Teori asam basa
a. Kesetimbangan kimia
Bila zat A, B dan C
berubah menjadi X, Y dan Z dan secara simultan X, Y dan Z berubah menjadi A, B
dan C, proses gabungan ini disebut reaksi reversibel dan diungkapkan dengan
persamaan bertanda panah ganda di bawah ini.
A + B + C + . . .
X + Y + Z + . . . (9.1)
Zat di sebelah kiri
tanda panah disebut dengan reaktan, dan zat di sebelah kanan disebut produk.
Anda harus ingat bahwa
kita berhutang budi pada Boyle dalam penggunaan kertas lakmus.
Di tahap awal reaksi,
konsentrasi produk rendah, dan akibatnya laju reaksi balik juga rendah. Dengan
berjalannya reaksi, laju reaksi balik akan meningkat, dan sebaliknya laju
reaksi maju semakin rendah. Ketika akhirnya laju dua reaksi sama, nampaknya
seolah tidak ada reaksi lagi. Keadaan semacam ini disebut dengan kesetimbangan
kimia. Pada kesetimbangan, konsentrasi komponen bervariasi bergantung pada
suhu.
Konsentrasi tiap
komponen (biasanya dalam mol dm-3) misalnya komponen A, disimbolkan
dengan [A]. Maka konstanta kesetimbangan K didefinisikan sebagai
K = ([X][Y][Z] … )/([A][B][C] … ) (9.2)
b. Kesetimbangan disosiasi elektrolit
Reaksi disosiasi,
yakni ketika elektrolit AB melarut di air dan terdisosiasi menjadi komponennya
A- dan B+ disebut dengan disosiasi elektrolit
atau ionisasi.Reaksi ini juga merupakan reaksi reversibel.
AB
A- + B+ (9.3)
Kesetimbangan
disosiasi elektrolit disebut dengan kesetimbangan disosiasi elektrolit.
Konstanta kesetimbangannya disebut dengan konstanta disosiasi elektrolit.
Konstanta ini didefinisikan sebagai berikut.
K = [A-][B+]/[AB] (9.4)
[AB], [A-]
dan [B+] adalah konsentrasi kesetimbangan AB, A- dan
B+.
Pada derajat tertentu
air juga terdisosiasi. Konstanta disosiasi air didefinisikan sebagai berikut.
H2O
H+ + OH-;
K = [H+][OH-]/[H2O] … (9.5)
Konstata hasil kali
ion air Kw didefinisikan sebagai:
Kw = [H+][OH-] = 1,00 x 10-14 mol2 dm-6 (298,15
K) …. (9.6)
Persamaan ini berlaku
tidak hanya untuk air murni tetapi juga bagi larutan dalam air.
Jadi, dalam larutan
asam, [H+] lebih besar dari [OH-]. Konsentrasi ion
hidrogen [H+] dalam HCl 1 molar adalah [H+] = 1,0 mol dm-3 (elektrolit
kuat) dan konsentrasi [H+] dalam 1 molar NaOH adalah [H+]
= 10-14/[OH-] = 10-14 mol dm-3.
Hal ini menyatakan
bahwa [H+] larutan berubah sebesar 1014 dari HCl 1 M
ke NaOH 1M. Lebih lanjut, [H+] larutan dalam air biasanya cukup
kecil. Jadi, akan lebih mudah bila digunakan skala pH, yakni skala logaritma
berbasis 10
pH = -log [H+] (9.7)
Teori Asam Basa Menurut
Arrhenius
Larutan asam dan basa
merupakan contoh dari larutan elektrolit. Pada tahun 1884, Svante Arrhenius
(1859-1897) seorang ilmuwan Swedia yang memenangkan hadiah nobel atas karyanya
di bidang ionisasi, memperkenalkan pemikiran tentang senyawa yang terpisah atau
terurai menjadi bagian ion-ion dalam larutan. Dia menjelaskan bagaimana
kekuatan asam dalam larutan aqua (air) tergantung pada konsentrai ion-ion
hidrogen di dalamnya.
Menurut Arrhenius, asam adalah zat yang dalam air melepakan ion H+,
sedangkan basa adalah zat yang dalam air melepaskan ion OH–. Jadi
pembawa sifat asam adalah ion H+, sedangkan pembawa sifat basa
adalah ion OH–. Asam Arrhenius dirumuskan sebagai HxZ, yang dalam
air mengalami ionisasi sebagai berikut.HxZ ⎯⎯→ x H+ + Zx–
Jumlah ion H+ yang dapat dihasilkan oleh 1 molekul asam disebut valensi asam,
sedangkan ion negatif yang terbentuk dari asam setelah melepaskan ion H+ disebut
ion sisa asam. Beberapa contoh asam dapat dilihat pada tabel 5.1.
Basa Arrhenius adalah
hidroksida logam, M(OH)x, yang dalam air terurai sebagai berikut.
M(OH)x ⎯⎯→ Mx+ + x OH–
Jumlah ion OH– yang
dapat dilepaskan oleh satu molekul basa disebut valensi basa. Beberapa contoh
basa diberikan pada tabel 5.2.
Asam sulfat dan magnesium hidroksida dalam air mengion sebagai berikut.
H2SO4
⎯⎯→ 2 H+ + SO42–
Mg(OH)2 ⎯⎯→ Mg+ + 2 OH–
Tetapan Kesetimbangan
Air (Kw)
Air murni hampir tidak menghantarkan arus listrik. Hanya alat pengukuran yang
sangat peka yang dapat menunjukkan bahwa air murni memiliki daya hantar listrik
yang sangat kecil. Artinya, hanya sebagian kecil molekul-molekul air dapat
terionisasi menjadi ion H+ dan ion OH–.
Persamaan ionisasi air dapat ditulis sebagai:
H2O(l) ←⎯⎯⎯⎯→ H+(aq) + OH–(aq)
Harga tetapan air adalah:
Konsentrasi H2O
yang terionisasi menjadi H+ dan OH– sangat kecil
dibandingkan dengan konsentrasi H2O mula-mula, sehingga konsentrasi
H2O dapat dianggap tetap, maka harga K[H2O] juga tetap,
yang disebut tetapan kesetimbangan air atau ditulis Kw. Jadi,
Pada suhu 25 °C, Kw yang
didapat dari percobaan adalah 1,0 × 10–14. Harga Kw ini tergantung pada suhu,
tetapi untuk percobaan yang suhunya tidak terlalu menyimpang jauh dari 25 °C,
harga Kw itu dapat dianggap tetap.
Harga Kw pada berbagai
suhu dapat dilihat pada tabel 5.3 berikut.
Kw = [H+][OH–] = 10–14
Oleh karena [H+][OH–] =
10–14, maka [H+]= 10–7 dan [OH–] = 10–7. Artinya, dalam 1 liter air murni
terkandung ion H+ dan ion OH– masing-masing sebanyak 10–7 mol.
Kekuatan Asam dan Basa
Sebagaimana larutan elektrolit yang dibedakan atas elektrolit kuat dan
elektrolit lemah, maka larutan asam dan larutan basa yang merupakan larutan
elektrolit juga dibedakan atas asam-basa kuat dan asam-basa lemah. Perbedaan
kekuatan larutan asam-basa ini dipengaruhi oleh banyak sedikitnya ion-ion pembawa
sifat asam dan ion-ion pembawa sifat basa yang dihasilkan saat terionisasi.
A. Kekuatan Asam
Kekuatan asam dipengaruhi oleh banyaknya ion – ion H+ yang dihasilkan oleh
senyawa asam dalam larutannya. Berdasarkan banyak sedikitnya ion H+ yang
dihasilkan, larutan asam dibedakan menjadi dua macam sebagai berikut.
1. Asam Kuat
Asam kuat yaitu senyawa asam yang dalam larutannya terion seluruhnya menjadi
ion-ionnya. Reaksi ionisasi asam kuat merupakan reaksi berkesudahan. Secara
umum, ionisasi asam kuat dirumuskan sebagai berikut.
HA(aq) ⎯⎯→ H+(aq) + A–(aq)
dengan: x = valensi asam
M =
konsentrasi asam
2. Asam Lemah
Asam lemah yaitu senyawa asam yang dalam larutannya hanya sedikit terionisasi
menjadi ion-ionnya. Reaksi ionisasi asam lemah merupakan reaksi kesetimbangan.
Secara umum, ionisasi asam lemah valensi satu dapat dirumuskan sebagai berikut.
HA(aq) ←⎯⎯⎯⎯→ H+(aq) + A–(aq)
[H+ ][A ] = [HA] a K –
Makin kuat asam maka reaksi kesetimbangan asam makin condong ke kanan,
akibatnya Ka bertambah besar. Oleh karena itu, harga Ka merupakan ukuran
kekuatan asam, makin besar Ka makin kuat asam.
Berdasarkan persamaan di atas, karena pada asam lemah [H+] = [A–],
maka persamaan di atas dapat diubah menjadi:
Ka = [H+ ]2
HA
[H+]2 = Ka · [HA]
dengan Ka = tetapan
ionisasi asam
Konsentrasi ion H+ asam
lemah juga dapat dihitung jika derajat ionisasinya (α) diketahui.
B. Kekuatan Basa
Kekuatan basa dipengaruhi oleh banyaknya ion – ion OH– yang dihasilkan oleh
senyawa basa dalam larutannya. Berdasarkan banyak sedikitnya ion OHyang
dihasilkan, larutan basa juga dibedakan menjadi dua macam sebagai berikut.
1. Basa Kuat
Basa kuat yaitu senyawa basa yang dalam larutannya terion seluruhnya menjadi
ion-ionnya. Reaksi ionisasi basa kuat merupakan reaksi berkesudahan. Secara
umum, ionisasi basa kuat dirumuskan sebagai berikut.
M(OH)x(aq) ⎯⎯→ Mx+(aq) + x
OH–(aq)
dengan: x = valensi basa
M =
konsentrasi basa
2. Basa Lemah
Basa lemah yaitu senyawa basa yang dalam larutannya hanya sedikit terionisasi
menjadi ion-ionnya. Reaksi ionisasi basa lemah juga merupakan reaksi
kesetimbangan.
Secara umum, ionisasi basa lemah valensi satu dapat dirumuskan sebagai berikut.
M(OH)(aq) ←⎯⎯⎯⎯→ M+(aq) + OH–(aq)
Kb = [M+ ][OH ]
[M(OH)]–
Makin kuat basa maka
reaksi kesetimbangan basa makin condong ke kanan, akibatnya Kb bertambah besar.
Oleh karena itu, harga Kb merupakan ukuran kekuatan basa, makin besar Kb makin
kuat basa.
Berdasarkan persamaan di
atas, karena pada basa lemah [M+] = [OH–], maka persamaan di atas dapat diubah
menjadi:
Kb =[OH−]2
[M(OH)]
[OH–]2 = Kb · [M(OH)]
dengan Kb= tetapan
ionisasi basa
Konsentrasi ion OH– basa lemah juga dapat dihitung jika derajat ionisasinya (α)
diketahui.
Teori Asam Basa Bronsted-Lowry
Fakta menunjukkan,
banyak reaksi asam basa yang tidak melalui pembentukan ion H+ atau OH–,
misalnya reaksi antara HCl(g) dan NH3(g). Persamaannya :
HCl(g) + NH3(g) → NH4Cl(s)
Menurut Arrhenius, reaksi HCl dan NH3 dalam fasa gas tidak
dapat dikategorikan sebagai reaksi asam basa karena tidak membentuk ion H+ dan OH–,
padahal kedua senyawa itu adalah asam dan basa. Akibat keterbatasan teori
Arrhenius, pada 1923, Johanes Bronsted dan Thomas Lowry mengemukakan teori asam
basa berdasarkan transfer proton (ion H+).
Menurut Bronsted-Lowry, dalam reaksi yang melibatkan transfer proton, asam
adalah spesi yang bertindak sebagai donor proton, sedangkan basa adalah spesi
yang bertindak sebagai akseptor proton. Proton (ion H+) dalam
air tidak berdiri sendiri melainkan terikat pada molekul air karena atom O pada
molekul H2O memiliki pasangan elektron bebas yang dapat
digunakan untuk berikatan kovalen koordinasi dengan proton membentuk ion
hidronium, H3O+. Persamaan reaksinya :
H2O(l) + H+(aq) → H3O+(aq)
Teori asam-basa Bronsted-Lowry dapat diterapkan terhadap reaksi HCl dan NH3.
Dalam fasa gas, HCl dan NH3 tidak terionisasi karena
keduanya molekul kovalen yang tergolong reaksi asam basa.
HCl(g)
|
+
|
NH3(g)
|
→
|
NH4Cl(s)
|
Asam
|
|
Basa
|
|
Garam
|
Pada reaksi tersebut, molekul HCl bertindak sebagai donor proton (asam), dan
molekul NH3 bertindak sebagai akseptor proton (basa).
Menurut Bronsted-Lowry, reaksi asam basa yang melibatkan transfer proton
membentuk keadaan kesetimbangan. Contoh reaksi antara NH3 dan H2O ,
arah panah menunjukkan bahwa proton menerima pasangan elektron bebas dari NH3 ,
dan ikatan N–H terbentuk. persamaan reaksinya sebagai berikut.
NH3(aq) + H2O(l) ↔ NH4+(aq)
+ OH–(aq)
Reaksi ke kanan, NH3 menerima proton dari H2O.
Jadi, NH3 adalah basa dan H2O adalah
asam. Pada reaksi kebalikannya, NH4+ donor
proton terhadap OH–. Oleh sebab itu, ion NH4+ adalah
asam dan ion OH– adalah basa. Spesi NH3 dan NH4+ berbeda
dalam hal jumlah protonnya. NH3 menjadi ion NH4+ melalui
pengikatan proton, sedangkan ion NH4+ menjadi NH3 melalui
pelepasan proton. Spesi NH4+ dan NH3 seperti
ini dinamakan pasangan konjugat asam basa.
Pasangan konjugat asam basa terdiri atas dua spesi yang terlibat dalam reaksi
asam basa, satu asam dan satu basa yang dibedakan oleh penerimaan dan pelepasan
proton. Asam pada pasangan itu dinamakan asam konjugat dari basa, sedangkan
basa adalah basa konjugat dari asam. Jadi, NH4+ adalah
asam konjugat dari NH3 dan NH3 adalah
basa konjugat dari NH4+.
Menurut Bronsted-Lowry,
kekuatan asam basa konjugat adalah kebalikannya. Jika suatu senyawa merupakan
asam kuat, basa konjugatnya adalah basa lemah. Kekuatan asam basa konjugat
dapat digunakan untuk meramalkan arah reaksi asam basa. Suatu reaksi asam basa
akan terjadi jika hasil reaksinya merupakan asam lebih lemah atau basa lebih
lemah. Dengan kata lain, reaksi akan terjadi ke arah pembentukan spesi yang
lebih lemah.
Tabel 3. Kekuatan Asam
dan Basa Konjugat
Asam
|
Basa Konjugat
|
Asam paling kuat
|
HClO4
|
ClO4–
|
Basa paling lemah
|
|
HI
|
I–
|
|
HBr
|
Br–
|
HCl
|
Cl–
|
H2SO4
|
HSO4–
|
HNO3
|
NO3–
|
H3O+
|
H2O
|
HSO4–
|
SO4–
|
H3PO4
|
H2PO4–
|
HF
|
F–
|
HNO2
|
NO2–
|
HCOOH
|
HCOO–
|
CH3COOH
|
CH3COO–
|
H2CO3
|
HCO3–
|
H2S
|
HS–
|
NH4+
|
NH3
|
HCN
|
CN–
|
HS–
|
S2–
|
H2O
|
OH–
|
Asam paling lemah
|
NH3
|
NH2–
|
Basa paling kuat
|
Sumber : General
Chemistry, 1990
|
Teori Asam Basa Lewis
Di tahun 1923 ketika Bronsted dan
Lowry mengusulkan teori asam-basanya, Lewis juga mengusulkan teori asam basa
baru juga. Lewis, yang juga mengusulkan teori oktet, memikirkan bahwa teori
asam basa sebagai masalah dasar yang harus diselesaikan berlandaskan teori
struktur atom, bukan berdasarkan hasil percobaan.
Teori asam basa Lewis
Asam: zat yang dapat menerima pasangan elektron.
Basa: zat yang dapat mendonorkan pasangan elektron.
|
Semua zat yang didefinisikan sebagai
asam dalam teori Arrhenius juga merupakan asam dalam kerangka teori Lewis
karena proton adalah akseptor pasangan elektron . Dalam reaksi netralisasi
proton membentuk ikatan koordinat dengan ion hidroksida.
H+ +
OH-
H2O (9.30)
Situasi ini sama dengan reaksi fasa
gas yang pertama diterima sebagai reaksi asam basa dalam kerangka teori
Bronsted dan Lowry.
HCl(g)
+ NH3(g)
NH4Cl(s) (9.31)
Dalam reaksi ini, proton dari HCl
membentuk ikatan koordinat dengan pasangan elektron bebas atom nitrogen.
Keuntungan utama teori asam basa
Lewis terletak pada fakta bahwa beberapa reaksi yang tidak dianggap sebagai
reaksi asam basa dalam kerangka teori Arrhenius dan Bronsted Lowry terbukti
sebagai reaksi asam basa dalam teori Lewis. Sebagai contoh reakasi antara boron
trifluorida BF3 dan ion fluorida F-.
BF3 +
F-–> BF4- … (9.32)
Reaksi ini melibatkan koordinasi
boron trifluorida pada pasangan elektron bebas ion fluorida. Menurut teori asam
basa Lewis, BF3 adalah asam. Untuk membedakan asam semacam BF3 dari
asam protik (yang melepas proton, dengan kata lain, asam dalam kerangka teori
Arrhenius dan Bronsted Lowry), asam ini disebut dengan asam Lewis. Boron
membentuk senyawa yang tidak memenuhi aturan oktet, dan dengan demikian adalah
contoh khas unsur yang membentuk asam Lewis.
Karena semua basa Bonsted Lowry
mendonasikan pasangan elektronnya pada proton, basa ini juga merupakan basa
Lewis. Namun, tidak semua asam Lewis adalah asam Bronsted Lowry sebagaimana
dinyatakan dalam contoh di atas.
Dari ketiga definisi asam basa di
atas, definisi Arrhenius yang paling terbatas. Teori Lewis meliputi asam basa
yang paling luas. Sepanjang yang dibahas adalah reaksi di larutan dalam air,
teori Bronsted Lowry paling mudah digunakan, tetapi teori Lewis lah yang paling
tepat bila reaksi asam basa melibatkan senyawa tanpa proton.
HCl
|
+
|
H2O
|
–>
|
Cl-
|
+
|
H3O+
|
asam1
|
|
basa2
|
|
basa
konjugat 1
|
|
asam
konjugat 2
|
Pertanyaan :
perhatikan
sifat amphiprotik dari CH3COOH berikut ini.
CH3COOH + H2O ↔ CH3COO- + H3O+
Asam-1 Basa-2
Basa-1 Asam-2
CH3COOH + HCl ↔ CH3COOH2+ + Cl-
Basa-1 Asam-2
Asam-1 Basa-2
Pada
reaksi pertama CH3COOH bertindak sebagai asam, yang mendonorkan
proton kepada H2O, sedangkan pada reaksi kedua CH3COOH bertindak
sebagai basa yang menerima proton dari
HCl. Jelaskan mengapa demikian ?
Jawaban
:
Untuk reaksi
yang pertama dijelaskan menggunakan teori Arrhenius,
Menurut
Arrhenius, CH3COOH dalam air merupakan asam lemah. Sekalipun
lemah, dinyatakan bahwa dalam larutan terdapat ion-ion H+. Nah B-L tidak
mertentangan dengan Arrhenius. CH3COOH adalah proton
donor.
Untuk reaksi
yang kedua dijelaskan enggunakn teori Bronsted Lowry,
Pertama perhatikan sifat
kedua reaktan berdasarkan teori Arrhenius. CH3COOH dalam air
bersifat asam lemah, sedang HCl dalam air merupakan asam kuat. Berarti sifat
asam kedua spesi itu berbeda. Ketika keduanya dicampur, maka Bronsted Lowry menjelaskan bahwa asam yang lebih kuat tetap sebagai proton
donor, sedang asam yang lebih lemah, berubah sifatnya menjadi basa, dan
menerima proton (proton akseptor).
Bagaimana
dengan kekuatan asam pada reaksi berikut:
CH3COOH
+ H2O ↔ CH3COO- + H3O+
Asam-1
Basa-2 Basa-1 Asam-2
Menerut
Arrhenius CH3COOH dalam air bersifat asam lemah, sehingga hanya
terionisasi sebanyak 1%. Ion-ion yang terbentuk masing-masing 1%. Sisa CH3COOH
adalah 99%. Bronsted Lowry tidak menyimpang dari Arrhenius. Asam-1 adalah asam
lemah, terionisasi 1% dan sisanya 99%. Karena Asam-1 hanya mendonorkan
protonnya sebayak 1% kepada H2O, maka H2O juga tergolong
basa lemah karena proton akseptornya hanya 1%. Berarti H2O yang
berubah menjadi H3O+ hanya
1%, sehingga sisanya juga masih 99%. Jadi CH3COOH dan H2O
adalah asam ban basa lemah, sedang CH3COO- dan H3O+ adalah basa konyugasi dan asam
konjugasi yang kuat.
Bagaimana dengan pasangan asam basa konyugasinya? Jika asam-1
lemah, maka basa-1 kuat. Demikian pula dengan basa-2 lemah, sehingga asam-2
kuat. Dinyatakan oleh Bronsted Lowry bahwa terjadi penyamarataan sifat
keasaman.