Cara Kerja Larutan Penyangga: Henderson-Hasselbalch dan Kapasitas Penyangga

Apa itu larutan penyangga

Larutan penyangga (buffer) adalah larutan asam lemah, HA, bersama basa konjugasinya, A⁻: asam asetat dengan natrium asetat, atau dihidrogen fosfat dengan hidrogen fosfat. Tambahkan asam kuat dan basanya mengikat proton (A⁻ + H⁺ → HA); tambahkan basa kuat dan asamnya melepas proton (HA + OH⁻ → A⁻ + H₂O). Bagaimanapun, asam atau basa yang ditambahkan hanya menggeser sedikit perbandingan A⁻ dan HA, bukan mengubah banyak H⁺ bebas, sehingga pH hampir tidak bergerak. Darah dijaga di pH 7,4 dengan cara ini, terutama oleh penyangga bikarbonat, dan hampir setiap percobaan biokimia dilakukan dalam penyangga.

Persamaan Henderson-Hasselbalch

pH = pKa + log₁₀([A⁻] ÷ [HA])

• pKa = −log₁₀ Ka, yaitu pH saat asam terdisosiasi setengahnya.
• Asam dan basa sama banyak: pH = pKa. Basa sepuluh kali lebih banyak: pKa + 1. Asam sepuluh kali lebih banyak: pKa − 1.
• Karena hanya perbandingannya yang muncul, mengencerkan penyangga hampir tidak mengubah pH-nya; tetapi penyangga jadi lebih lemah.

Contoh perhitungan

100 mL penyangga asetat berisi 5 mmol asam asetat dan 5 mmol natrium asetat (total 100 mM, pKa 4,76), jadi pH = 4,76. Tambahkan 2 mL HCl 1 M, yaitu 2 mmol H⁺:

1. H⁺ mengubah 2 mmol asetat menjadi asam asetat: asetat 5 − 2 = 3 mmol, asam asetat 5 + 2 = 7 mmol.
2. pH = 4,76 + log₁₀(3 ÷ 7) = 4,76 − 0,37 = 4,39.

2 mmol yang sama dalam 100 mL air murni menjadi 2 mmol dalam 102 mL, [H⁺] = 0,0196 M, pH = 1,71: turun lebih dari lima satuan, dibanding 0,37 pada penyangga.

Kapasitas penyangga

Kapasitas penyangga, β, adalah banyaknya asam atau basa kuat, dalam mol per liter, yang dibutuhkan untuk mengubah pH satu satuan:

β = 2,303 (Kw ÷ [H⁺] + [H⁺] + C_T Ka [H⁺] ÷ (Ka + [H⁺])²)

Suku terakhir, dari penyangga itu sendiri, mencapai puncak di pH = pKa, dengan nilai 2,303 × C_T ÷ 4 = 0,576 C_T. Jadi penyangga bekerja paling baik di pKa-nya, masih cukup baik dalam rentang sekitar 1 satuan, dan kapasitasnya sebanding dengan konsentrasi totalnya C_T: 100 mM menahan sepuluh kali lebih banyak daripada 10 mM. Begitu salah satu bentuknya habis, penyangga tidak punya apa-apa lagi untuk diberikan, dan pH melonjak seperti pada air.

Memilih penyangga

• Asetat, pKa 4,76: pH 3,8 sampai 5,8.
• Bikarbonat, pKa 6,35 (untuk CO₂ + H₂O ⇌ H⁺ + HCO₃⁻): darah dan media kultur sel, tempat CO₂ terlarut dijaga seimbang dengan udara.
• Fosfat, pKa 7,20 (disosiasi kedua): pH 6,2 sampai 8,2; phosphate-buffered saline.
• Tris, pKa 8,07 pada 25 °C: biologi molekuler, pH 7 sampai 9; pKa-nya turun sekitar 0,03 per °C, jadi penyangga Tris yang dibuat pada suhu ruang sekitar 0,6 satuan lebih basa di ruang dingin.
• Amonium/amonia, pKa 9,25: pH 8,3 sampai 10,3.

Pilih penyangga yang pKa-nya dalam rentang 1 dari pH yang kamu butuhkan, dengan konsentrasi yang memberi kapasitas cukup untuk asam atau basa yang akan dihasilkan percobaan, dan yang tidak mengganggu (fosfat mengendapkan kalsium; Tris bereaksi dengan aldehida).

Memakai simulasi

Simulator Larutan Penyangga menempatkan penyangga dan air bervolume sama berdampingan. Setiap tekanan tombol menambahkan HCl atau NaOH 1 M dalam jumlah yang sama ke keduanya. Cairannya diwarnai seperti indikator universal, molekul penyangga berubah dari biru (bentuk asam) menjadi kuning (bentuk basa), dan titik merah atau ungu menunjukkan H₃O⁺ atau OH⁻ bebas, satu titik per 0,1 mM. Coba hal berikut:

• Tambahkan asam satu mililiter demi satu mililiter dan lihat pH penyangga turun pelan sementara pH air anjlok; lalu teruskan sampai bentuk basa penyangga habis dan pH-nya ikut turun.
• Turunkan konsentrasi menjadi 10 mM: penyangga menyerah setelah sepersepuluh jumlah asam.
• Mulai dengan perbandingan 100 (log perbandingan 2): penyangga menahan asam dengan baik tetapi hampir tidak menahan basa, karena hampir semuanya sudah dalam bentuk basa.
• Bandingkan perkiraan Henderson-Hasselbalch dengan pH yang tepat saat penyangga hampir habis.

Asumsi model

• Konsentrasi, bukan aktivitas. Dalam larutan sungguhan ion saling berinteraksi, sehingga konsentrasi efektifnya (aktivitas) lebih rendah, 10 sampai 25% pada kekuatan ion 0,1 M. Nilai pKa yang terukur bergeser dengan kekuatan ion; pKa fosfat turun menjadi sekitar 6,8 dalam penyangga yang umum.
• Satu pasangan asam-basa per penyangga. Fosfat diperlakukan sebagai H₂PO₄⁻/HPO₄²⁻ saja dan bikarbonat sebagai CO₂/HCO₃⁻ saja; disosiasi lainnya (pKa 2,15 dan 12,35 untuk fosfat, 10,3 untuk bikarbonat) diabaikan.
• Gelas kimia tertutup pada 25 °C, dengan Kw = 10⁻¹⁴. Untuk bikarbonat, tidak ada CO₂ yang lepas ke udara.
• Neraca proton yang tepat. pH diselesaikan dari C_T[H⁺] ÷ ([H⁺] + Ka) + [H⁺] − Kw ÷ [H⁺] = (proton yang ditambahkan) ÷ V, yang berlaku di pH berapa pun, termasuk saat penyangga habis.
• Tambahan langsung tercampur dan menambah volume; volume awal 100 mL dan asam serta basanya 1 M.

Kasus tepi

• Penyangga habis: saat salah satu bentuk hilang, Henderson-Hasselbalch memberi logaritma dari nol atau bilangan negatif dan tidak terdefinisi; solusi tepat tetap berjalan dan menunjukkan pH mengikuti kelebihan asam atau basa kuat.
• Penyangga sangat encer (beberapa mM) di sekitar pH 7: H⁺ dan OH⁻ dari air sendiri tidak lagi bisa diabaikan, dan persamaan sederhana menyimpang dari nilai tepat.
• pH jauh dari pKa: pada perbandingan 100 atau 1/100 penyangga hanya punya sedikit kapasitas ke satu arah dan Henderson-Hasselbalch kurang akurat.
• Air murni berubah pH sekitar 5 satuan untuk tambahan milimolar, itulah sebabnya larutan tanpa penyangga tidak bisa dipakai untuk biokimia.

Kapan model tidak lagi tepat

• Kekuatan ion tinggi. Di atas sekitar 0,1 M diperlukan koreksi aktivitas (Debye–Hückel, Davies), dan penyangga pekat bisa meleset beberapa persepuluh satuan pH dari model ini.
• Suhu. Nilai pKa berubah dengan suhu, Tris sekitar −0,03 per °C dan fosfat jauh lebih sedikit; model memakai nilai pada 25 °C.
• Sistem terbuka. Bikarbonat yang bersentuhan dengan udara bertukar CO₂: darah menjaga pH-nya dengan mengembuskan CO₂, efek yang jauh lebih kuat daripada yang terlihat di gelas tertutup.
• Sistem poliprotik dan campuran. Sitrat, fosfat di seluruh rentangnya, dan cairan biologis dengan banyak penyangga membutuhkan setiap pKa; protein sendiri juga menyangga lewat rantai sampingnya.
• pH meter sungguhan membaca aktivitas, bukan konsentrasi, dan perlu dikalibrasi; angka di meter bisa berbeda 0,05 sampai 0,1 dari pH hasil hitungan meskipun semuanya benar.

Kalkulator

Buat penyangga pada pH tertentu dengan Kalkulator Buffer, hitung pH larutan asam dan basa dengan Kalkulator pH, dan lihat titrasi lengkap, dengan daerah penyangga sebagai bagian datar kurva, di Simulator Kurva Titrasi. Cara Menghitung pH membahas asam kuat dan lemah dengan tangan.