Kesetimbangan Kelarutan
Dalam
memperlakukan suatu kesetimbangan secara kualitatif, kita harus mengetahui
nilai konstanta kesetimbangannya. Dalam pembahasan berikut kita akan mengamati
kesetimbangan pada senyawa-senyawa ionik yang sukar larut dan menunjukkan
bagaimana kita dapat menentukan konstanta kesetimbangannya. Begitu kita
mendapatkan nilai-nilai konstanta kesetimbangan senyawa ionik yang beragam,
kita dapat menggunakannya untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan tentang
kelarutan atau pengendapan suatu zat.
Aturan
umum untuk memperkirakan kelarutan senyawa-senyawa ionik dalam air digambarkan dalam tabel berikut :
Tabel
1. Aturan Kelarutan bagi Senyawa-senyawa
ionik dalam air pada suhu 25°C
Senyawa-senyawa yang dapat larut
|
Kekecualian yang tidak larut
|
Senyawa
yang mengandung ion logam alkali (Li+, Na+, K+,
Rb+, Cs+) dan ion amonium (NH4+)
|
|
Nitrates
(NO3 – ), bicarbonates (HCO3 –), dan
chlorates (ClO3 –)
|
|
Halides
(Cl –, Br –, I –)
|
Halida-halida
Ag+, Hg22+, and Pb2+
|
Sulfates
(SO42 –)
|
Sulfates Ag+, Ca2+, Sr2+,
Ba2+, Hg22+, dan Pb2+
|
Senyawa-senyawa yang tidak larut
|
Kekecualian yang larut
|
Carbonates
(CO32– ), phosphates (PO43–),
chromates (CrO42– ),
sulfides (S2–)
|
Senyawa
yang mengandung ion logam alkali dan ion amonium
|
Hydroxides
(OH–)
|
Senyawa
yang mengandung ion logam alkali dan ion Ba2+
|
Meskipun
berguna, aturan kelarutan tidak membantu kita membuat perkiraan kuantitatif
tentang berapa banyak senyawa ionik tertentu akan melarut dalam air. Untuk
mengembangkan pendekatan kuantitatif, kita mulai dengan apa yang telah kita
ketahui tentang kesetimbangan kimia. Kecuali dinyatakan lain secara khusus,
dalam diskusi berikut kita asumsikan pelarutnya adalah air pada suhu 25 oC.
Gambar 1 Sebutir batu gunjal, biasanya adalah kalsium
fosfat atau kalsium oksalat yang mengendap sebagai kristal.
Konstanta Hasil Kali
Kelarutan (Ksp)
Jika
suatu senyawa ionik dilarutkan dalam air, biasanya akan melarut sebagai
ion-ion. Jika secara berlebih suatu senyawa ionik sukar larut dicampurkan
dengan air, akan terbentuk kesetimbangan antara senyawa padat dan ion-ionnya
dalam larutan jenuh. Sebagai contoh, untuk garam kalsium oksalat, CaC2O4,
kita memiliki kesetimbangan berikut:
CaC2O4
(s)
Ca2+
(aq) + C2O42–
(aq)
Konstanta kesetimbangan bagi proses
kelarutan ini disebut konstanta hasil kali kelarutan CaC2O4,
yang dituliskan
Ksp
= [Ca2+] [C2O42–]
Secara
umum, konstanta hasil kali kelarutan (Ksp) adalah konstanta
kesetimbangan bagi kesetimbangan kelarutan suatu senyawa ionik sukar larut.
Nilainya sama dengan hasil kali konsentrasi kesetimbangan ion-ion senyawa,
dimana tiap konsentrasi dipangkatkan dengan jumlah ionnya dalam rumus senyawa.
Seperti konstanta kesetimbangan pada umumnya, nilai Ksp tergantung
pada suhu, tetapi pada suhu tertentu nilainya konstan pada berbagai konsentrasi
ion.
Timbal
(II) iodida, PbI2, merupakan garam sukar larut juga. Kesetimbangan
dalam air
PbI2
(s)
Pb2+ (aq) + 2 I–
(aq)
Dan
ungkapan konstanta kesetimbangannya, atau konstanta hasil kali kelarutannya,
ialah
Ksp
= [Pb2+] [I–]2
Ksp
senyawa ionik sukar larut diungkapkan dalam hubungan konsentrasi molar ion-ion
dalam larutan jenuh. Konsentrasi ion-ion ini berkaitan dengan kelarutan molar
senyawa ionik, yaitu jumlah mol senyawa yang larut dalam satu liter larutan
jenuh. Dua contoh berikut menunjukkan bagaimana menentukan knstanta hasil kali
kelarutan dari nilai kelarutan senyawa ionik yang sukar larut.
Contoh 1 Menghitung
Ksp dari kelarutan (contoh sederhana)
Satu
liter larutan jenuh kalsium oksalat, CaC2O4, pada suhu 25
oC diuapkan sampai kering sehingga meninggalkan residu sebanyak
0,0064 g. Hitung Ksp garam ini pada suhu 25 oC!
Strategi Massa residu dari satu
liter larutan jenuh sama dengan kelarutannya dalam satuan gram per liter. Ubah
nilai ini ke kelarutan molar (kelarutan dalam mol per liter). Lalu ikuti
langkah-langkah yang serupa dengan perhitungan kesetimbangan (susun tabel
konsentrasi ion (mula-mula, perubahan, dan kesetimbangan) dan
hitung Ksp dari konsentrasi-konsentrasinya. Konsentrasi mula-mula
merupakan konsentrasi tiap spesi sebelum senyawa dilarutkan (= 0), dan nilai
perubahannya diperoleh dari kelarutan molar.
Penyelesaian Kelarutan kalsium oksalat adalah 0,0064 g/L
dan massa rumusnya 128 sma. Pengubahan gram per liter ke mol per liter:
Kelarutan molar CaC2O4 = 0, 0064 g/L ×
= 5.0 × 10–5 mol/L
Sekarang
perhatikan masalah kesetimbangannya.
Langkah 1: Misalkan kita mencampurkan
padatan CaC2O4 ke dalam satu liter larutan. Dari padatan
tersebut, 5.0 x 10–5 mol akan melarut membentuk 5 x 10–5
mol tiap ionnya. Hasilnya dirangkum dalam tabel berikut. (Karena konsentrasi
padatan tidak muncul dalam Ksp maka kita tidak mencantumkannya dalam
tabel tersebut.)
Konsentrasi (M) CaC2O4
(s)
Ca2+
(aq) + C2O42– (aq)
Mula-mula 0 0
Perubahan + 5.0
x 10–5 + 5.0 x 10–5
Kesetimbangan 5.0
x 10–5 5.0 x
10–5
Langkah 2: Nilai-nilai
ini kita substitusikan ke dalam persamaan konstanta kesetimbangan:
Ksp = [Ca2+]
[C2O42–]
= (5.0 x 10–5)( 5.0 x
10–5) = 2.5 x 10–9
Uji jawaban Seringkali,
cara paling efektif untuk menguji kebenaran jawaban kita adalah dengan membalik
pertanyaannya, yaitu menggunakan jawaban kita untuk menghitung nilai variabel
yang diberikan soal semula. Dalam soal ini, mula-mula kita akan menghitung
konsentrasi ion-ion dengan mencari akar kuadrat dari nilai Ksp yang
kita dapatkan. Konsentrasi ion ini, dalam soal ini, sama dengan kelarutan
molar. Dengan mengalikan kelarutan molar dengan massa rumusnya akan diperoleh
kelarutan senyawa, yang semestinya cocok dengan nilai yang diberikan dalam
soal.
Latihan 1 Ion perak dapat diperoleh dari larutan
fotografi yang sudah digunakan dengan mengendapkannya sebagai perak klorida.
Kelarutan perak klorida adalah 1.9 x 10–3
g/L. Hitunglah nilai Ksp.
Contoh 2 Menghitung
nilai Ksp dari kelarutan (Contoh yang lebih sukar)
Berdasarkan
eksperimen, diketahui bahwa 1.2 x 10–3 mol timbal(II) iodida, PbI2,
larut dalam 1 L air pada suhu 25 oC. Berapakah konstanta hasil kali
kelarutannya pada suhu ini?
Strategi Soal
ini mirip dengan contoh sebelumnya, kecuali bahwa setiap mol senyawa (PbI2)
melarut membentuk dua mol anion (I–). Perbedaan ini mempengaruhi
perhitungannya dalam dua hal: mempengaruhi konsentrasi molar ion (konsentrasi
molar anion adalah dua kali lipat dibanding kelarutan molar), dan mempengaruhi
nilai konstanta kesetimbangan (yang mengandung ‘kuadrat konsentrasi anion’).
Penyelesaian
Langkah 1: Anggap
padatan timbal(II) iodida dicampurkan ke dalam 1 L larutan. Kita tahu bahwa 1.2
x 10–3 mol melarut membentuk 1.2 x 10–3 mol Pb2+
dan 2 x (1.2 x 10–3) mol I–, sesuai tabel berikut:
Konsentrasi
(M) PbI2 (s)
Pb2+
(aq) + 2 I– (aq)
Mula-mula 0 0
Perubahan +
1.2 x 10–3 + 2 x (1.2 x
10–3)
Kesetimbangan 1.2
x 10–3 2 x (1.2 x 10–3)
Langkah 2: Substitusikan
nilai-nilai ini ke dalam persamaan konstanta kesetimbangan:
Ksp = [Pb2+][
I–]2 = (1.2 x 10–3) (2 x 1.2 x 10–3)2 = 6.9
x 10–9
Uji Jawaban Seperti
pada contoh sebelumnya, suatu uji efektif adalah dengan membalik perhitungan
untuk mengetahui apakah kita mendapatkan nilai yang diberikan dalam pernyataan
soal. Anggap kita memisalkan nilai kelarutan adalah x (yaitu nilai yang
diberikan dalam soal). Maka x juga merupakan konsentrasi Pb2+
dan konsentrasi I– adalah 2x (karena ion I– dua
kali lipat ion Pb2+). Maka Ksp = [Pb2+][ I–]2 = (x)(2x)2 = 4x3, dan
x
=
=
= 1.2
x 10–3
Latihan 2 Timbal(II)
arsenat, Pb3(AsO4)2, pernah digunakan dalam
insektisida. Zat ini hanya sedikit larut dalam air. Jika kelarutannya 3.0 x 10–5 g/L,
berapakah Ksp-nya? Asumsikan bahwa kesetimbangan kelarutan adalah
satu-satunya yang penting.
Tabel
1 memuat daftar konstanta hasil kali kelarutan beberapa senyawa ionik. Jika
konstanta hasil kali kelarutan diketahui, kelarutan senyawa tersebut dapat
dihitung.
Tabel 1 Konstanta Hasil Kali Kelarutan
beberapa zat pada suhu 25 oC
Zat
terlarut Kesetimbangan
Kelarutan Ksp
Aluminum hidroksida Al(OH)3 (s)
Al3+ (aq) + 3 OH–
(aq) 1.3 × 10 –33
Barium karbonat BaCO3 (s)
Ba2+ (aq) + CO32–
(aq) 5.2 × 10 –9
Barium sulfat BaSO4
(s)
Ba2+ (aq) + SO42– (aq) 1.1
× 10 –10
Kalsium karbonat CaCO3 (s)
Ca2+ (aq) + CO32– (aq) 2.8 × 10 –9
Kalsium fluorida CaF2 (s)
Ca2+ (aq) + 2 F – (aq) 5.3 × 10 –9
Kalsium sulfat CaSO4
(s)
Ca2+ (aq) + SO42– (aq) 9.1 × 10 – 6
Kromium(III) hidroksida Cr(OH)3 (s)
Cr3+ (aq) + 3 OH – (aq) 6.3 × 10 – 32
Besi(III) hidroksida Fe(OH)3 (s)
Fe3+
(aq) + 3 OH – (aq) 4.0 × 10 – 38
Timbal(II) klorida PbCl2 (s)
Pb2+ (aq) + 2 Cl– (aq) 1.6 × 10 – 5
Timbal(II) kromat PbCrO4 (s)
Pb2+ (aq) + CrO42– (aq) 2.8 × 10 –13 Timbal(II) iodida PbI2 (s)
Pb2+ (aq) + 2 I – (aq) 7.1
× 10 – 9
Timbal(II) arsenat Pb3(AsO4)2 (s)
3 Pb2+ (aq) + 2
AsO43– (aq) 4.0
× 10 –36
Timbal(II) sulfida PbS (s)
Pb2+ (aq) + S 2–
(aq) 2.5 × 10 – 27
Magnesium karbonat MgCO3
Mg2+ (aq) + CO32– (aq) 3.5 × 10 – 8
Magnesium fluorida MgF2 (s)
Mg2+ (aq) + 2 F – (aq) 3.7 × 10 – 8
Magnesium hidroksida Mg(OH)2 (s)
Mg2+ (aq) + 2 OH – (aq) 1.8 × 10 – 11
Magnesium fosfat Mg3(PO4)2 (s)
3 Mg2+ (aq) + 2 PO43– (aq) 1.0
× 10 – 25
Raksa(I) klorida HgCl (s)
Hg+ (aq) + Cl– (aq) 1.3
× 10 – 18
Perak bromida AgBr
(s)
Ag+ (aq) + Br –
(aq) 5.0
× 10 – 13
Perak karbonat Ag2CO3
(s)
2 Ag+ (aq) + CO32–
(aq) 8.5 × 10 – 12
Perak klorida AgCl
(s)
Ag+ (aq) + Cl– (aq) 1.8 × 10 – 10
Perak kromat Ag2CrO4
(s)
2 Ag+ (aq) + CrO42–
(aq) 1.1 × 10 –
12
Perak Iodida AgI
(s)
Ag+ (aq) + I – (aq) 8.5 × 10 –
17
Strontium karbonat SrCO3 (s)
Sr2+ (aq) + CO32– (aq) 1.1 × 10 – 10
Strontium sulfat SrSO4 (s)
Sr2+ (aq) + SO42– (aq) 3.2 × 10 – 7
Contoh 3 Menghitung
kelarutan dari Ksp
Mineral
fluorit adalah kalsium fluorida, CaF2. Hitunglah kelarutan (dalam
gram per liter) kalsium fluorida dalam air jika konstanta hasil kali
kelarutannya 3.4 ×
10 – 11.
Strategi Soal
ini merupakan kebalikan dari soal sebelumnya; alih-alih mencari Ksp
dari kelarutan, sekarang kita menghitung kelarutan dari Ksp. Ikuti
tiga langkah soal kesetimbangan, tetapi karena nilai kelarutan molar belum
diketahui maka gunakan pemisalan dengan nilai x. Pada langkah 1, kita
dapatkan konsentrasi tiap-tiap ion dengan cara mengalikan x dengan
koefisiennya pada persamaan reaksi. Pada langkah 2, kita dapatkan Ksp sebagai
pangkat tiga terhadap x. Pada langkah 3, kita selesaikan persamaan
konstanta kesetimbangan bagi x, yang kita dapatkan dengan operasi akar
pangkat tiga.
Penyelesaian
Langkah 1:
Anggap kelarutan molar CaF2
adalah x. Jika CaF2 padat dicampurkan ke dalam satu liter
larutan, akan terlarut sebanyak x mol, menghasilkan x mol Ca2+
dan 2x mol F–.
Konsentrasi
(M) CaF2 (s)
Ca2+
(aq) + 2 F – (aq)
Mula-mula 0 0
Perubahan +
x + x
Kesetimbangan x x
Langkah
2: Substitusikan x
ke dalam persamaan konstanta kesetimbangan.
[Ca2+][
F –]2 = Ksp
(x)
× (2x)2 =
3.4 × 10 – 11
4 x3 =
3.4 × 10 – 11
Langkah 3:
Cari nilai x.
x =
=
2.0 × 10 – 4
Kelarutan
molar CaF2 adalah 2.0 ×
10 – 4 mol per liter. Untuk mengetahui kelarutannya dalam gram per
liter, kalikan dengan massa molarnya (78 /mol).
Kelarutan = 2.0
× 10 – 4
mol CaF2/L ×
=
1.56
× 10 –2 g CaF2/L
Uji Jawaban Sebagai
pemeriksaan cepat atas pekerjaan kita, hitung Ksp bagi CaF2
dari nilai konsentrasi molar ion yang kita dapatkan:
Perhatikan keseuaian (dengan eror penghitungan) dengan nilai yang
diberikan dalam soal (yaitu
3.4 × 10 – 11)
Latihan 3 Anhidrit
adalah mineral kalsiumsulfat yang diperoleh jika air laut diuapkan. Berapakah
kelarutan kalsium sulfat, dalam gram per liter? Gunakan Tabel 1 di atas untuk
nilai Ksp kalsium sulfat.
Contoh-contoh
di atas menggambarkan hubungan antara kelarutan (s) senyawa ionik yang sukar
larut dalam air murni dengan konstanta hasil kali kelarutan (Ksp)-nya. Pada
bagian berikutnya kita akan mengetahui bagaimana Ksp suatu zat dapat digunakan
untuk menghitung kelarutannya dengan kehadiran ion-ion lain. Ksp juga berguna
untuk meramalkan terjadinya pengendapan pada kondisi tertentu.
Sebelum
meninggalkan bagian ini, perlu ditambahkan catatan penting. Kita telah
menghitung Ksp kalsium oksalat (CaC2O4) dan kelarutan
kalsium fluorida (CaF2) dengan mengasumsikan bahwa hanya
kesetimbangan kelarutan yang penting. Harus tetap ingat bahwa hidrolisis oleh
anion juga bisa cukup berpengaruh, khususnya jika anion tersebut cukup basa
yang akan signifikan jika asam konjugasinya lemah. Dalam dua contoh di atas,
hidrolisis relatif kurang penting.
Cek Penguasaan Konsep 1
Senyawa- senyawa timbal (timah
hitam) pernah digunakan sebagai zat warna pada cat, tetapi karena ion
timbal(II) merupakan racun maka penggunaan cat bertimbal di rumah sekarang
sudah dilarang. Manakah di antara senyawa timbal(II) berikut yang menghasilkan
paling banyak ion Pb2+ jika ditambahkan ke dalam air dalam jumlah
sama (anggap bahwa padatan yang tidak larutnya tetap) : PbCrO4, Pb3(AsO4)2,
PbS ?
Kelarutan
dan Efek Ion Sejenis
Pentingnya
konstanta hasil kali kelarutan menjadi lebih nyata jika kita menghitung
kelarutan suatu garam dalam larutan garam lain yang memiliki kation atau anion
yang sama. Misalkan, anggap kita ingin mengetahui kelarutan kalsium oksalat
dalam larutan kalsium klorida. Kedua garam menyumbang kation yang sama (Ca2+).
Pengaruh ion kalsium yang disediakan oleh kalsium klorida menyebabkan kalsium
oksalat menjadi kurang larut dibanding kelarutannya dalam air murni.
Kita
dapat menjelaskan penurunan kelarutan ini dalam kerangka Asas Le Châtelier.
Anggap mula-mulakita campurkan kristal kalsium oksalat dalam sejumlah air murni
sehingga tercapai kesetimbangan
CaC2O4
(s)
Ca2+
(aq) + C2O42 – (aq)
Sekarang
bayangkan kita menambahkan kalsium klorida. Kalsium klorida merupakan garam
yang mudah larut, sehingga terlarut dan meningkatkan konsentrasi ion kalsium.
Kita dapat menganggap peningkatan ini sebagai tekanan terhadap kesetimbangan
awal. Berdasarkan Asas Le Châtelier, ion-ion ini akan bereaksi mengurangi
penambahan ion kalsium.
CaC2O4
(s)
Ca2+
(aq) + C2O42 – (aq)
Dengan
kata lain, sebagian kalsium oksalat mengendap dari larutan. Larutan ini
sekarang kurang mengandung kalsium oksalat. Kita dapat menyimpulkan bahwa
kalsium oksalat kurang larut dalam larutan kalsium klorida dibanding dalam air
murni.
Larutan
kalsium klorida mengandung ion yang sejenis dengan kalsium oksalat yang sukar
larut. Penurunan kelarutan kalsium oksalat dalam larutan kalsium klorida merupakan
satu contoh efek ion sejenis. Pada umumnya, sembarang kesetimbangan
ionik dipengaruhi oleh zat yang menghasilkan ion yang terlibat kesetimbangan,
sebagaimana diperkirakan berdasarkan prinsip Le Châtelier. Gambar 2
memperlihatkan prinsip efek ion sejenis pada timbal(II) kromat, PbCrO4,
yang hanya sedikit larut dalam air pada suhu 25oC. Jika Pb(NO3)2
yang sangat mudah larut ditambahkan pada larutan PbCrO4 jenuh,
konsentrasi ion sejenis, Pb2+, meningkat dan PbCrO4
mengendap. Kesetimbangannya adalah
Gambar 2 Demonstrasi efek ion sejenis. Ketika
praktkan menambahkan larutan timbal(II) nitrat (tak berwarna) dari pipet ke
dalam larutan jenuh timbal(II) kromat (kuning pucat) terbentuk endapan kuning
timbal(II) kromat.
Contoh
berikut memperlihatkan bagaimana menghitung kelarutan garam sukar larut dalam
larutan yang mengandung zat dengan ion sejenis.
Contoh 4 Menghitung
kelarutan garam sukar larut dalam larutan mengandung ion sejenis
Berapakah
kelarutan molar kalsium oksalat dalam 0.15 M kalsium klorida? Bandingkan
kelarutan molar ini dengan kelarutan molar (contoh 1) CaC2O4
dalam air murni (5.0 x 10–5 M). Ksp kalsium oksalat ialah
2.3 x 10–9 .
Strategi Kedua
garam mengandung ion sejenis (Ca2+): salah satu garam (CaCl2)
mudah larut dan menghasilkan ion Ca2+ yang menghambat kelarutan
garam yang sukar larut (CaC2CO4). Kita selesaikan
kesetimbangan kelarutan bagi garam yang sukar larut, dengan catatan bahwa
ketika menyusun tabel konsentrasi, kita punya konsentrasi awal ion Ca2+
dari CaCl2. Persamaan kosntanta kesetimbangan yang kita dapat
merupakan persamaan kuadrat, yang dapat kita ubah menjadi persamaan linear
dengan asumsi nilai x sangat kecil (yaitu bahwa konsentrasi awal Ca2+
tidak terpengaruh oleh pelarutan garam yang sukar larut.) Nilai x sama
dengan kelarutan molar garam yang sukar larut dalam keberadaan ion sejenis.
Penyelesaian
Langkah 1: Fikirkan
padatan CaC2CO4 dicampurkan ke dalam 1 L larutan CaCl2
0.15 M dan bahwa kelarutan molar CaC2CO4 adalah x
M. Mula-mula (sebelum CaC2CO4 larut) terdapat 0.15 mol
ion Ca2+ dalam larutan. Ketika CaC2CO4
dicampurkan, x mol larut dan memberikan x mol tambahan Ca2+ dan x
mol C2CO42–. Tabel berikut merangkum
hasil-hasil ini:
Konsentrasi
CaC2O4
(s)
Ca2+ (aq) + C2O42
– (aq)
Mula-mula 0.15 0
Perubahan +
x +
x
Kesetimbangan 0.15
+ x x
Langkah 2:
Substitusikan ke dalam persamaan konstanta kesetimbangan:
[Ca2+][C2O42–] = Ksp
(0.5 + x) x = 2.3
x 10–9
Langkah 3:
Susun ulang persamaannya sehingga
x =
Karena
kalsium oksalat sangat sedikit terlarut, kita dapat mengabaikan nilai x
terhadap 0.15. Dalam hal ini
0.15 + x
0.15
Maka
persamaan sebelumnya menjadi
x
= 1.5 x 10–8
Perhatikan
bahwa nilai x memang sangat lebih kecil dibanding 0.15, maka asumsi kita
benar. Oleh karena itu, kelarutan molar kalsium oksalat dalam 0.15 M CaCl2
adalah 1.5 x 10–8 M. Dalam air murni, kelarutan molarnya 5.0 x 10–5
M, yaitu kira-kira 3000 kali lebih besar.
Latihan 4 a. Hitung kelarutan molar barium fluorida, BaF2, dalam
air pada 25oC. Ksp BaF2 pada suhu ini adalah 1.0 x 10–6.
b. Berapa kelarutan BaF2 dalam 0.15 M NaF pada suhu 25oC? Bandingkan
kelarutan dalam soal ini dengan kelarutannya dalam air murni.
Cek Penguasaan Konsep 2
Seandainya kamu punya sejumlah
volum yang sama dari larutan jenuh NaNO3,
Na2SO4, dan PbS. Lartan manakah yang paling banyak
melarutkan PbSO4?
Perhitungan Pengendapan
Dalam
gambar 1 ditunjukkan bahwa kalsium oksalat mengendap membentuk batu ginjal.
Garam yang sama akan mengendap dalam tubuh jika asam oksalat (suatu racun) secara
tak sengaja tercerna, karena dalam darah terdapat ion Ca2+. (Lihat
Gambar 3 untuk contoh lain pengendapan) Untuk memahami proses seperti ini, kita
harus memahami kondisi bisa terjadinya pengendapan. Pengendapan seakan cara
lain meninjau suatu kesetimbangan kelarutan. Daripada mempertanyakan berapa
banyak suatu zat akan terlarut dalam larutan, tanyakan : Akankah terjadi
pengendapan pada konsentrasi ion mula-mula?
Gambar 3. Pembentukan endapan. Perak
kromat, Ag2CrO4, mengendap ketika praktikan menambahkan
larutan kalium kromat, K2CrO4(aq),
ke dalam larutan perak nitrat, AgNO3(aq).
Kriteria Terjadinya
Pengendapan
Pertanyaan
di atas dapat dinyatakan secara lebih umum: Jika diberikan konsentrasi suatu
zat dalam reaksi, akankah reaksi berlangsung dalam arah maju atau dalam arah
balik? Untuk menjawab ini, kita harus mengevaluasi kuotien reaksi, Qc,
dan membandingkannya dengan konstanta kesetimbangan Kc. Kuotien
reaksi memiliki bentuk sama dengan persamaan konstanta kesetimbangan, tetapi
konsentrasi zat-zatnya tidak mesti pada nilai kesetimbangan. Tepatnya
konsentrasi pada saat awal reaksi. Untuk memperkirakan arah reaksi,
bandingkanlah Qc dengan Kc.
Jika Qc
< Kc, reaksi
berlangsung ke arah reaksi maju
Jika Qc
= Kc, campuran reaksi
pada kesetimbangan
Jika Qc
> Kc, reaksi
berlangsung ke arah reaksi balik
Misalkan
kita menambahkan timbal(II) nitrat (Pb(NO3)2), dan
natrium klorida (NaCl), ke dalam air yang menghasilkan larutan dengan 0.05 M Pb2+
dan 0.10 M Cl–. Akankah terbentuk endapan timbal(II) klorida (PbCl2)? Untuk menjawabnya, harus terlebih dahulu
dituliskan kesetimbangan kelarutannya.
PbCl2
(s)
Pb2+
(aq) + 2 Cl– (aq)
Kuotien
reaksinya memiliki bentuk yang sama dengan persamaan konstanta kesetimbangan,
dalam hal ini Ksp, tetapi konsentrasi perkaliannya menggunakan nilai
awal yang ditulis dengan subskrip i.
Qc = [Pb2+]i
[Cl–]i2
Nilai
Qc reaksi kelarutan sering disebut hasil kali ion, daripada kuotien
reaksi, karena merupakan hasil kali konsentrasi ion-ion dalam larutan
dipangkatkan dengan jumlah ionnya dalam rumus senyawa ionik tersebut.
Untuk
mengetahui hasil kali ion (Qc), kita substitusikan konsentrasi ion
Pb2+ dan ion Cl– dalam larutan pada saat awal reaksi,
yaitu 0.05 M Pb2+ dan 0.10 M Cl–. Maka didapat
Qc
= (0.05)(0.10)2 = 5.0 x 10–4
Ksp
PbCl2 adalah 1.6 x 10–5 (Tabel 1) sehingga Qc
lebih besar daripada Ksp. Oleh karena itu, reaksi berlangsung dalam
arah balik, yaitu
PbCl2
(s)
Pb2+ (aq) + 2 Cl–
(aq)
Dengan
kata lain, Pb2+ dan Cl– bereaksi menghasilkan endapan
PbCl2. Begitu terbentuk endapan maka konsentrasi ion-ion, dan pasti
hasil kali ion, akan berkurang. Pembentukan endapan berhenti manakala hasil
kali ion sama dengan Ksp. Maka campuran reaksi mencapai keadaan kesetimbangannya.
Kita
dapat membuat ringkasan kesimpulan kriteria pengendapan berikut.
Pengendapan diharapkan terjadi jika
hasil kali ion suatu reaksi kelarutan lebih besar daripada nilai Ksp.
Jika hasil kali ion lebih kecil daripada Ksp pengendapan tidak
terjadi (dan larutan tidak jenuh dengan senyawa ionik tersebut). Jika hasil
kali ion sama dengan Ksp, maka reaksi berada pada kesetimbangan (dan
larutan jenuh dengan senyawa ionik tersebut).
Pengendapan mungkin
tidak terjadi walaupun hasil kali ion terlampaui. Dalam kasus seperti ini
larutan menjadi lewat jenuh. Biasanya kristal kecil terbentuk setelah beberapa
lama, kemudian pengendapan terjadi secara cepat.
Contoh 5 Memprediksi
Pengendapan (diketahui konsentrasi)
Konsentrasi
ion kalsium dalam plasma darah adalah 0.0025 M. Jika konsentrasi ion oksalat
adalah 1.0 x 10–7 M, akankah kalsium oksalat mengendap? Ksp
kalsium oksalat adalah 2.3 x 10–9.
Stategi Sederhananya,
pengendapan hanyalah cara lain meninjau kesetimbangan kelarutan.
CaC2O4
(s)
Ca2+
(aq) + C2O42 – (aq)
Ke
arah kanan kalsium oksalat melarut, tetapi ke arah kiri Ca2+ dan C2O42–
bereaksi menjadi endapan kalsium oksalat. Kuotien reaksi, Qc, reaksi
ini adalah hasil kali ion [Ca2+]i
[C2O42–]i.
Hasil kali ion ini berkurang ketika terjadi pengendapan (dan konsentrasi ion
berkurang). Saat reaksi mendekati kesetimbangan, kuotien reaksi mendekati
konstanta kesetimbangan (hasil kali kelarutan) Ksp. Ini berarti
bahwa Qc mesti lebih besar daripada Ksp agar pengendapan
terjadi; bila sebaliknya, pengendapan tidak dapat terjadi. Jadi, hitunglah Qc
dan bandingkan dengan Ksp.
Penyelesaian Hasil
kali ion bagi kalsium oksalat adalah
Hasil
kali ion = [Ca2+]i
[C2O42–]
= (0.0025)(1.0 x 10–7) = 2.5
x 10–10
Nilai
ini lebih kecil daripada Ksp, maka tidak terjadi pengendapan.
Uji Jawaban Pastikan
bahwa Anda telah menuliskan persamaan yang tepat untuk menghitung kuotien
reaksi Qc dan bahwa Anda telah membandingkannya dengan benar dengan
nilai Ksp.
Latihan 5 Anhidrit adalah suatu mineral yang terbentuk
dari CaSO4 (kalsium sulfat). Suatu danau di pedalaman mengandung ion
Ca2+ dan SO42–
masing-masing pada konsentrasi 0.0052 M dan 0.0041 M. Jika konsentrasi
ini meningkat dua kali lipat karena penguapan, akankah kalsium sulfat
mengendap?
Contoh 6 Memprediksi
Pengendapan (diketahui volum larutan dan konsentrasi)
Ion
sulfat (SO42–) dalam larutan sering ditentukan secara
kuantitatif dengan mengendapkannya sebagai barium sulfat (BaSO4).
Ion sulfat dapat terbentuk dari senyawa belerang. Analisis jumlah ion sulfat kemudian
menunjukkan persentase belerang dalam senyawanya. Dapatkah diharapkan terjadi
pengendapan pada kesetimbangan jika 50.0 mL 0.0010 M BaCl2
ditambahkan ke dalam 50.0 mL 0.00010 M Na2SO4? Ksp
barium sulfat adalah 1.1 x 10–10. Asumsikan bahwa volum total
setelah dicampurkan sama dengan jumlah volum kedua larutan sebelumnya.
Strategi Anda
perlu menghitung Qc, untuk dibandingkan dengan Ksp. Untuk
mendapatkan Qc, Anda perlu mengetahui konsentrasi ion-ion dalam larutan setelah
dicampurkan, sebelum terjadi pengendapan (andai memang terjadi). Pertama,
hitung jumlah mol tiap ion yang dicampurkan. Kemudian, dengan menggunakan volum
total larutan, hitung konsentrasi molar tiap ion. Akhirnya hitunglah Qc
dan bandingkan dengan Ksp.
Penyelesaian Jumlah
mol Ba2+ dalam 50.0 mL (= 0.050 L) BaCl2 0.0010 M adalah
Jumlah Ba2+ =
×
0.050
L lar. =
5.0 × 10–5 mol Ba2+
Konsentrasi
molar Ba2+ dalam campuran sama dengan jumlah mol Ba2+
dibagi volum total (0.050 L BaCl2
+ 0.050 L Na2SO4 =
0.100 L).
[Ba2+] =
= 5.0 × 10–4 M
Dengan cara sama kita dapatkan [SO42–] = 5.0 × 10–5 M (coba
lakukan sendiri)
Hasil kali ionnya adalah
Qc
= [Ba2+]i
[SO42–]i
= (5.0 × 10–4) (5.0 × 10–5) = 2.5 × 10–8.
Karena Qc > Ksp maka
barium sulfat mengendap.
Latihan 6 Suatu
larutan 0.00016 M timbal(II) nitrat, Pb(NO3)2 dituangkan
ke dalam 456 mL natrium sulfat (Na2SO4) 0.00023 M.
Akankah terbentuk endapan timbal(II) sulfat (PbSO4) jika 255 mL
larutan timbal nitrat ditambahkan?
Pengaruh Kualitatif pH
Bayangkan kesetimbangan antara padatan kalsium
oksalat dan ion-ionnya dalam air adalah
CaC2O4
(s)
Ca2+
(aq) + C2O42 – (aq)
Karena ion oksalat merupakan konjugasi dari asam
lemah (ion hidrogen oksalat HC2O4–) akan mungkin
mengharapkannya bereaksi dengan ion H3O+ yang ditambahkan, misal dari asam
kuat:
C2O42– (aq) + H3O+ (aq)
HC2O4– (aq) + H2O (l)
Berdasarkan Asas Le Châtelier,
ketika ion C2O42–
berkurang karena bereaksi dengan ion H3O+, lebih banyak kalsium oksalat
terlarut menghasilkan lagi ion C2O42–.
CaC2O4
(s)
Ca2+
(aq) + C2O42 – (aq)
Oleh
karena itu, Anda menduga kalsium oksalat menjadi lebih larut dalam larutan
bersifat asam (pH rendah) daripada dalam air murni.
Pada umumnya, garam dari asam lemah lebih mudah
larut dalam larutan bersifat asam. Sebagai contoh adalah proses perusakan gigi.
Bakteri-bakteri pada gigi menghasilkan medium yang bersifat asam yang merupakan
hasil metabolisme gula. Gigi sendiri normalnya terbuat dari kalsium fosfat
mineral hidroksiapatit, yang dapat ditulis sebagai Ca5(PO4)3OH
atau 3Ca3(PO4)2.Ca(OH)2. Garam
mineral dari asam lemah H2O (berkonjugasi dengan OH–) ini
larut dengan keberadaan medium asam, menghasilkan lubang dalam gigi. Pasta gigi
fluorida menghasilkan ion F–, yang secara berangsur menggantikan ion
OH– dalam gigi menghasilkan fluoroapatit, Ca5(PO4)3F
atau 3Ca3(PO4)2.CaF2, yang lebih
sukar larut daripada hidroksiapatit.
Contoh 7 Menentukan Efek Kualitatif pH terhadap Kelarutan
Di antara dua garam sukar larut,kalsium karbonat
dan kalsium sulfat, manakah yang kelarutannya lebih terpengaruh dengan
penambahan asam kuat HCl? Apakah kelarutannya meningkat atau berkurang?
Strategi Asam kuat mempengaruhi
kelarutan garam dari asam lemah dengan memberikan ion hidronium yang bereaksi
dengan aniondari garam tersebut dalam larutan. Begitu anion hilang karena
reaksi ini, lebih banyak garam melarut untuk memulihkan lagi konsentrasi anion.
Kita perlu menentukan garam mana yang memiliki anion yang berpasangan dengan
asam yang lebih lemah.
Penyelesaian Kalsium
karbonat memiliki persamaan kelarutan
CaCO3 (s)
Ca2+ (aq) + CO32– (aq)
Jika ditambahkan asam kuat, ion hidrogen akan
bereaksi dengan ion karbonat, karena berkonjugasi dengan asam lemah (HCO3–).
H3O+ (aq) + CO32– (aq)
H2O (l) + HCO3– (aq)
Saat io karbonat dihilangkan, kalsium karbonat
melarut. Selain itu, ion hidrogen karbonat sendiri dihilangkan dalam reaksi
lebih lanjut.
H3O+ (aq) + HCO3– (aq)
H2O (l) + H2CO3 (aq)
2 H2O (l) + CO2 (g)
Gelembung gas karbon dioksida muncul saat kalsium
karbonat melarut.
Sedangkan bagi kalsium sulfat, kesetimbangannya
ialah
CaSO4
(s)
Ca2+ (aq) + SO42– (aq)
H3O+ (aq) + SO42– (aq)
H2O (l) + HSO4– (aq)
Lagi, anion dari garam sukar larut dihilangkan oleh
reaksi dengan ionhidronium. Kita dapat menduga kalsium sulfat menjadi lebih
larut dalam asam kuat. Tetapi, HSO4– adalah asam yang
jauh lebih kuat dibanding HCO3– , bisa kita ketahui
dengan membandingkan konstanta ionisasi-asam keduanya. (Nilai Ka2 H2CO3
dan Ka HSO4– adalah 4.8 × 10–11 dan
1.1 × 10–2). Maka kalsium
karbonat lebih mudah larut dalam larutan bersifat asam, sedangkan kelarutan
kaslium sulfat hanya sedikit terpengaruh.
Uji Jawaban Pastikan
Anda membandingkan konstanta ionisasi-asam dengan benar. Untuk tiap garam,
lihatlah pada asam yang berpasangan dengan anion plus satu ion hidrogen. Untuk
CaCO3, lihat pada CO32– plus H+ (HCO3–,
bukannya H2CO3). Untuk CaSO4, lihatlah pada SO42–
plus H+ (HSO4–, bukan H2SO4).
Latihan
7 Garam
manakah yang akan lebih terpengaruh kelarutannya oleh perubahan pH, perak
klorida ataukah perak sianida?
Uji Konsep Jika Anda menambahkan larutan asam encer ke dalam campuran yang
emgandung magnesium oksalat dan kalsium oksalat, manakah di antara keduanya
yang akan larut?
Pemisahan Ion-Ion Logam
Umumnya
garam-garam sulfida kurang larut dalam air, tetapi kelarutannya tinggi dalam
larutan yang bersifat asam. Sifat seperti ini dimanfaatkan untuk memisahkan
campuran ion-ion logam.
Andaikan
suatu larutan mengandung campuran ion Zn2+ 0,1 M dan ion Pb2+
0,1 M. Bagaimana memisahkan kedua logam tersebut?
Untuk
memisahkannya dapat dilakukan berdasarkan pembentukan logam sulfida dengan cara
mengalirkan gas H2S ke dalam larutan itu.
Gas
H2S akan terurai membentuk ion H+ dan S2–. Ion
sulfida (S2–) yang dihasilkan dengan cara ini dapat bereaksi dengan
ion logam membentuk logam sulfida.
Zn2+
(aq) + S2– (aq)
ZnS (s)
Pb2+
(aq) + S2– (aq)
PbS (s)
Untuk
mengetahui logam sulfida mana yang mengendap dapat ditentukan berdasarkan nilai
hasil kali kelarutan, kemudian dibandingkan dengan nilai Ksp-nya.
Konsentrasi
ion S2– dalam larutan setara dengan
Ka (H2S) = 1,2 × 10–13 sehingga hasil kali
kelarutan ion-ion ZnS adalah sebagai berikut.
[Zn2+]
[ S2–] = (0.1) (1.2 × 10–13) = 1.2
× 10–14
Hasil
kali konsentrasi molar ion Zn2+ dan S2– lebih besar
daripada Ksp (ZnS) yaitu 1,1 × 10–21 maka seng(II)
sulfida mengendap. Demikian juga hasil kali konsentrasi ion-ion [Pb2+]
[S2–] = 1,2 × 10–14 lebih besar dari Ksp (PbS)
= 2,5 × 10–27 sehingga timbal(II) sulfida juga mengendap.
Oleh
karena ZnS dan PbS keduanya mengendap maka kedua ion tersebut belum dapat
dipisahkan. Untuk memisahkan kedua logam tersebut dapat dilakukan dengan cara
mengasamkan larutan.
Simak
pengaruh penambahan asam kuat ke dalam larutan Zn2+ dan Pb2+
sebelum dijenuhkan dengan gas H2S. Ion H+ dari asam kuat
akan menekan ionisasi H2S sehingga menurunkan konsentrasi ion S2–.
H2S
(g)
H+
(aq) + S2– (aq)
Dengan
mengatur konsentrasi ion H+ (pH larutan) maka kelarutan ion S2– dapat diatur,
tentunya pengendapan ZnS dan PbS dapat dikendalikan. Oleh karena Ksp PbS jauh lebih kecil dibandingkan ZnS
maka PbS akan mengendap lebih dulu pada pH tertentu.
Bagan
umum untuk menyelesaikan soal-soal Kelarutan dan Ksp digambarkan di
bawah ini:
Kelarutan
Senyawa
|
Kelarutan Molar
Senyawa
|
Konsentrasi kation dan anion
|
Ksp
Senyawa
|
Ksp
Senyawa
|
Konsentrasi kation dan anion
|
Kelarutan Molar Senyawa
|
Kelarutan
Senyawa
|
(b)
Urutan
langkah (a) untuk menghitung Ksp dari data kelarutan, dan (b) untuk menghitung
kelarutan dari data Ksp.
Soal-soal
Latihan
1.
Tuliskan persamaan hasil kali kelarutan
senyawa berikut:
a.
Mg(OH)2 b.
SrCO3 c.
Ca3(AsO4)2 d.
Fe(OH)3
2.
Kelarutan perak bromat, AgBrO3,
dalam air adalah 0.0072 g/L. Hitung nilai Ksp!
3. Hitung Ksp tembaga(II) iodat, Cu(IO3)2.
Kelarutannya dalam air adalah 0.13 g/100 mL.
4. Strontianit (strontium karbonat) merupakan
mineral penting strontium. Hitung kelarutan strontium karbonat, SrCO3,
dari nilai Ksp-nya. (Lihat nilainya dalam tabel).
5. Berapakah kelarutan PbF2 dalam air?
Ksp PbF2 = 2.7 × 10–8.
6. Berapakah kelarutan (dalam g/L) strontium
sulfat, SrSO4, dalam 0.23 M natrium sulfat, Na2SO4?
(gunakan tabel)
7. Kelarutan magnesium fluorida, MgF2,
dalam air adalah 0.016 g/L. Berapakah kelarutannya dalam 0.020 natrium
fluorida, NaF?
8. Timbal(II) kromat, PbCrO4,
digunakan sebagai zat warna kuning pada cat (“chrome yellow”). Jika
larutan yang dibuat adalah 5.0 x 10 – 4 M dalam ion timbal, Pb2+,
dan 5.0 × 10–5 M dalam ion kromat, CrO42–, dapatkah diduga timbal(II) kromat akan
mengendap? (gunakan tabel)
9. Larutan berikut dicampurkan: 1.0 L 0.00010 M
NaOH dan 1.0 0.0020 M MgSO4. Apakah terjadi pengendapan?
10. Manakah garam yang yang melarut lebih mudah
dalam larutan bersifat asam: barium sulfat ataukah barium fluorida? Jelaskan.
Sumber Rujukan
1) Brown,
T.L., et.al., 2012, Chemistry: The Central Science, 12th ed., Boston: Prentice
Hall, p.722 – 730.
2)
Chang, R., 2010,
Chemistry, 10th ed., Boston: McGraw-Hill Higher Education, p.735 – 748.
3)
Ebbing, D.D. and
S.P. Gammon, 2009, General Chemistry, 9th ed., New York: Houghton Mifflin
Company, p.699 – 713.
4)
Eubanks, L.P.,
et.al., 2009, Chemistry in Context, 6th ed., New York: McGraw-Hill Higher
Education, p.214 – 219.
5)
Petrucci, R.H.,
et.al., 2011, General Chemistry: Principles and Moedern Applications, 10th ed.,
Toronto: Pearson Canada Inc., p.784 – 798.
6) Zumdahl,
S.S., et.al., 2007, World of Chemistry, Illinois: McDougal Littell, p.622 –
625.