kimia lingkungan - cdn-edunex.itb.ac.id

KIMIA LINGKUNGAN

Kesetimbangan Asam-Basa

PROGRAM STUDI TEKNIK LINGKUNGANFAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

Umum

• Kesetimbangan kimia di dalam air menjadi penting untukmengetahui perubahan secara kuantitatif dari berbagai spesikimia yang terdapat di dalam perairan.

• Untuk mengetahui efek dari perubahan berbagai spesi kimia didalam air.

• Pengetahuan tentang kesetimbangan kimia membantu dalammemahami dampak dari masuknya pollutan ke dalam lingkunganair.

• Contohnya : ????????

Keterbatasan Perhitungan Kesetimbangan

• Kesetimbangan spesi kimia di perairan umum bersifatdinamis akibat berbagai faktor yang mempengaruhinya,sehingga perhitungan kesetimbangannya tidak akurat,hanya menunjukkan kecenderungan arah berjalannya reaksi,atau arah perubahan yang dituju oleh spesi kimia alami didalam air.

• Kecepatan reaksi kimia dalam air dapat terjadi sengat cepat(orde detik) atau sangat lambat, sehingga kesetimbanganakan terjadi pada orde yang lama, sehingga perhitungankesetimbangan bukan merupakan kesetimbangan yangsebenarnya, karena tidak menunjukkan kecepatan perubahanspesi kimia.

Aktifitas Ion

• Batasan lainnya adalah kurangnya data konstanta kesetimbangan yang akurat untuk reaksi-reaksi kimia yang terjadi di air alamiah.

• Parameter koeffisien aktifitas (γ) menjadi penting dalam kesetimbangan untuk spesi kimia yang terionisasi.

• Aktifitas ion untuk spesi kimia A adalah:

{A} = y [A] .

• Koefisien aktifitas (γ) tergantung kepada konsentrasi ion-ion dalam air

• Konsep Ion strength (µ) digunakan untuk menghitung secara empiris interaksi antar ion di dalam air.

Aktifitas Ion • Ion strength (µ) adalah :

µ = ½ Σ Ci Zi2

• Hubungan antara koefisien aktifitas dengan

kekuatan ion adalah :

• Pada perhitungan praktis diasumsikan

koefisien aktifitas = 1

Penyelesaian Problem Kesetimbangan

Ada dua pendekatan:

1. Menggunakan Persamaan reaksi

kimia.

2. Kurva konsentrasi logaritmik.

Langkah-langkah Pendekatan Reaksi Kimia 1. Tuliskan reaksi kimia yang terjadi

2. Identifikasi spesi kimia yang akan terlibat

3. Identifikasi spesi kimia setelah proses kesetimbangan terjadi

4. Identifikasi kondisi (konsentrasi) awal masing-masing spesikimia

5. Persamaan kesetimbangan yang harus diketahui

6. Identifikasi kesetimbangan massa

7. Identifikasi kesetimbangan muatan ion

8. Hitung konsentrasi masing-masing spesi kimia setelahkesetimbangan tercapai

Contoh Soal • Sebanyak volume asam asetat pekat yang ekivalen dengan

0,2 mol dimasukkan ke dalam 1 liter air pada suhu 250C.

Berapa konsentrasi masing-masing spesi kimia pada saat kesetimbangan tercapai?

• Penyelesaian :

1. Reaksi kimia : CH3COOH ↔ CH3COO- + H+

2. Spesi kimia yang terlibat :

CH3COOH, H2O, H+, OH-

3. Spesi kimia setelah proses kesetimbangan

CH3COOH, CH3COO- H2O, H+, OH-

Lanjutan -1

4. Kondisi awal

HAc = 10-2 mol

H+, OH- = 10-7 mol

H2O = 1 liter

5. Persamaan kesetimbangan yang terlibat

[H+] [OH-] = Kw = 10-14 -------- 1)

[H+] [Ac-] / [ HAc] = KA = 1.8 x 10-5 ---- 2)

6. Kesetimbangan massa

[HAc] + [ Ac-] = CT

7. Muatan ion

[H+] = [OH-] + [ Ac-]

8. Penyelesaian persamaan

[H+] [OH-] = Kw = 10-14

[H+] = [OH-] + [ Ac-]

digabung menjadi

[Ac-] = [H+] - Kw / [H+] ------------1

[H+][Ac-]/[ HAc] =KA= 1.8x10-5 digabung dg

[HAc] + [ Ac-] = CT menjadi

[H+] [Ac-] = KA ( CT – [Ac-]) ---------2

Persamaan 1 dan 2 digabung dengan menghilangkan [Ac] menghasilkan

[H+]3 + KA[H+]2 – (KACT + Kw)[H+] – KAKw = 0

Lanjutan -2

• Berdasarkan rumus tersebut maka dapat diperoleh nilai [H+] , kemudian nilai [OH-] dan nilai [Ac-] kemudian [HAc].

Hasil perhitungan :

• [H+] = 4.15 x 10-4 mol

• [OH-] = 2.41 x 10-11 mol

• [HAc] = 9.59 x 10 -3 mol

• [Ac-] = 4.15. x10-4 mol

Kalau asamnya berbentuk poliprotik (Ka lebih dari satu) maka penyelesaiannya lebih rumit.

Lanjutan -3

Solusi Sederhana untuk Asam Poliprotik H3A

1. Tulis persamaan reaksi

H3A ↔ H2A- + H+ KA1 = [H2A-][H+] / [H3A] (1)

H2A- ↔ HA-2 + H+ KA2 = [HA-2][H+] / [H2A-] (2)

HA-2 ↔ A-3 + H+ KA3 = [A-3][H+] / [HA-2] (3)

Spesi kimia total CT adalah :

CT = [H3A]+[H2A-]+ [HA-2]+ [A-3]

• α0 = [H3A]/ CT

• α1 = [H2A-]/ CT

• α2 = [HA-2]/ CT

• α3 = [A-3]/ CT

Dari rumus 1, 2, dan 3 diturunkan menjadi :

[H2A-]= KA1[H3A]/ [H+1]

[HA-2]= KA2 [H2A-1]/ [H+] = KA2 KA1[H3A]/ [H+1]2

[A-3] = KA3[HA-2]/[H+] = KA3 KA2 KA1[H3A]/ [H+1]3

CT = [H3A] + [H2A-]+ [HA-2]+ [A-3]

CT = [H3A]+ KA1[H3A]/[H+1] + KA2 KA1[H3A]/[H+1]2 + KA3 KA2

KA1[H3A]/ [H+1]3

CT = [H3A] (1 + KA1/[H+1] + KA2 KA1/[H+1]2 + KA3 KA2 KA1/ [H+1]3)

Lanjutan -1

UNTUK menghitung α3atau [A-3] dapat dilihat didalam Sawyer hal 126 (atau rumus 4.2.4)

Lanjutan -2

• Rumus tersebut dapat digunakan untuk menghitung spesi kimia H3PO4 atau sistem karbonat dalam air atau asam poliprotik lainnya

• Tugas :

Hitung spesi-spesi kimia dari H3PO4, jika dimasukkan ke dalam air dengan pH 5, 7 dan 9 .

Jika konsentrasi CT di dalam air = 100 mg/l, dan konstanta asam masing-masing adalah :

KA1 = 7,5 x 10-3

KA2 = 6,2 x 10-8

KA3 = 4,8 x 10-13

Menghitung Spesi Kimia dalam Kesetimbangan Menggunakan Diagram Log Konsentrasi

Diagram Log Konsentrasi

• Salah satu cara untuk menghitung / prediksi konsentrasi spesi kimia dalam kesetimbangan asam-basa.

• Kurva terdiri dari pH sebagai absis dan log konsentrasi spesi kimia sebagi ordinat

• Kurva log konsentrasi menggambarkan kesetimbangan massa masing-masing spesi kimia pada berbagai pH air

• Contoh kurva log konsnetrasi HAc = 0.02 M

Diagram Konsentrasi Logaritmik

• Diagram konsentrasi logaritmis untuk asam asetat 0,02M

Penjelasan kurva log kons. HAc

[H+] [OH-] = Kw = 10-14 =

pH = -log[H+], pOH = pKw-pH

[HAc] = α0 CT = CT [H+] / KA+[H+]

[ Ac-] = α1CT = CT KA / KA+[H+]

System point (SP) adalah titik pertemuan dua garis konsentrasi [HAc] dan [ Ac-] , yang terletak pada : pH = pKA

sebelah kiri (SP) ---→ [H+] > KA

log [HAc] ≈ Log CT ,

log [ Ac-] ≈ log CT - pKA+pH

sebelah kanan (SP) ---→ [H+] < KA

log [ HAc] ≈ log CT + pKA-pH

log [ Ac-] ≈ log CT - pKA+pH

[HAc] + [ Ac-] = CT

Sebelah bawah SP [ HAc] =[ Ac-] = ½ CT

Log ½ CT = log CT + log 0,5 = Log CT - 0.3

Lanjutan -1

Cara Menyusun Kurva Log Konsentrasi

1. Buat kurva absis = pH dan ordinat sebagai log C

2. Gambarkan garis horizontal sesuai dengan konsentrasinya

3. Tentukan system point(SP) pada pH = pKa

4. Buat garis slop dari kiri dan kana yang melalui titik SP dengan sudut 45.

5. Tentukan titik di bawah SP dengan nilai -log 0.5 Hubungkan kedua garis slop tersebut dengan titik –log 0.5

6. Buat garis [H+] dan [OH-] , dengan cara menarik garis slope dengan sudut 45 pada titik pH =7 dan Log C = -7.

7. Masing-masing garis diberi nama spesi kimia yang terlibat dalam kesetimbangan tersebut.

Contoh Diagram -1• Diagram konsentrasi logaritmik untuk larutan ammonia 0,01M

• Diagram konsentrasi logaritmik untuk suatu campuran 0,1M asam asetat dan0,1M ammonia

Contoh Diagram -2

• Diagram konsentrasi logaritmik untuk 0,01M asam karbonat

Contoh Diagram -3

Penjelasan kurva karbonat Persamaan reaksi yang terjadi

CO2 + H2O ↔ H2CO3

H2CO3 ↔ H+ + HCO3-

HCO3- ↔ H+ + CO3

=

H2CO3* = [H2CO3] + [CO2]

Konstanta masing-masing

• Fraksi masing-masing spesi kimia

• Garis slope CO3= berubah dari +1 menjadi +2 ketika pH <

pKA1, demikian juga garis H2CO3* berubah dari -1 menjadi -2

ketika pH > pKA2

Titrasi Asam-Basadan Sistem Buffer

Umum• Titrasi adalah proses pengukuran volume pereaksi yang

ditambahkan ke dalam larutan untuk mencapai reaksi kimia tertentu.

Dalam titrasi yang di ukur volume larutan dengan konsentrasi tertentu

mek = ml x N, mol = ml x M

• Kurva titrasi adalah kurva yang menggambarkan perubahan pH larutan akibat penambahan pereaksi kimia (pentiter).

• Proses titrasi banyak digunakan dalam bidang teknik lingkungan :

menaikkan / menurunkan pH air dalam pengolahan air.

Penambahan Asam atau Basa ke Larutan -1• Kurva titrasi untuk basa dan asam kuat

Kurva Asam Kuat dan Basa Kuat • Asam kuat dan basa kuat terionisasi sempurna

Contoh:

500 ml HCl 0.01 M dititrasi 0,5 M NaOH

Penyelesaian :

HCl + NaOH -----→ Na+ + Cl- + H2O

Kesetimbangan muatan

[Na+] + [H+] = [OH-] + [ Cl-]

𝑉𝐶

𝑉𝑜+ 𝑉 + [H+] = [OH-] +

𝑉𝑜 𝐶𝑜

𝑉𝑜+ 𝑉

𝑉𝑜 𝐶𝑜

𝑉𝑜+ 𝑉 ( 𝑉𝐶

𝑉𝑜+ 𝑉 - 1) = [OH-] + [ H+]

𝑉𝑜 𝐶𝑜

𝑉𝑜+ 𝑉 (f - 1) =

𝐾𝑤

[ H+] - [ H+]

Keterangan :

f = fraksi ekivalen

pada titik ekivalen ----→ f = 1

Vo = Volume HCl

Co = Konsentrasi HCl

V = Volume NaOH

C = Konsentrasi NaOH

• Kurva titrasi untuk asam lemah

Penambahan Asam atau Basa ke Larutan -2

Sistem Buffer -1

Sistem Buffer -2

Sistem Buffer -3

Sistem Buffer -4

Sistem Buffer -5

Sistem Buffer -6

Sistem Buffer -7

Sistem Buffer -8

Sistem Buffer -9

Terima kasih