LARUTAN PENYANGGA (BUFFER)

Pengertian Larutan Penyangga
Larutan penyangga atau buffer adalah larutan yang dapat mempertahankan harga pH tertentu terhadap usaha mengubah pH seperti penambahan asam, basa, atau pengenceran. Artinya, pH larutan penyangga praktis tidak berubah walaupun kepadanya ditambahkan sedikit asam kuat atau basa kuat atau bila larutan diencerkan (Purba, 2003: 23).
2. pH larutan penyangga
Larutan penyangga dapat dibedakan atas:
a. Larutan Penyangga Asam
Mengandung suatu asam lemah (HA) dan basa konjugasi (A-). Larutan seperti itu dapat dibuat dengan mencampurkan asam lemah (HA) dengan garamnya (LA, garam LA menghasilkan ion A- yang merupakan basa konjugasi dari asam HA) atau dengan mencampurkan suatu asam lemah dengan suatu basa kuat dimana asam lemahnya dicampurkan berlebih.
Untuk larutan buffer yang terdiri atas campuran asam lemah dengan garamnya (larutannya akan selalu mempunyai pH < 7).
Contoh larutan penyangga dari asam lemah dan basa konjugasinya adalah larutan yang dibuat dengan mencampurkan larutan asam asetat (CH3COOH) dengan larutan garam Natrium asetat (CH3COONa).
Campuran larutan tersebut terionisasi sebagai berikut.
CH3COOH(aq) H+(aq) + CH3COO-(aq)
CH3COONa(aq) Na+(aq) + CH3COO-(aq)
Karena CH3COOH merupakan asam lemah, maka dalam larutannya zat ini akan terionisasi secara tidak sempurna yang reaksinya dapat membentuk sistem kesetimbangan. Sementara itu, CH3COONa merupakan garam, sehingga dalam larutannya zat ini akan terurai atau terionisasi secara sempurna. Berdasarkan uraian di atas, maka dalam sistem campuran CH3COOH dan CH3COONa terdapat spesi-spesi zat yaitu CH3COOH yang tidak terurai (karena asam lemah); ion CH3COO- (hasil ionisasi CH3COOH dan CH3COONa); ion hidrogen (H+) yang dihasilkan dari ionisasi CH3COOH; dan ion natrium (Na+) yang dihasilkan dari ionisasi CH3COONa. Dalam hal ini, CH3COO- merupakan basa konjugasi dari asam lemah, CH3COOH. Oleh karena itu, larutan penyangga semacam ini sering disebut larutan penyangga dari asam lemah dengan basa konjugasinya atau campuran asam lemah dengan garamnya.
Besarnya pH larutan penyangga dari asam lemah dan basa konjugasinya bergantung pada besarnya tetapan ionisasi asam tersebut (Ka) dan konsentrasi basa konjugasinya, [A-]. Dalam hal ini, konsentrasi basa konjugasi yang digunakan dalam menentukan pH larutan penyangga ini adalah konsentrasi basa konjugasi yang berasal dari garam.
Berdasarkan alasan di atas, maka konsentrasi ion H+ dalam larutan penyangga dari asam lemah dan basa konjugasinya dapat ditentukan sebagai berikut :
atau

Sehingga

Keterangan :
Ka = tetapan ionisasi asam
[H+] = konsentrasi ion H+
[A-] = konsentrasi basa konjugasi
[HA] = konsentrasi asam lemah
a = jumlah mol asam lemah
bk = jumlah mol basa konjugasi
(Sunardi, 2008: 314)
Contoh :
100 mL larutan CH3COOH 0.1 M dicampur dengan 50 mL larutan NaOH 0.1 M.Tentukan berapa pH campuran larutan tersebut jika Ka CH3COOH= 10-5?
Diketahui :100 mL larutan CH3COOH 0.1 M
50 mL larutan NaOH 0.1 M
Ka CH3COOH= 10-5
Ditanya :pH campuran?
Jawab : mol CH3COOH = M x V
= 0.1 M x 100 mL
= 10 mmol
mol NaOH = M x V
= 0.1 M x 50 mL
= 5 mmol
CH3COOH(aq) + NaOH(aq) CH3COONa(aq) + H2O(l)
Atau dengan reaksi ion
CH3COOH(aq) + OH-(aq) CH3COO- (aq) + H2O(l)
Mula-mula: 10 mmol 5 mmol
Terurai : 5 mmol 5 mmol 5 mmol 5 mmol
Sisa : 5 mmol - 5 mmol 5 mmol


= 10-5

= - log (10-5)
= 5
Jadi pH campuran tersebut adalah 5.


b. Larutan penyangga basa
Mengandung suatu basa lemah (B) dan asam konjugasi (BH+). Larutan seperti itu dapat dibuat dengan mencampurkan basa lemah (B) dengan garamnya atau dengan mencampurkan suatu basa lemah dengan suatu asam kuat dimana basa lemahnya dicampurkan berlebih.
Untuk larutan buffer yang terdiri atas campuran basa lemah dengan garamnya (larutannya akan selalu mempunyai pH > 7).
Contoh larutan penyangga dari asam lemah dan asam konjugasinya adalah larutan yang dibuat dengan mencampurkan larutan basa amoniak (NH4+) dengan larutan garam amonium klorida (NH4Cl).
Campuran itu akan terionisasi sebagai berikut :
NH3(aq) + H2O(l) NH4+(aq) + OH-(aq)
NH4Cl(aq) NH4+(aq) + Cl-(aq)
Karena NH3 merupakan basa lemah, maka dalam larutannya zat ini akan terionisasi secara tidak sempurna yang reaksinya dapat membentuk sistem kesetimbangan. Sementara itu, NH4Cl merupakan garam, sehingga dalam larutannya zat ini akan terurai atau terionisasi secara sempurna. Berdasarkan uraian di atas, maka dalam sistem campuran NH3 dan NH4Cl terdapat spesi-spesi zat yaitu NH3 yang tidak terurai (karena basa lemah); ion NH4+ (hasil ionisasi NH3 dan NH4Cl ); ion hidroksida (OH-) yang dihasilkan dari ionisasi NH3 ; dan ion klorida (Cl-) yang dihasilkan dari ionisasi NH4Cl. Dalam hal ini, NH4+ merupakan asam konjugasi dari basa lemah, NH3. Oleh karena itu, larutan penyangga semacam ini sering disebut larutan penyangga dari basa lemah dengan asam konjugasinya atau campuran basa lemah dengan garamnya.
Besarnya pH larutan penyangga dari basa lemah dan asam konjugasinya bergantung pada besarnya tetapan ionisasi asam tersebut (Kb) dan konsentrasi asam konjugasinya, [BH+]. Dalam hal ini, konsentrasi asam konjugasi yang digunakan dalam menentukan pH larutan penyangga ini adalah konsentrasi asam konjugasi yang berasal dari garam.
Berdasarkan alasan di atas, maka konsentrasi ion OH- dalam larutan penyangga dari basa lemah dan asam konjugasinya dapat ditentukan sebagai berikut :


Sehingga

Keterangan :
Kb = tetapan ionisasi basa
[OH-] = konsentrasi ion OH-
[BH+] = konsentrasi asam konjugasi
[B] = konsentrasi basa lemah
b = jumlah mol basa lemah
ak = jumlah mol asam konjugasi
(Sunardi, 2008: 316)
Contoh:
50 mL larutan NH3 0.2 M dicampurkan dengan 50 mL larutan HCl 0.1 M. Tentukan berapa pH campuran larutan tersebut jika Kb NH3 = 10-5?
Diketahui :50 mL larutan NH3 0.2 M
50 mL larutan HCl 0.1 M.
Kb NH3 = 10-5
Ditanya :pH campuran?
Jawab : mol NH3 =M x V
= 0.2 M x 50 mL
= 10 mmol
mol HCl = M x V
= 0.1 M x 50 mL
= 5 mmol
NH3(aq) + HCl(aq) NH4Cl(aq)
Atau dengan reaksi ion
NH3(aq) + H+(aq) NH4+(aq)
Mula-mula: 10 mmol 5 mmol
Terurai : 5 mmol 5 mmol 5 mmol
Sisa : 5 mmol - 5 mmol



= - log (10-5)
= 5
pH =14-pOH
= 14- 5 = 9
3. Sifat dan prinsip kerja larutan penyangga
Larutan penyangga merupakan larutan yang dapat mempertahankan pH. Pada batas-batas tertentu, pengenceran, penambahan ion H+ (asam), atau penambahan ion OH- (basa) relatif tidak mengubah pH larutan penyangga (perubahan pH-nya sangat kecil).
a. larutan penyangga asam
1. Bila dalam sistem penyangga tersebut ditambahkan asam maka asam yang ditambahkan akan bereaksi dengan basa konjugasi atau garamnya.
Sehingga didapatkan rumus :

x adalah jumlah mol asam yang ditambahkan.
2. Bila dalam sistem penyangga tersebut ditambahkan basa maka basa yang ditambahkan akan bereaksi dengan asam lemah.
Sehingga didapatkan rumus :

x adalah jumlah mol basa yang ditambahkan
b. larutan penyangga basa
1. Bila dalam sistem penyangga tersebut ditambahkan asam maka asam yang ditambahkan akan bereaksi dengan basa lemah.
Sehingga didapatkan rumus :

2. Bila dalam sistem penyangga tersebut ditambahkan basa maka basa yang ditambahkan akan bereaksi dengan asam konjugasi atau garamnya.
Sehingga didapatkan rumus :

(Purba, 2003: 25)
4. Fungsi Larutan Penyangga
1. Larutan Penyangga Asam Karbonat Bikarbonat dalam Darah
Proses-proses kimia yang terjadi dalam tubuh dapat menghasilkan beberapa zat kimia seperti karbondioksida dan ion hidrogen. Dalam hal ini, keberadaan zat-zat kimia tersebut dapat menyebabkan pH darah turun atau naik. Jika pH darah sangat rendah, maka kondisi pada saat tersebut dikenal dengan asidosis, sedangkan jika pH darah sangat tinggi, maka kondisi pada saat tersebut dikenal dengan alkalosis. Larutan penyangga yang paling penting untuk mempertahankan keseimbangan asam basa dalam darah adalah sistem penyangga asam karbonat bikarbonat. Dua buah reaksi kesetimbangan penyangga asam karbonat bikarbonat tersebut dituliskan sebagai berikut :
Bukan reaksi asam basa

H3O+(aq) + HCO3-(aq) H2CO3(aq) + H2O(l) 2H2O(l) + CO2(g)

Reaksi asam basa
Asam karbonat (H2CO3) merupakan asam dan air merupakan basa. Basa konjugasi untuk H2CO3 adalah HCO3- (ion karbonat). Asam karbonat juga terurai dengan cepat untuk menghasilkan air dan karbondioksida. Meskipun kesetimbangan antara gas CO2 dengan asam karbonat bukan merupakan reaksi asam basa, tetapi reaksi ini berperan dalam mempertahankan perbandingan konsentrasi H2CO3 dengan konsentrasi HCO3- dalam darah 20 : 1. Selain itu, hal ini juga dipengaruhi oleh keseimbangan kelarutan gas CO2 dari paru-paru dengan gas CO2 yang terlarut dalam darah.
Ketika suatu senyawa asam dimasukkan ke dalam darah, maka ion H+ dari asam tersebut segera bereaksi dengan ion karbonat (HCO3-) dalam darah yang menghasilkan asam karbonat menurut reaksi sebagai berikut:
H+(aq) + HCO3-(aq) H2CO3(aq)
Jika dalam darah banyak terlarut H2CO3, maka pH darah menjadi lebih rendah, sehingga H2CO3 segera terurai menjadi air dan CO2, dimana gas CO2 ini dibuang ke paru-paru. Akibatnya pH darah relatif tetap. Akan tetapi, ketika suatu asam basa dimasukkan ke dalam darah, mak ion OH- dari basa tersebut segera bereaksi dengan asam karbonat (H2CO3) dalam drah yang menghasilkan ion bikarbonat dan air menurut reaksi sebagai berikut :
OH-(aq) + H2CO3(aq) HCO3-(aq) + H2O(l)
Akibatnya, asam karbonat dalam darah berkurang dan untuk menggantinya, gas CO2 disuplai dari paru-paru ke dalam darah.
2. Larutan Penyangga Fosfat dalam Darah
Larutan penyangga fosfat terdiri dari asam fosfat (H3PO4) dalam kesetimbangan dengan ion dihidrogen fosfat (H2PO4-) dan H+. Larutan penyangga fosfat ini hanya berperan kecil dalam darah, hal ini karena H3PO4 dan H2PO4- ditemukan dalam konsentrasi yang sangat rendah dalam darah.
3. Larutan Penyangga Hemoglobin dalam Darah
Hemoglobin juga bertindak sebagai penyangga pH dalam darah. Hal ini karena protein hemoglobin dapat secara bergantian mengikat H+ (pada protein) maupun O2 (pada Fe dari “gugus heme”), tetapi ketika salah satu dari zat tersebut diikat, maka zat yang lain dilepaskan. Hemoglobin membantu mengontrol pH darah dengan mengikat beberapa proton berlebih yang dihasilkan dalam otot. Pada saat yang sama, molekul oksigen dilepaskan untuk digunakan oleh otot tersebut.
4. Larutan Penyangga dalam Kehidupan Sehari-hari
Larutan penyangga dalam kehidupan sehari-hari digunakan dalam berbagai bidang, seperti biokimia, bakteriologi, kimia analisis, industri farmasi, juga dalam fotografi dan zat warna. Dalam industri farmasi, larutan penyangga digunakan pada pembuatan obat-obatan, agar obat tersebut mempunyai pH tertentu dan tidak berubah.
(Sunardi, 2008: 326- 329).
3. Larutan penyangga dalam kehidupan sehari-hari
a. Sistem penyangga karbonat dalam darah
Darah mempunyai pH yang relatif tetap di sekitar 7,4. hal ini dimungkinkan karena adanya sistem penyangga H2CO3/HCO3-, sehingga meskipun setiap saat darah kemasukan berbagai zat yang bersifat asam maupun basa akan selalu dapat dinetralisir pengaruhnya terhadap perubahan pH. Bila darah kemasukan zat yang bersifat asam, maka ion H+ dari asam tersebut akan bereaksi dengan ion HCO3-:
H+(aq) + HCO3-(aq) ⇄ H2CO3(aq)
Sebaliknya bila darah kemasukan zat yang bersifat basa maka ion OH- akan bereaksi dengan H2CO3:
OH+(aq) + H2CO3 (aq) ⇄ HCO3- (aq) + H2O(l)
b. Sistem penyangga fosfat dalam cairan sel
Sistem penyangga fosfat (H2PO4-/HPO42-) merupakan sistem penyangga yang bekerja untuk menjaga pH cairan intra sel. Bila dari proses metabolisme dihasilkan banyak zat yang bersifat asam, maka akan segera bereaksi dengan ion HPO42-:
HPO42-(aq) + H+(aq) ⇄ H2PO4-(aq)
Dan bila proses metabolisme sel menghasilkan senyawa yang bersifat basa, maka ion OH- akan bereaksi dengan ion H2PO4-:
H2PO4-(aq) + OH-(aq) ⇄ HPO42- (aq)+ H2O(l)
c. Sistem penyangga asam amino/ protein
Asam amino mengandung gugus yang bersifat asam dan gugus yang bersifat basa. Oleh karena itu, asam amino dapat berfungsi sebagai sistem penyangga di dalam tubuh. Adanya kelebihan ion H+ akan diikat oleh gugus yang bersifat basa, dan apabila ada kelebihan ion OH- akan diikat oleh ujung yang bersifat asam. Dengan demikian, larutan yang mengandung asam amino akan mempunyai pH relatif tetap (Sudarmo, 2004: 159).



2.7 Larutan Penyangga dalam Konteks SETS
Dalam pembelajaran open-ended problem solving visi SETS untuk pokok materi larutan penyangga, bahasan mengenai larutan penyangga (konsep sains); sifat dan cara kerja larutan penyangga (konsep sains); cara membuat larutan penyangga dan penentuan pH larutan penyangga (konsep sains) dikaitkan dengan teknologi/teknik/prinsip pembuatan produk-produk berbasis larutan penyangga (unsur teknologi) dan beberapa keuntungan penggunaan produk-produk berbasis larutan penyangga tersebut (unsur masyarakat) juga dampak yang mungkin terjadi karena pembuangan kemasan produk-produk berbasis larutan penyangga (unsur masyarakat), tindakan yang dilakukan masyarakat untuk mengatasi dampak tersebut (unsur masyarakat), serta penanaman dan pengambilan tanaman-tanaman tertentu sebagai bahan baku produk-produk berbasis larutan penyangga oleh masyarakat (unsur masyarakat dan lingkungan). Hubungan keempat unsur dapat dilihat pada diagram 2.3.
Ruang lingkup pokok materi larutan penyangga dalam konteks SETS dapat diuraikan sebagai berikut.
1. Larutan penyangga dalam hubungan sosial masyarakat
Di antara contoh manfaat dan kerugian yang dapat dikembangkan dan dijelaskan dengan mempelajari sains larutan penyangga dengan visi dan pendekatan SETS antara lain:
a. dengan adanya teknik pengolahan limbah industri melalui proses anaerob masyarakat dapat terhindar dari berbagai macam penyakit yang ditimbulkan oleh lingkungan yang tercemar limbah.
b. masyarakat dapat terserang penyakit-penyakit tertentu akibat penggunaan produk berbasis larutan penyangga secara berlebihan. Contohnya:
1) penggunaan obat tetes mata yang mengandung kortikosteroid secara berlebihan dapat menyebabkan katarak atau bahkan kebutaan.
2) penggunaan lensa kontak yang tidak sesuai aturan, misalnya tidak mengganti larutan disinfektan/larutan perendam lensa kontak secara teratur dapat menyebabkan gloukoma.
3) penggunaan obat kumur beralkohol secara berlebihan dapat menyebabkan kanker mulut.
c. kebutuhan akan gizi dan cairan infus terpenuhi.
d. dengan adanya obat kumur, kesehatan gigi dan gusi masyarakat dapat terjaga.
e. masyarakat (terutama olahragawan/olahragawati) dapat meningkatkan performa olahraga dengan mengkonsumsi minuman isotonik yang mengandung natrium sitrat-asam sitrat.
f. terpenuhinya kebutuhan masyarakat terhadap makanan dan minuman kemasan yang diawetkan.
g. tersedianya lapangan perkerjaan sebagai produsen atau distributor produk-produk berbasis larutan penyangga.



2. Larutan penyangga dalam hubungan dengan lingkungan dan manusia

a. dengan adanya teknik pengolahan limbah industri secara fisika melalui proses anaerob, maka kerusakan lingkungan akibat pencemaran limbah industri dapat dikurangi.
b. kebutuhan terhadap obat berbahan dari alam (obat alami) mendorong manusia untuk mengambil/memanfaatkan bahan-bahan dari alam. Beberapa di antaranya:
1) pembuatan obat kumur alami dari larutan garam dapur.
2) pembuatan obat tetes mata dari daun keben.
c. kebutuhan akan obat herbal yang semakin meningkat mendorong manusia untuk menanam tanman-tanaman yang bermanfaat sebagai bahan pembuat produk berbasis larutan penyangga. Contohnya: penanaman pohon keben sebagai bahan pembuat obat tetes mata.
d. penggunaan produk-produk berbasis larutan penyangga buatan pabrik umumnya dikemas dalam botol-botol plastik atau kaleng. Hal ini menyebabkan bertambahnya limbah.
e. meningkatnya limbah botol/kaleng kemasan produk-produk berbasis larutan penyangga mendorong manusia melakukan penanganan limbah (daur ulang botol/kaleng).





3. Larutan penyangga dalam hubungan dengan teknologi
a. Teknik pembuatan obat kumur. Obat kumur yang dimaksud adalah larutan garam dapur. Adapun teknik pembuatannya sebagai berikut:
1) mencampurkan garam dapur sebanyak 3,75 gram kedalam 250 ml air aquades hangat atau setara dengan segelas air minum biasa.
2) kemudian dikocok dengan sendok sampai larut secara merata.
3) berkumur dilakukan selama 1 menit dengan mengganti obat kumur sebanyak dua kali dan berkumur dengan menggerakkan oto-otot pipi, bibir dan lidah secara maksimal.
4) setelah berkumur usahakan untuk tidak makan, minum atau berkumur dengan larutan lain selama ±1 menit. Hal ini bertujuan agar larutan garam tersebut dapat bereaksi lebih lama terhadap jaringan yang meradang.
5) berkumur dilakukan sebanyak 2 kali dalam sehari yaitu pagi setelah makan dan malam sebelum tidur selama batas waktu yang tidak ditentukan.
b. Teknik pengolahan limbah melalui proses anaerob
Teknik pengolahan limbah melalui proses anaerob melibatkan proses bufferisasi (menggunakan larutan penyangga). Inti dari teknik pengolahan limbah ini yaitu adanya proses pengubahan senyawa organik menjadi metana dan karbon dioksida,tanpa kehadiran oksigen. Dekomposisi senyawa organik melalui proses anaerob ini terjadi melalui tiga tahapan: (1) reaksi hidrolisis, (2) reaksi pembentukan asam, (3) reaksi pembentukan metana.
Reaksi hidrolisis merupakan proses pelarutan senyawa organik yang semula tidak larut dan proses penguraian senyawa tersebut menjadi senyawa dengan berat molekul yang cukup kecil dan dapat melewati membran sel. Proses pembentukan asam melibatkan dua golongan besar bakteri, yaitu bakteri asidogenik dan asetogenik.
Proses pembentukan metana terutama berasal dari asam asetat, tetapi ada juga yang berasal dari hidrogen dan karbon dioksida. Ada dua kelompok bakteri yang berperan, yaitu bakteri metana asetoklastik dan bakteri metana pengkonsumsi hidrogen. Kedua bakteri penghasil metana ini sanagt sebsitif terhadap perubahan pH. Pada rentang pH 6-8,laju produksi gas metana berkisar antara 1-4 ml/hari. Penambahan larutan penyangga diperlukan untuk mempertahankan pH sekitar 7 agar pertumbuhan bakteri penghasil metana tidak terhambat. Larutan penyangga yang sering digunakan adalah Ca(OH)2, CaCO3, CaHCO3, Na2CO3. sistem penyangga dalam reaktor anaerob adalah H2CO3-CO2 dalam kesetimbangan: CO2 + H2O ⇄ H2CO3 ⇄ H+ + HCO3-
(http://kamale.wordpress.com)
c. Teknik pembuatan minuman penambah performa olahraga
Campuran garam sitrat dengan asam sitrat dalam produk minuman biasanya digunakan sebagai pengatur keasaman yang juga dapat memperkaya rasa dari minuman. Namun dalam kaitannya dengan kegiatan olahraga, campuran garam sitrat dengan asam sitrat juga dapat berfungsi sebagai ergogenic aids yang dapat ,membantu untuk meningkatkan performa olahraga.
Hal ini salah satunya disebabkan karena molekul ini dapat bersifat sebagai buffer terhadap asam laktat yang terbentuk dalam proses metabolisme energi secara anaerobik. Oleh sebab itu maka sitrat-natrium sitrat dapat membantu meningkatkan performa olahraga terutama pada olahraga intensitas tinggi yang bergantung terhadap sistem metabolisme secara anaerobik untuk menghasilkan energi.
Selain membantu memberikan peningkatan terhadap performa olahraga intensitas tinggi yang bergantung terhadap sistem metabolisme energi seara anaerobik. Konsumsi sitrat-natrium sitrat juga dapat memberikan peningkatan terhadap performa olahraga yang bersifat ketahanan (endurance) seperti lari jarak jauh atau juga road cycling.
(http://psslab.com/blog/index.php?categoryid=1&2_articleid=2)