asam dan basa

Ion

Ion adalah atom atau sekumpulan atom yang bermuatan listrik. Ion bermuatan negatif, yang menangkap satu atau lebih elektron, disebut anion, karena dia tertarik menuju anoda. Ion bermuatan positif, yang kehilangan satu atau lebih elektron, disebut kation, karena tertarik ke katoda. Proses pembentukan ion disebut ionisasi. Atom atau kelompok atom yang terionisasi ditandai dengan tikatas ⁿ⁺ atau ^n-, di mana n adalah jumlah elektron yang hilang atau diperoleh.

Ion pertama kali disajikan dalam bentuk teori oleh Michael Faraday pada sekitar tahun 1830, untuk menggambarkan mengenai bagian melekul yang bergerak ke arah anoda atau katoda dalam suatu tabung hampa udara (vacuum tube, CRT). Namun, mekanisme peristiwa ini baru dideskripsikan pada 1884 oleh Svante August Arrhenius dalam disertasi doktornya di University of Uppsala. Pada mulanya, teori ini tidak diterima (ia memperoleh gelarnya dengan nilai minimum), tetapi kemudian disertasinya memenangi Hadiah Nobel Kimia pada tahun 1903

Ionisasi

Larutan ion adalah larutan yang mengandung ion yang dapat bergerak bebas sehingga bisa menghantarkan arus listrik. Ionisasi adalah proses fisik mengubah atom atau molekul menjadi ion dengan menambahkan atau mengurangi partikel bermuatan seperti elektron atau lainnya. Proses ionisasi ke muatan positif atau negatif sedikit berbeda. Ion bermuatan positif didapat ketika elektron yang terikat pada atom atau molekul menyerap energi cukup agar dapat lepas dari potensial listrik yang mengikatnya. Energi yang dibutuhkan tersebut disebut potensial ionisasi. Ion bermuatan negatif didapat ketika elektron bebas bertabrakan dengan atom dan terperangkap dalam kulit atom dengan potensial listrik tertentu. Ionisasi terdiri dari dua tipe: Ionisasi sekuensial dan ionisasi non-sekuensial. Pada fisika klasik, hanya ionisasi sekuensial yang dapat terjadi sehingga disebut ionisasi klasik. Ionisasi non-sekuensial melawan beberapa hukum fisika klasik dan akan dijelaskan di bagian ionisasi kuantum

. TEORI ASAM BASA

Teori asam basa Arrhenius:

• Asam adalah zat yang menghasilkan ion hidrogen dalam larutan.
• Basa adalah zat yang menghasilkan ion hidroksida dalam larutan.

Penetralan terjadi karena ion hidrogen dan ion hidroksida bereaksi untuk menghasilkan air.

Pembatasan teori

Asam hidroklorida (asam klorida) dinetralkan oleh kedua larutan natrium hidroksida dan larutan amonia. Pada kedua kasus tersebut, kita akan memperoleh larutan tak berwarna yang dapat kamu kristalisasi untuk mendapatkan garam berwarna putih – baik itu natrium klorida maupun amonium klorida. Keduanya jelas merupakan reaksi yang sangat mirip. Pada kasus natrium hidroksida, ion hidrogen dari asam bereaksi dengan ion hidroksida dari natrium hidroksida – sejalan dengan teori Arrhenius.

Akan tetapi, pada kasus amonia, tidak muncul ion hidroksida sedikit pun. Kita  bisa memahami hal ini dengan mengatakan bahwa amonia bereaksi dengan air yang melarutkan amonia tersebut untuk menghasilkan ion amonium dan ion hidroksida. Reaksi ini merupakan reaksi reversibel, dan pada larutan amonia encer yang khas, sekitar 99% sisa amonia ada dalam bentuk molekul amonia. Meskipun demikian, pada reaksi tersebut terdapat ion hidroksida, dan kita dapat menyelipkan ion hidroksida ini ke dalam teori Arrhenius.

Akan tetapi, reaksi yang sama juga terjadi antara gas amonia dan gas hidrogen klorida. Pada kasus ini, tidak terdapat ion hidrogen atau ion hidroksida dalam larutan – karena bukan merupakan suatu larutan. Teori Arrhenius tidak menghitung reaksi ini sebagai reaksi asam-basa, meskipun pada faktanya reaksi tersebut menghasilkan produk yang sama seperti ketika dua zat tersebut berada dalam larutan.

Teori asam dan basa Bronsted-Lowry:

• Asam adalah donor proton (ion hidrogen).
• Basa adalah akseptor proton (ion hidrogen).

Hubungan antara teori Bronsted-Lowry dan teori Arrhenius

Teori Bronsted-Lowry tidak berlawanan dengan teori Arrhenius – Teori Bronsted-Lowry merupakan perluasan teori Arrhenius. Ion hidroksida tetap berlaku sebagai basa karena ion hidroksida menerima ion hidrogen dari asam dan membentuk air. Asam menghasilkan ion hidrogen dalam larutan karena asam bereaksi dengan molekul air melalui pemberian sebuah proton pada molekul air. Ketika gas hidrogen klorida dilarutkan dalam air untuk menghasilkan asam hidroklorida, molekul hidrogen klorida memberikan sebuah proton (sebuah ion hidrogen) ke molekul air. Ikatan koordinasi (kovalen dativ) terbentuk antara satu pasangan mandiri pada oksigen dan hidrogen dari HCl. Menghasilkan ion hidroksonium, H₃O⁺.

Ketika asam yang terdapat dalam larutan bereaksi dengan basa, yang berfungsi sebagai asam sebenarnya adalah ion hidroksonium. Sebagai contoh, proton ditransferkan dari ion hidroksonium ke ion hidroksida untuk mendapatkan air. Tampilan elektron terluar, tetapi mengabaikan elektron pada bagian yang lebih dalam. Adalah sesuatu hal yang penting untuk mengatakan bahwa meskipun anda berbicara tentang ion hidrogen dalam suatu larutan, H⁺_(aq), sebenarnya anda sedang membicarakan ion hidroksonium.

Pasangan konjugasi

Ketika hidrogen klorida dilarutkan dalam air, hampir 100% hidrogen klorida bereaksi dengan air menghasilkan ion hidroksonium dan ion klorida. Hidrogen klorida adalah asam kuat, dan kita cenderung menuliskannya dalam reaksi satu arah. Pada faktanya, reaksi antara HCl dan air adalah reversibel, tetapi hanya sampai pada tingkatan yang sangat kecil. Supaya menjadi bentuk yang lebih umum, asam dituliskan dengan HA, dan reaksi berlangsung reversibel.

Perhatikan reaksi ke arah depan:

• HA adalah asam karena HA mendonasikan sebuah proton (ion hidrogen) ke air.
• Air adalah basa karena air menerima sebuah proton dari HA.

Akan tetapi ada juga reaksi kebalikan antara ion hidroksonium dan ion A^-:

• H₃O⁺ adalah asam karena H₃O⁺ mendonasikan sebuah proton (ion hidrogen) ke ion A^-.
• Ion A^- adalah basa karena A^- menerima sebuah proton dari H₃O⁺.

Reaksi reversibel mengandung dua asam dan dua basa. Kita dapat menganggapnya berpasangan, yang disebut pasangan konjugasi. Jika anda berfikir mengenai HA sebagai asam, maka A^- adalah sebagai basa konjugasinya. Jika anda memperlakukan A^- sebagai basa, maka HA adalah sebagai asam konjugasinya. Air dan ion hidroksonium juga merupakan pasangan konjugasi. Memperlakukan air sebagai basa, ion hidroksonium adalah asam konjugasinya karena ion hidroksonium memiliki kelebihan ion hidrogen yang dapat diberikan lagi. Memperlakukan ion hidroksonium sebagai asam, maka air adalah sebagai basa konjugasinya. Air dapat menerima kembali ion hidrogen untuk membentuk kembali ion hidroksonium.

Zat amfoter

Anda mungkin memperhatikan (atau bahkan mungkin juga tidak memperhatikan!) bahwa salah satu dari dua contoh di atas, air berperilaku sebagai basa, tetapi di lain pihak air berperilaku sebagai asam. Suatu zat yang dapat berperilaku baik sebagai asam atau sebagai basa digambarkan sebagai amfoter.

Teori asam dan basa Lewis

Teori ini memperluas pemahaman anda mengenai asam dan basa.

Teori

• Asam adalah akseptor pasangan elektron.
• Basa adalah donor pasangan elektron.

Hubungan antara teori Lewis dan teori Bronsted-Lowry

Basa Lewis

Hal yang paling mudah untuk melihat hubungan tersebut adalah dengan meninjau dengan tepat mengenai basa Bronsted-Lowry ketika basa Bronsted-Lowry menerima ion hidrogen. Tiga basa Bronsted-Lowry dapat kita lihat pada ion hidroksida, amonia dan air, dan ketianya bersifat khas. Teori Bronsted-Lowry mengatakan bahwa ketiganya berperilaku sebagai basa karena ketiganya bergabung dengan ion hidrogen. Alasan ketiganya bergabung dengan ion hidrigen adalah karena ketiganya memiliki pasangan elektron mandiri – seperti yang dikatakan oleh Teori Lewis. Keduanya konsisten.

Tetapi bagaimana dengan reaksi yang sama mengenai amonia dan air, sebagai contohnya? Pada teori Lewis, tiap reaksi yang menggunakan amonia dan air menggunakan pasangan elektron mandiri-nya untuk membentuk ikatan koordinasi yang akan terhitung selama keduanya berperilaku sebagai basa. Berikut ini reaksi yang akan anda temukan pada halaman yang berhubungan dengan ikatan koordinasi. Amonia bereaksi dengan BF₃ melalui penggunaan pasangan elektron mandiri yang dimilikinya untuk membentuk ikatan koordinasi dengan orbital kosong pada boron. Sepanjang menyangkut amonia, amonia menjadi sama persis seperti ketika amonia bereaksi dengan sebuah ion hidrogen – amonia menggunakan pasangan elektron mandiri-nya untuk membentuk ikatan koordinasi. Jika anda memperlakukannya sebagai basa pada suatu kasus, hal ini akan berlaku juga pada kasus yang lain.

Asam Lewis

Asam Lewis adalah akseptor pasangan elektron. Pada contoh sebelumnya, BF₃ berperilaku sebagai asam Lewis melalui penerimaan pasangan elektron mandiri milik nitrogen. Pada teori Bronsted-Lowry, BF₃ tidak sedikitpun disinggung menganai keasamannya. Inilah tambahan mengenai istilah asam dari pengertian yang sudah biasa digunakan. Bagaimana dengan reaksi asam basa yang lebih pasti – seperti, sebagai contoh, reaksi antara amonia dan gas hidrogen klorida?

Pastinya adalah penerimaan pasangan elektron mandiri pada nitrogen. Buku teks sering kali menuliskan hal ini seperti jika amonia mendonasikan pasangan elektron mandiri yang dimilikinya pada ion hidrogen – proton sederhana dengan tidak adanya elektron disekelilingnya. Ini adalah sesuatu hal yang menyesatkan! anda tidak selalu memperoleh ion hidrogen yang bebas pada sistem kimia. Ion hidogen sangat reaktif dan selalu tertarik pada yang lain. Tidak terdapat ion hidrogen yang tidak bergabung dalam HCl. Tidak terdapat orbital kosong pada HCl yang dapat menerima pasangan elektron. Mengapa, kemudian, HCl adalah suatu asam Lewis? Klor lebih elektronegatif dibandingkan dengan hidrogen, dan hal ini berarti bahwa hidrogen klorida akan menjadi molekul polar. Elektron pada ikatan hidrogen-klor akan tertarik ke sisi klor, menghasilkan hidrogen yang bersifat sedikit positif dan klor sedikit negatif.

Pasangan elektron mandiri pada nitrogen yang terdapat pada molekul amonia tertarik ke arah atom hidrogen yang sedikit positif pada HCl. Setelah pasangan elektron mandiri milik nitrogen mendekat pada atom hidrogen, elektron pada ikatan hidrogen-klor tetap akan menolak ke arah klor. Akhirnya, ikatan koordinasi terbentuk antara nitrogen dan hidrogen, dan klor terputus keluar sebagai ion klorida. Hal ini sangat baik ditunjukkan dengan notasi “panah melengkung” seperti yang sering digunakan dalam mekanisme reaksi organik.

Asam Kuat dan Asam Lemah

Bagian ini menjelaskan istilah kuat dan lemah yang digunakan pada asam. Sebagai bagian dari penjelasan, bagian ini juga memberikan definisi dan menerangkan apa yang dimaksud dengan pH, K_a dan pK_a. Adalah penting bahwa kita jangan keliru memahami kata kuat dan lemah dengan istilah pekat dan encer. Seperti yang akan kita lihat di bawah ini, kekuatan asam berhubungan dengan perbandingan asam yang dapat bereaksi dengan air untuk menghasilkan ion. Konsentrasi menjelaskan kepada anda mengenai seberapa banyak jumlah asam semula yang terlarut dalam air. Adalah suatu kemungkinan yang sangat sempurna untuk memiliki larutan pekat dari asam lemah, atau larutan encer dari asam kuat.

Asam kuat

Ketika asam dilarutkan dalam air, sebuah proton (ion hidrogen) ditransferkan ke molekul air untuk menghasilkan ion hidroksonium dan sebuah ion negatif tergantung pada asam yang anda pakai. Pada kasus yang umum Reaksi tersebut reversibel, tetapi pada beberapa kasus, asam sangat baik pada saat memberikan ion hidrogen yang dapat kita fikirkan bahwa reaksi berjalan satu arah. Asam 100% terionisasi. Sebagai contoh, ketika hidrogen klorida dilarutkan dalam air untuk menghasilkan hidrogen klorida, sangat sedikit sekali terjadi reaksi kebalikan yang dapat kita tulis: Pada tiap saat, sebenarnya 100% hidrogen klorida akan bereaksi untuk menghasilkan ion hidroksonium dan ion klorida. Hidrogen klorida digambarkan sebagai asam kuat.

Asam kuat adalah asam yang terionisasi 100% dalam larutan.

Asam kuat lain yang biasa diperoleh adalah asam sulfat dan asam nitrat. Persamaan ini menunjukkan hidrogen klorida terlarut dalam air yang terpisah untuk memberikan ion hidrogen dalam larutan dan ion klorida dalam larutan. Versi ini sering digunakan dalam pekerjaan ini hanya untuk menjadikan sesuatu terlihat lebih mudah. Jika anda menggunakannya, harus diingat bahwa air memang benar-benar terlibat, dan ketika anda menuliskan H⁺_(aq) yang anda maksudkan sebenarnya adalah ion hidroksonium, H₃O⁺.

Asam kuat dan pH

pH adalah ukuran konsentrasi ion hidrogen dalam larutan. Asam kuat seperti asam hidroklorida pada konsentrasi seperti yang sering anda gunakan di lab memiliki pH berkisar antara 0 sampai 1. pH yang lebih rendah, konsentrasi ion hidrogen lebih tinggi dalam larutan.

Penentuan pH

Penentuan pH asam kuat.

Asam hidroklorida adalah asam kuat – terionisasi 100%. Tiap mol HCl bereaksi dengan air untuk menghasilkan 1 mol ion hidrogen dan 1 mol ion klorida. Hal ini berarti bahwa jika konsentrasi asam adalah 0.1 mol dm^-3, maka konsentrasi ion hidrogen juga 0.1 mol dm^-3. Gunakan kalkulator untuk mengubahnya ke dalam bentuk pH. Kalkulator menginginkan untuk menekan 0.1, dam kemudian tekan tombol “log”. Anda mungkin melakukannya dalam bentuk yang berbeda.

log₁₀ [0.1] = -1

Tetapi pH = – log₁₀ [0.1]

- (-1) = 1

pH asam adalah 1.

Asam lemah

Asam lemah adalah salah satu yang tidak terionisasi seluruhnya ketika asam lemah tersebut dilarutkan dalam air. Asam etanoat (asam asetat) adalah asam lemah yang khas. Asam etanoat bereaksi dengan air untuk menghasilkan ion hidroksonium dan ion etanoat, tetapi reaksi kebalikannya lebih baik dibandingkan dengan reaksi ke arah depan. Ion bereaksi dengan sangat mudah untuk membentuk kembali asam dan air. Pada setiap saat, hanya sekitar 1% molekul asam etanoat yang diubah ke dalam bentuk ion. Sisanya tetap sebagai molekul asam etanoat yang sederhana. Sebagaian besar asam organik adalah asam lemah. Hidrogen fluorida (dilarutkan dalam air untuk menghasilkan asam hidrofluorida) adalah asam anorganik lemah.

Tetapan disosiasi asam, K_a

Kita dapat memperoleh ukuran posisi kesetimbangan dengan menuliskan tetapan kesetimbangan untuk reaksi. Tetapan yang memiliki harga lebih rendah, kesetimbangan bergeser ke arah kiri. Disosiasi (ionisasi) asam adalah contoh reaksi homogen. Semuanya berada pada fasa yang sama – pada kasus ini, pada larutan dalam air. Karena itu anda dapat menuliskan ungkapan yang sederhana untuk tetapan kesetimbangan, K_c.

Dalam 1 dm³ larutan, terdapat sekitar 55 mol air.

Catatan: Berat 1 mol air adalah 18 g. 1 dm³ larutan mengandung kurang lebih 1000 g air. Dengan membagi angka 1000 dengan 18 diperoleh kurang lebih 55.

Jika kita memiliki asam lemah dengan konsentrasi sekitar 1 mol dm^-3, dan hanya sekitar 1% asam lemah tesebut bereaksi dengan air, jumlah mol air hanya turun sekitar 0.01. Dengan kata lain, jika asam adalah lemah maka konsentrasi air tetap. Pada kasus tersebut, tidak terdapat batasan yang luas dalam memasukan hubungan konsentrasi air ke dalam ungkapan tersebut jika hubungan konsentrasi air itu merupakan suatu variabel. Malahan, tetapan kesetimbangan yang baru didefinisikan tanpa menyertakannya. Tetapan kesetimbangan yang baru ini disebut dengan K_a.

Catatan: Istilah untuk konsentrasi air telah diabaikan. Apa yang terjadi adalah pernyataan pertama telah disusun untuk mnghasilkan K_c sebuah konstanta) yang menyatakan konsentrasi air (konstanta yang lain) pada bagian sebelah kiri. Hasil kali ionnya kemudian diberi nama K_a. Anda mungkin menemukan ungkapan K_a ditulis berbeda jika anda menuliskannya dari versi reaksi kesetimbangan yang disederhanakan:

Tabel menunjukkan beberapa harga K_a untuk beberapa asam yang sederhana:

Asam	Ka (mol dm-3)
asam hidrofluorida	5.6 x 10-4
asam metanoat	1.6 x 10-4
asam etanoat	1.7 x 10-5
hidrogen sulfida	8.9 x 10-8

Semuanya adalah asam lemah karena harga K_a sangat kecil. Asam-asam tersebut diurutkan seiring dengan penurunan kekuatan asam – harga K_a yang diperoleh lebih kecil seiring dengan menurunnya urutan pada tabel. Meskipun demikian, jika anda sangat tidak menyukai bilangannya, bilangan tersebut tidaklah nyata. Karena bilangan terdiri dari dua bagian, terlalu banyak untuk membicarakannya dengan cepat. Untuk menghindari hal ini, bilangan tersebut seringkali diubah ke dalam sesuatu yang baru, bentuk yang lebih mudah, disebut pK_a.

Pengantar untuk pK_a

pK_a memuat dengan tepat hubungan yang sama untuk K_a sebagaimana pH digunakan untuk menunjukkan konsentrasi ion hydrogen. Jika anda menggunakan kalkuator anda pada seluruh harga K_a pada tabel di atas dan mengubahnya menjadi harga pK_a anda akan memperoleh:

Asam	Ka (mol dm-3)	pKa
asam hidrofluorida	5.6 x 10-4	3.3
asam metanoat	1.6 x 10-4	3.8
asam etanoat	1.7 x 10-5	4.8
hidrogen sulfida	8.9 x 10-8	7.1

Dengan catatan bahwa asam yang lebih lemah, memiliki harga pK_a yang lebih besar. Sekarang sangat mudah untuk melihat bahwa kecenderungan mengarah pada asam yang lebih lemah seiring dengan menurunya posisi asam pada tabel.

Ingatlah:

• Harga pK_a lebih rendah, asam lebih kuat.
• Harga pK_a lebih tinggi, asam lebih lemah.

Tetapan Hasil Kali Ion Air, K_w

Bagian ini menjelaskan apa yang dimaksud dengan tetapan hasil kali ion air. Penjelasan tersebut meninjau pada sisi bagaimana tetapan ion bervariasi terhadap temperatur, dan bagaimana cara menentukan pH air murni pada temperatur yang berbeda.

K_w dan pK_w

Pentingnya kesetimbangan dalam air

Molekul air dapat berfungsi sebagai asam ataupun basa. Salah satu molekul air (berperilaku sebagai basa) dapat menerima ion hidrogen dari yang lainnya (berperilaku sebagai asam). Hal ini akan terjadi dimana saja pada air – air menjadi tidak murni. Terbentuk ion hidroksonium dan ion hidroksida. Akan tetapi, ion hidroksonium merupakan asam yang sangat kuat, dan ion hidroksida adalah basa yang sangat kuat. Secepat mereka terbentuk, secepat itu pula mereka bereaksi untuk menghasilkan air kembali. Akibat yang menguntungkan adalah dapat disusun suatu bentuk kesetimbangan. Setiap saat, terdapat sejumlah kecil ion hidroksonium dan ion hidroksida yang luar biasa. Pada bagian bawah halaman ini selanjutnya, kita dapat menghitung konsentrasi ion hidroksonium yang ada dalam air murni. Hasil perhitungan menghasilkan konsentrasi 1.00 x 10^-7 mol dm^-3 pada temperatur kamar.

Harga K_w

Seperti halnya tetapan kesetimbangan yang lainnya, harga K_w ervariasi menurut temperatur. Harga K_w selalu 1.00 x 10^-14 mol² dm^-6 pada temperatur ruangan. Pada faktanya, harga Kw ini sedikit lebih kecil dibandingkan pada 25°C.

Satuan K_w: K_w ditemukan melalui pengkalian dua konsentrasi secara bersamaan. Keduanya memiliki satuan mol dm^-3. Perkalian mol dm^-3 x mol dm^-3 memberikan anda suatu satuan seperti yang dituliskan di atas.

pK_w

Hubungan antara K_w dan pK_w sama persis seperti hubungan antara K_a dan pK_a, atau [H⁺] dan pH.

Harga K_w 1.00 x 10^-14 mol² dm^-6 pada temperatur ruangan memberikan harga pK_w 14. Cobalah penghitungan tersebut dalam kalkulator anda! Dengan catatan pK_w tidak memiliki satuan.

Hidrolisis

Hidrolisis adalah terurainya garam dalam air yang menghasilkan asam atau basa.
Ada empat jenis garam, yaitu :

1.	Garam yang terbentuk dari reaksi asam kuat dengan basa kuat (misalnya NaCl, K2SO4 dan lain-lain) tidak mengalami hidrolisis. Untuk jenis garam yang demikian nilai pH = 7 (bersifat netral).
2.	Garam yang terbentuk dari reaksi asam kuat dengan basa lemah (misalnya NH4Cl, AgNO3 dan lain-lain) hanya kationnya yang terhidrolisis (mengalami hidrolisis parsial). Untuk jenis garam yang demikian nilai pH < 7 (bersifat asam).
3.	Garam yang terbentuk dari reaksi asam lemah dengan basa kuat (misalnya CH3COOK, NaCN dan lain-lain) hanya anionnya yang terhidrolisis (mengalami hidrolisis parsial). Untuk jenis garam yang demikian nilai pH > 7 (bersifat basa).
4.	Garam yang terbentuk dari reaksi asam lemah dengan basa lemah (misalnya CH3COONH4, Al2S3 dan lain-lain) mengalami hidrolisis total (sempurna). Untuk jenis garam yang demikian nilai pH-nya tergantung harga Ka den Kb.

Garam yang terbentuk dari asam kuat dan basa lemah

Karena untuk jenis ini garamnya selalu bersifat asam (pH < 7) digunakan persamaan:

[H+] = Ö Kh . Cg

dimana :

Kh = Kw/Kb

K_h = konstanta hidrolisis

Jika kita ingin mencari nilai pH-nya secara langsung, dipergunakan persamaan:

pH = 1/2 (pKW – pKb – log Cg)

Garam yang terbentuk dari asam lemah dan basa lemah

Untuk jenis garam ini larutannya selalu bersifat basa (pH > 7), dan dalam perhitungan digunakan persamaan:

[OH-] = Ö Kh . Cg

dimana:

Kh = Kw/Ka

K_h = konstanta hidrolisis

Jika kita ingin mencari nilai pH-nya secara langsung, dipergunakan persamaan:

pH = 1/2 (pKw + pKa + log Cg)