Kimia Sekolah — Kelas 1 sampai 12 · Grades 1–12

46Titrasi dengan pH dan Konduktivitas

Sebotol cuka anggur berlabel “keasaman 6 %”: enam gram asam etanoat dalam setiap seratus gram cuka. Baik asam etanoat maupun basa konjugatnya tidak berwarna, dan permanganat tidak dapat membantu di sini. Tetapi pH meter yang dicelupkan ke dalam cuka itu, atau sebuah sel yang mengukur seberapa baik cuka itu menghantarkan listrik, mengikuti reaksinya dengan basa tetes demi tetes, dan bentuk kurvanya memperlihatkan dengan tepat di mana titik ekuivalennya. Sepuluh menit di meja laboratorium, dan labelnya pun terperiksa.

Yang sudah kamu ketahui

Titrasi, titik ekuivalen dan volume ekuivalennya (Bab 36); tetapan keasaman (Bab 44); hubungan Henderson dan indikator (Bab 45); larutan ion menghantarkan listrik (Bab 17).

46.1 Titrasi pH-metri

Definisi 46.1 (Titrasi pH-metri, setengah ekuivalen)

Dalam titrasi pH-metri, pH larutan yang dititrasi diukur setelah setiap penambahan titran, lalu kurva pH terhadap volume yang ditambahkan digambar. Yang disebut setengah ekuivalen adalah titik saat setengah volume ekuivalen telah ditambahkan.

Titrasi pH-metri: elektrodenya tercelup dalam larutan yang diaduk, dan alat ukurnya menunjukkan pH setelah setiap penambahan.

Di laboratorium — Mengalibrasi pH meter

Sebelum dipakai, elektrodenya dibilas dengan air suling dan dicelupkan ke dalam dua larutan penyangga yang pH-nya diketahui, biasanya 7.0 dan 4.0 (atau 10.0): alat ukurnya diatur agar menunjukkan nilai-nilai itu. Di antara larutan-larutan itu elektrodenya dibilas dan ditepuk-tepuk kering dengan lembut, tidak pernah digosok; elektrode disimpan dengan ujungnya tetap basah.

Kurva pH hasil perhitungan (biru) dan turunannya d pH/dV (jingga, bertitik, dibagi 4). Kiri: 20.0\, mL asam klorida 0.100\, mol/ L; titik ekuivalen pada pH 7.00. Kanan: 10.0\, mL cuka yang diencerkan; pada setengah ekuivalen pH sama dengan pK_a, dan titik ekuivalennya berada pada pH basa. — Kurva pH hasil perhitungan (biru) dan turunannya $d\mathrm{pH}/dV$ (jingga, bertitik, dibagi 4). Kiri: $20.0\,\mathrm{mL}$ asam klorida $0.100\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ ; titik ekuivalen pada pH 7.00. Kanan: $10.0\,\mathrm{mL}$ cuka yang diencerkan; pada setengah ekuivalen pH sama dengan $pK_a$ , dan titik ekuivalennya berada pada pH basa.

Metode 46.2 (Metode turunan)

Hitung, di antara pengukuran-pengukuran yang berurutan, kemiringan $\Delta\mathrm{pH}/\Delta V$ , lalu gambarlah grafiknya terhadap $V$ (lembar kerja atau kalkulator dapat melakukannya). Volume ekuivalen terletak di tempat kemiringan ini paling besar: puncak kurva turunannya.

Metode 46.3 (Metode garis singgung)

Gambarlah dua garis singgung yang sejajar pada kurva, satu sebelum lonjakan dan satu sesudahnya, di kedua sisinya.
Gambarlah garis sejajar yang terletak tepat di tengah keduanya.
Titik potongnya dengan kurva adalah titik ekuivalen: bacalah $V_E$ (dan pH pada titik ekuivalen).

Proposisi 46.4 (Pada setengah ekuivalen, $\mathrm{pH} = pK_a$ )

Pada titrasi asam lemah $\ce{HA}$ dengan basa kuat, pada setengah ekuivalen $\mathrm{pH} = pK_a$ .

Bukti. Reaksi $\ce{HA + OH- -> A- + H2O}$ berlangsung tuntas. Pada setengah ekuivalen, setengah dari asamnya telah berubah menjadi $\ce{A-}$ : $[\ce{A-}] = [\ce{HA}]$ , dan hubungan Henderson memberikan $\mathrm{pH} = pK_a + \log 1 = pK_a$ . ∎

Catatan 46.5 (Memilih indikator dari kurva)

Indikator harus berubah warna di dalam lonjakan. Untuk asam klorida, lonjakannya membentang dari sekitar pH 4 sampai 10 dan banyak indikator yang cocok, terutama biru bromtimol; untuk asam etanoat, lonjakannya lebih pendek dan bersifat basa, sekitar 7 sampai 11: fenolftalein (8.0–10.0) cocok, sedangkan biru bromtimol akan berubah terlalu cepat.

46.2 Konduktivitas dan titrasi konduktometri

Definisi 46.6 (Konduktivitas, konduktivitas ionik molar)

Besaran yang disebut konduktivitas $\sigma$ sebuah larutan mengukur seberapa baik larutan itu menghantarkan listrik; nilainya dibaca pada konduktometer dalam $\mathrm{mS}/\mathrm{cm}$ (atau $\mathrm{S}/\mathrm{m}$ ). Setiap ion $i$ menyumbang padanya sebanding dengan konsentrasinya, dengan sebuah koefisien $\lambda_i$ , yaitu konduktivitas ionik molar-nya.

Proposisi 46.7 (Hukum Kohlrausch)

Untuk larutan encer, $\sigma = \sum_i \lambda_i [X_i]$ . Pada $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , dalam $\mathrm{S}\,\mathrm{cm}^{2}/\mathrm{mol}$ : $\ce{H3O+}$ 349.8, $\ce{OH-}$ 198.3, $\ce{Cl-}$ 76.2, $\ce{Na+}$ 50.3. Ion oksonium dan ion hidroksida menghantarkan listrik jauh lebih baik daripada semua ion lain.

Bukti. Diterima tanpa bukti (buku Tahun Pertama universitas). Nilai $\ce{Cl-}$ dan $\ce{Na+}$ berasal dari konduktivitas terukur larutan asam klorida dan natrium klorida, yang dikurangi dengan nilai $\ce{H3O+}$ . ∎

Definisi 46.8 (Titrasi konduktometri)

Dalam titrasi konduktometri, konduktivitas diukur setelah setiap penambahan titran. Larutan yang dititrasi diencerkan dalam air yang banyak, sehingga volume yang ditambahkan hampir tidak mengubahnya: titik-titiknya lalu terletak pada garis-garis lurus, yang berubah kemiringannya pada titik ekuivalen.

Kiri: sel konduktometri. Kanan: 100\, mL asam klorida 0.0100\, mol/ L yang dititrasi dengan natrium hidroksida 0.100\, mol/ L (dihitung dengan hukum Kohlrausch). Konduktivitasnya turun, lalu naik: dua garis lurus yang bertemu pada titik ekuivalen. — Kiri: sel konduktometri. Kanan: $100\,\mathrm{mL}$ asam klorida $0.0100\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ yang dititrasi dengan natrium hidroksida $0.100\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ (dihitung dengan hukum Kohlrausch). Konduktivitasnya turun, lalu naik: dua garis lurus yang bertemu pada titik ekuivalen.

Contoh 46.9 (Membaca kedua garis)

Sebelum titik ekuivalen, setiap $\ce{OH-}$ yang ditambahkan menyingkirkan sebuah $\ce{H3O+}$ ( $\lambda = 349.8$ ) dan membawa masuk sebuah $\ce{Na+}$ ( $\lambda = 50.3$ ): konduktivitasnya turun tajam. Sesudah titik ekuivalen, $\ce{Na+}$ dan $\ce{OH-}$ ( $\lambda = 198.3$ ) hanya menumpuk: konduktivitasnya naik. Kedua garis bertemu pada $V_E = 10.0\,\mathrm{mL}$ , jadi konsentrasi asamnya $0.100 \times 10.0 / 100 = 0.0100\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

Metode 46.10 (Titik ekuivalen dari titrasi konduktometri)

Gambarlah garis lurus terbaik melalui titik-titik sebelum titik ekuivalen dan garis terbaik melalui titik-titik sesudahnya; bacalah $V_E$ pada perpotongannya. Titik-titik di dekat titik ekuivalen, tempat garis-garisnya melengkung, tidak dipakai.

Catatan 46.11 (Metode mana, kapan)

Indikator berwarna paling cepat jika ada indikator yang cocok. Titrasi pH-metri juga memberikan $pK_a$ asam lemah, dan dapat dipakai untuk larutan yang berwarna atau keruh. Titrasi konduktometri sama sekali tidak memerlukan lonjakan pH: titrasi ini dapat dipakai untuk asam yang sangat lemah atau sangat encer, dan untuk reaksi pengendapan, selama ion-ionnya berubah.

Keselamatan

Larutan natrium hidroksida membakar kulit dan mata, bahkan larutan encer jika mengenai mata: pakailah kacamata pelindung sepanjang waktu, dan setiap percikan segera dibilas dengan banyak air.

46.3 Latihan

Latihan 46.1 ★

Bacalah volume ekuivalen pada kurva asam klorida yang dititrasi dengan natrium hidroksida $0.100\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ , lalu simpulkan konsentrasi $20.0\,\mathrm{mL}$ asam itu.

Solusi

Solusi Latihan 46.1.

$V_E = 20.0\,\mathrm{mL}$ ; $c = 0.100 \times 20.0 / 20.0 = 0.100\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

Latihan 46.2 ★

Sebuah asam lemah dititrasi dengan natrium hidroksida; $V_E = 12.0\,\mathrm{mL}$ . Pada $6.0\,\mathrm{mL}$ , pH-nya 3.75. Berikan $pK_a$ asam itu. Asam mana pada skala $pK_a$ yang mungkin?

Solusi

Solusi Latihan 46.2.

Pada setengah ekuivalen pH $= pK_a$ : $pK_a = 3.75$ , dekat dengan asam metanoat (3.74).

Latihan 46.3 ★

Indikator mana yang akan kamu pilih untuk titrasi asam etanoat dengan natrium hidroksida? Mengapa bukan merah metil?

Solusi

Solusi Latihan 46.3.

Fenolftalein: trayeknya 8.0–10.0 terletak di dalam lonjakan, yang bersifat basa. Merah metil (4.2–6.3) akan berubah di dekat setengah ekuivalen, terlalu cepat.

Latihan 46.4 ★

Mengapa pH meter harus dikalibrasi sebelum dipakai? Dengan apa?

Solusi

Solusi Latihan 46.4.

Tanggapan elektrodenya bergeser seiring waktu dan suhu: elektrode itu diatur agar menunjukkan nilai yang benar dalam dua larutan penyangga yang pH-nya diketahui.

Latihan 46.5 ★

Dengan konduktivitas ionik molar, urutkan ion $\ce{H3O+}$ , $\ce{OH-}$ , $\ce{Na+}$ , $\ce{Cl-}$ dari penghantar terbaik sampai yang terburuk.

Solusi

Solusi Latihan 46.5.

$\ce{H3O+}$ (349.8) > $\ce{OH-}$ (198.3) > $\ce{Cl-}$ (76.2) > $\ce{Na+}$ (50.3).

Latihan 46.6 ★★

Sebanyak $20.0\,\mathrm{mL}$ larutan asam etanoat memerlukan $14.6\,\mathrm{mL}$ natrium hidroksida $0.050\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ . Hitung konsentrasinya.

Solusi

Solusi Latihan 46.6.

$c = 0.050 \times 14.6 / 20.0 = 0.0365\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

Latihan 46.7 ★★

Di dekat titik ekuivalen, hasil pembacaannya: $9.6\,\mathrm{mL}$ , pH 5.7; $9.8\,\mathrm{mL}$ , 6.1; $10.0\,\mathrm{mL}$ , 7.0; $10.2\,\mathrm{mL}$ , 10.5; $10.4\,\mathrm{mL}$ , 11.0. Hitung $\Delta\mathrm{pH}/\Delta V$ di antara titik-titik yang berurutan, lalu tentukan letak $V_E$ .

Solusi

Solusi Latihan 46.7.

Kemiringan: 2.0, 4.5, 17.5, dan $2.5\,\mathrm{mL}^{-1}$ . Yang terbesar terletak antara 10.0 dan $10.2\,\mathrm{mL}$ : $V_E \approx 10.1\,\mathrm{mL}$ .

Latihan 46.8 ★★

Pada titrasi konduktometri asam klorida, jelaskan tanda kemiringan sebelum dan sesudah titik ekuivalen, dengan memakai ion-ion yang ada.

Solusi

Solusi Latihan 46.8.

Sebelum titik ekuivalen, setiap $\ce{OH-}$ yang ditambahkan menyingkirkan sebuah $\ce{H3O+}$ (sangat menghantarkan) dan membawa sebuah $\ce{Na+}$ (jauh kurang menghantarkan): konduktivitasnya turun. Sesudahnya, $\ce{Na+}$ dan $\ce{OH-}$ menumpuk tanpa bereaksi: konduktivitasnya naik.

Latihan 46.9 ★★

Sketsalah kurva konduktometri asam etanoat yang dititrasi dengan natrium hidroksida. Mengapa konduktivitasnya naik bahkan sebelum titik ekuivalen?

Solusi

Solusi Latihan 46.9.

Di awal, ionnya sedikit (asam lemah hampir tidak bereaksi dengan air): konduktivitasnya rendah. Sebelum titik ekuivalen, ion etanoat dan ion natrium terbentuk menggantikan molekul-molekul yang tidak bermuatan: konduktivitasnya naik, perlahan. Sesudah titik ekuivalen, $\ce{Na+}$ dan $\ce{OH-}$ menumpuk: konduktivitasnya naik lebih cepat. Dua garis yang naik, dengan garis kedua lebih curam.

Latihan 46.10 ★★

Pada kurva hasil perhitungan untuk cuka yang diencerkan, bacalah pH di awal, pada setengah ekuivalen, dan pada titik ekuivalen. Mengapa pH awalnya jauh lebih tinggi daripada pH asam klorida dengan konsentrasi yang sama?

Solusi

Solusi Latihan 46.10.

Sekitar 2.9, 4.76, dan 8.7. Asam etanoat adalah asam lemah: hanya beberapa persen saja yang menghasilkan ion oksonium, sehingga pH-nya dimulai lebih tinggi daripada pH 1.0 asam klorida dengan konsentrasi yang serupa.

Latihan 46.11 ★★

Mengapa larutan yang dititrasi diencerkan dalam air yang banyak sebelum titrasi konduktometri?

Solusi

Solusi Latihan 46.11.

Agar volume titran yang ditambahkan hampir tidak mengubah volume totalnya: konsentrasinya, dan karena itu konduktivitasnya, lalu berubah mengikuti garis lurus.

Latihan 46.12 ★★★

Sebuah larutan mengandung asam klorida sekaligus asam etanoat. Larutan itu dititrasi dengan natrium hidroksida sambil pH-nya diukur. Jelaskan mengapa kurvanya memperlihatkan dua lonjakan, dan apa yang diukur oleh setiap volume ekuivalen.

Solusi

Solusi Latihan 46.12.

Ion-ion hidroksida mula-mula bereaksi dengan asam kuat ( $\ce{H3O+}$ ), lalu dengan asam lemah. Lonjakan pertama menandai habisnya asam klorida (volume ekuivalennya mengukur asam itu), lonjakan kedua menandai habisnya asam etanoat (volume di antara kedua lonjakan mengukurnya).

Latihan 46.13 ★★★

Hitung konduktivitas di awal titrasi konduktometri dalam bab ini (asam klorida $0.0100\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ ) dan pada titik ekuivalen ( $110\,\mathrm{mL}$ larutan natrium klorida). Bandingkan dengan gambar.

Solusi

Solusi Latihan 46.13.

Awal: $(349.8 + 76.2) \times 0.0100 = 4.26\,\mathrm{mS}/\mathrm{cm}$ . Pada titik ekuivalen: $[\ce{Na+}] = [\ce{Cl-}] = 1.00/110 = 0.009\,09\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ , jadi $(50.3 + 76.2) \times 0.00909 = 1.15\,\mathrm{mS}/\mathrm{cm}$ . Keduanya sesuai dengan gambar.

Latihan 46.14 ★★★

Sebuah pH meter yang dikalibrasi dengan buruk menunjukkan setiap pH 0.2 terlalu tinggi. Kesalahan apa yang ditimbulkannya pada volume ekuivalen titrasi pH-metri? Pada $pK_a$ yang dibaca pada setengah ekuivalen?

Solusi

Solusi Latihan 46.14.

Tidak ada pada $V_E$ : lonjakannya terjadi pada volume yang sama, berapa pun pergeseran pembacaannya. $pK_a$ yang dibaca pada setengah ekuivalen 0.2 terlalu tinggi.

Latihan 46.15 ★★★

Mengapa titrasi konduktometri dapat mengikuti reaksi ion perak dengan ion klorida, $\ce{Ag+ + Cl- -> AgCl(s)}$ , sedangkan titrasi pH-metri tidak? Uraikan kurva yang diharapkan ketika perak nitrat ditambahkan pada natrium klorida (anggaplah $\lambda$ $\ce{NO3-}$ mendekati nilai untuk $\ce{Cl-}$ ).

Solusi

Solusi Latihan 46.15.

pH tidak berubah selama pengendapan ini, tetapi ion-ionnya berubah: sebelum titik ekuivalen, setiap $\ce{Ag+}$ yang ditambahkan menyingkirkan sebuah $\ce{Cl-}$ dan membawa sebuah $\ce{NO3-}$ yang konduktivitasnya serupa, sehingga konduktivitasnya hampir tetap (ion-ion natrium sudah ada sejak awal); sesudah titik ekuivalen, $\ce{Ag+}$ dan $\ce{NO3-}$ menumpuk dan konduktivitasnya naik. Sebuah garis datar, lalu sebuah garis yang naik.

46.4 Soal: Benarkah Cuka Itu 6 %?

Soal 46.1

Soal akhir pekan — apakah cuka yang berlabel “keasaman 6 %” benar-benar mengandung enam gram asam etanoat per seratus gram?

Sebuah cuka yang berlabel “keasaman 6 %” diperiksa. Sebanyak $100.0\,\mathrm{mL}$ cuka itu ditimbang: $101\,\mathrm{g}$ . Cuka itu diencerkan sepuluh kali, lalu $10.0\,\mathrm{mL}$ larutan encernya dititrasi dengan natrium hidroksida $0.100\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ , dengan pH meter; kurva hasil perhitungan dalam bab ini (kanan) sesuai dengan hasil pengukurannya.

Bagian I — Menyiapkan sampel.

Apa arti “keasaman 6 %”?
Jika labelnya benar, berapa massa asam etanoat yang dikandung $100.0\,\mathrm{mL}$ cuka? Berapa konsentrasi molarnya?
Mengapa cuka itu diencerkan sebelum titrasi?
Alat gelas apa yang dipakai untuk mengencerkannya sepuluh kali?

Bagian II — Titrasi pH-metri.

Tuliskan persamaan reaksi titrasinya.
Bacalah volume ekuivalen pada kurva.
Hitung konsentrasi cuka yang diencerkan.
Simpulkan konsentrasi cuka semula.
Bacalah pH pada setengah ekuivalen. Apa yang diberikannya?
Mengapa pH pada titik ekuivalen di atas 7?
Indikator mana yang akan memberikan hasil yang sama?

Bagian III — Pemeriksaan konduktometri.

Titrasinya diulangi dengan sel konduktometri, dengan sampel yang diencerkan dalam $200\,\mathrm{mL}$ air. Ion-ion apa yang muncul dalam larutan sebelum titik ekuivalen?
Mengapa konduktivitasnya hanya naik perlahan sebelum titik ekuivalen?
Mengapa konduktivitasnya naik lebih cepat sesudahnya?
Mengapa konduktivitasnya sangat rendah di awal?
Di mana kedua garis seharusnya bertemu?

Bagian IV — Kesimpulannya.

Hitung konsentrasi massa asam etanoat dalam cuka itu.
Hitung massa asam etanoat dalam $100.0\,\mathrm{mL}$ cuka.
Simpulkan massa asam etanoat per $100\,\mathrm{g}$ cuka.
Nyatakan jawaban akhirnya: berapa keasaman cuka itu?

Solusi

Solusi Soal 46.1.

1. $6\,\mathrm{g}$ asam etanoat per $100\,\mathrm{g}$ cuka.

2. $101\,\mathrm{g}$ cuka mengandung $6.0 \times 101/100 = 6.06\,\mathrm{g}$ ; $M = 60.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ : $0.101\,\mathrm{mol}$ dalam $0.1000\,\mathrm{L}$ , yaitu $1.01\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

3. Tanpa diencerkan, $10.0\,\mathrm{mL}$ akan memerlukan sekitar $101\,\mathrm{mL}$ natrium hidroksida $0.100\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ : lebih banyak daripada isi sebuah buret.

4. Pipet volume $10.0\,\mathrm{mL}$ dan labu ukur $100.0\,\mathrm{mL}$ .

5. $\ce{CH3COOH + OH- -> CH3COO- + H2O}$ .

6. $V_E = 10.1\,\mathrm{mL}$ .

7. $c = 0.100 \times 10.1 / 10.0 = 0.101\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

8. $10 \times 0.101 = 1.01\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ .

9. pH 4.76 pada $5.05\,\mathrm{mL}$ : $pK_a$ asam etanoat.

10. Pada titik ekuivalen larutannya mengandung natrium etanoat, dan etanoat adalah basa lemah.

11. Fenolftalein, yang trayeknya 8.0–10.0 mencakup pH pada titik ekuivalen (sekitar 8.7).

12. Ion natrium dan ion etanoat.

13. Setiap $\ce{OH-}$ yang ditambahkan mengubah sebuah molekul yang hampir tidak terionisasi menjadi $\ce{CH3COO-}$ , bersama sebuah $\ce{Na+}$ : ion-ion yang konduktivitasnya sedang ditambahkan secara perlahan.

14. Sesudah titik ekuivalen, ion-ion hidroksida, yang sangat menghantarkan, menumpuk bersama ion-ion natrium.

15. Asam lemah hanya memberikan sangat sedikit ion ke dalam air.

16. Pada $V_E = 10.1\,\mathrm{mL}$ , seperti pada titrasi pH-metri.

17. $1.01 \times 60.0 = 60.6\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ .

18. $6.06\,\mathrm{g}$ dalam $100.0\,\mathrm{mL}$ .

19. $6.06 \times 100 / 101 = 6.0\,\mathrm{g}$ per $100\,\mathrm{g}$ .

20. Cuka itu memiliki keasaman $6.0\,\%$ : labelnya benar.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium