurunan pH atau kenaikan pH dalam darah secara drastis akan mengganggu fungsi organ tubuh hingga menyebabkan kematian. Apabila pH darah di bawah rentangan pH normal, maka tubuh akan mengalami asidosis yang dapat disebabkan oleh penyakit jantung, penyakit ginjal, diabetes mellitus, diare hebat dan lain-lain.

Keadaan ini sementara disebabkan oleh olah raga atau bekerja secara terus menerus yang dilakukan terlalu lama sehingga metabolisme meningkat dan menghasilkan banyak zat-zat yang bersifat asam. Hal tersebut akan meningkatkan kadar H2CO3 sehingga mengakibatkan turunnya nilai pH. Keadaan alkalosis adalah keadaan dimana pH darah di atas pH normal. Alkalosis dapat terjadi sebagai akibat dari muntah hebat, ataupun hiperventilasi yang merupakan bernafas terlalu berlebihan.

2) Sistem Penyangga Fosfat

Sistem penyangga fosfat adalah sistem larutan penyangga yang terdapat pada cairan seluruh tubuh makhluk hidup dan tersusun atas H2PO4-- dan HPO42-.

Sistem penyangga fosfat memiliki peranan kecil dalam darah, namun penyangga ini memiliki peranan krusial di ginjal. Ginjal merupakan organ penyaring darah yang dalam konteks ini juga berperan dalam menjaga kestabilan pH darah. Sistem penyangga fosfat membantu menjaga kestabilan darah ketika disaring di ginjal. Selain itu sistem penyangga fosfat berperan penting dalam menjaga keseimbangan pH cairan intrasel. Ketika sistem penyangga fosfat ditambahkan asam, akan terjadi reaksi sebagai berikut.

Ketika sistem penyangga fosfat ditambahkan basa, akan terjadi reaksi sebagai berikut.

3) Sistem Penyangga Asam Amino

Protein adalah senyawa organik yang terdiri atas asam amino-asam amino yang terangkai (seperti sebuah rantai) yang merupakan komponen utama struktur tiap organ dari mahluk hidup. Protein membentuk sistem penyangga yang membentu kestabilan tubuh dalam plasma darah seperti gambar berikut.

Asam amino adalah senyawa organik yang mengandung gugus karboksil (-COOH) dan amino (-NH2). Struktur asam amino dalam plasma darah di atas dapat dijelaskan sebagai berikut. 

• pH darah normal (gambar 1)

Gugus karboksil pada pH darah normal adalah -COO-, gugus aminonya adalah -NH3+.

• Penambahan Asam

Ketika darah mengalami penambahan asam, atau peningkatan konsentrasi ion H+, gugus karboksil COO- mengikat ion H+ membentuk gugus -COOH.

• Penambahan Basa

Ketika darah mengalami penambahan basa atau peningkatan konsentrasi ion OH-, gugus amino --NH3+ akan melepaskan ion H+ dan berubah menjadi gugus NH2. 

Ion H+ yang dilepaskan oleh --NH3+ akan bereaksi dengan ion OH- membentuk air, dan tetap menjaga pH darah di sekitar 7,4.

4) Sistem Penyangga Hemoglobin

Sistem penyangga hemoglobin adalah sistem larutan penyangga yang terdapat pada darah dan tersusun atas HHb dan HbO2. Reaksi larutan penyangga hemoglobin adalah sebagai berikut.

Keberadaan oksigen pada reaksi di atas dapat mempengaruhi ion H+, sehingga berpengaruh pula terhadap pH darah. Pada reaksi di atas O2 bersifat basa. Hemoglobin yang telah melepaskan O2 dapat mengikat H+ dan membentuk asam hemoglobin. Sehingga ion H+ yang dilepaskan pada peruraian H3CO3 merupakan asam yang diproduksi oleh CO3 yang terlarut dalam air saat metabolisme.