Kekuatan asam

Kekuatan asam merujuk pada kecenderungan suatu asam, disimbolkan dengan rumus kimia HA, mengalami disosiasi menjadi proton, H⁺, dan sebuah anion, A⁻. Asam kuat dalam larutan mengalami disosiasi sempurna, kecuali dalam keadaan pekatnya.

{\ce {HA -> H+ + A-}}

Contoh asam kuat adalah asam klorida (HCl), asam perklorat (HClO₄), asam nitrat (HNO₃) dan asam sulfat (H₂SO₄).

Asam lemah hanya terdisosiasi sebagian, sehingga dalam larutannya terdapat produk disosiasi dan asam yang tak terdisosiasi, yang keduanya berada dalam kesetimbangan.

{\ce {HA <=> H+ + A-}}

Asam asetat (CH₃COOH) adalah contoh asam lemah. Kekuatan asam lemah diukur dengan nilai konstanta disosiasi asamnya (pK_a).

Kekuatan asam organik lemah tergantung pada efek substituennya. Kekuatan asam anorganik tergantung pada tingkat oksidasi atom yang mengikat proton. Kekuatan asam tergantung pada pelarutnya. Sebagai contoh, hidrogen klorida adalah asam kuat dalam larutan air, tetapi menjadi asam lemah jika dilarutkan dalam asam asetat glasial.

Penentuan kekuatan asam

Kekuatan suatu asam biasanya diukur dari konstanta disosiasi asamnya (K_a), yang dapat ditentukan secara eksperimen melalui metode titrasi. Asam yang lebih kuat memiliki K_a yang lebih besar dan konstanta logaritma yang lebih kecil (pK_a = −log K_a) daripada asam yang lebih lemah. Semakin kuat suatu asam, semakin mudah ia kehilangan proton, H⁺. Dua faktor utama yang menyumbang kemudahan mengalami deprotonasi adalah polaritas ikatan H—A dan ukuran atom A, yang menentukan kekuatan ikatan H—A. Kekuatan asam juga tergantung pada kestabilan basa konjugatnya.

Sementara nilai pK_a menentukan kecenderungan suatu solut asam untuk memindahkan proton ke pelarut standar (umumnya air atau DMSO), kecenderungan pelarut asam untuk memindahkan proton ke solut terkaitnya (biasanya basa anilin lemah) ditentukan berdasarkan fungsi keasaman Hammett, nilai H₀. Meskipun kedua konsep kekuatan asam ini sering dianggap sebagai kencenderungan umum suatu zat mendonorkan proton, nilai pK_a dan H₀ mengukur sifat yang berbeda dan kadang-kadang menyimpang. Misalnya, hidrogen fluorida, ketika dilarutkan dalam air (pK_a = 3,2) atau DMSO (pK_a = 15), memiliki nilai pK_a yang menunjukkan bahwa ia mengalami disosiasi tak sempurna dalam kedua pelarut ini, menunjukkan bahwa ia adalah asam lemah. Namun, dalam kondisi kering, media asam, hidrogen fluorida memiliki nilai H₀ –15,^[1] membuatnya memprotonasi medium dengan kekuatan melebihi asam sulfat 100%, sehingga secara definitif, ia adalah superasam.^[2] (Untuk mencegah ketidakjelasan, istilah "asam kuat" dalam artikel ini adalah asam yang memiliki nilai pK_a < –1,74, kecuali bila disebutkan lain. Ini selaras dengan bahasa umum yang digunakan oleh para praktisi kimia).

Ketika medium asam yang dipertanyakan adalah larutan air encer, H₀ mendekati sama dengan nilai pH, yang merupakan –log dari konsentrasi H⁺ dalam larutan berair. pH larutan sederhana suatu asam ditentukan oleh K_a dan konsentrasi asam sekaligus. Untuk larutan asam lemah, ia tergantung pada derajat disosiasi, yang dapat ditentukan melalui perhitungan kesetimbangan. Untuk larutan pekat suatu asam, terutama asam kuat dengan pH < 0, pengukuran nilai H₀ lebih baik daripada mengukur pH-nya.

Asam kuat

Asam kuat adalah asam yang terdisosiasi menurut reaksi berikut:

{\ce {HA + S <=> SH+ + A-}}

dengan S mewakili molekul pelarut, seperti molekul air atau DMSO, sedemikian rupa karena konsentrasi spesies HA yang tak terdisosiasi sangat kecil untuk diukur. Untuk keperluan praktis, asam kuat dapat dikatakan terdisosiasi sempurna. Contoh asam kuat adalah asam klorida.

{\ce {HCl\ ->\ H^{+}\ +\ Cl^{-}\ (dalam\ larutan\ air)}}

Asam apapun dengan nilai pK_a yang kurang dari -2 diklasifikasikan sebagai asm kuat. Hasil ini berasal dari kapasitas dapar larutan yang sangat tinggi dengan nilai pH 1 atau kurang dan dikenal sebagai efek leveling.^[3]

Berikut adalah asam kuat dalam larutan berair dan dimetil sulfoksida. Nilai pK_a tidak dapat diukur secara eksperimen. Nilai dalam tabel berikut merupakan rata-rata dari 8 perhitungan teoritis yang berbeda

Estimasi nilai pK_a^[4]
Asam	Rumus	dalm air	dalam DMSO
Asam klorida	HCl	-5,9 ± 0,4	−2,0 ± 0,6
Asam bromida	HBr	-8,8 ± 0,8	−6,8 ± 0,8
Asam iodida	HI	-9,5 ± 1	−10,9 ± 1
Asam triflat	H[CF₃SO₃]	−14 ± 2	−14 ± 2
Asam perklorat	H[ClO₄]	−15 ± 2	−15 ± 2

Selain itu, dalam air

Asam nitrat HNO₃ pK_a = -1,6 ^[5]
Asam sulfat H₂SO₄ (disosiasi pertama saja, pK_a1 ≈ −3)^[6]^{:(p. 171)}

Senyawa berikut dapat digunakan sebagai protonator dalam kimia organik:

Asam fluoroantimonat H[SbF₆]
Asam ajaib [en] H[FSO₃SbF₅]
Asam karborana [en] H[CHB₁₁Cl₁₁]
Asam fluorosulfat [en] H[FSO₃] (pK_a = −6,4)^[7]

Asam sulfonat, seperti asam p-toluensulfonat [en] (asam tosilat) adalah kelas asam okso organik kuat.^[7] Beberapa asam sulfonat dapat diisolasi sebagai padatan. Polistirena difungsikan menjadi polistirena sulfonat adalah contoh zat yang merupakan asam kuat padat.

Asam lemah

Asam lemah adalah zat yang terdisosiasi sebagian ketika ia dilarutkan dalam suatu pelarut. Dalam larutannya terdapat kesetimbangan antara asam, HA, dan produk disosiasinya.

{\ce {HA <=> H+ + A-}}

Pelarutnya (air, misalnya) diabaikan dari persamaan ini jika konsentrasinya secara efektif tidak berubah akibat proses disosiasi asam. Kekuatan asam lemah dapat diukur melalui konstanta disosiasi, K_a, yang didefinisikan sebagai berikut, di mana [X] adalah konsentrasi gugusan kimia, X.

K_{a}={\frac {[H^{+}][A^{-}]}{[AH]}}

Jika nilai K_a diketahui, maka dapat digunakan untuk menentukan tingkat disosiasi dalam larutan dengan konsentrasi asam yang diketahui, T_H, dengan menerapkan hukum kekekalan massa.

{\begin{aligned}T_{H}&=[H]+[HA]\\&=[H]+K_{a}[A][H]\\&=[H]+K_{a}[H]^{2}\end{aligned}}

dengan T_H adalah nilai konsentrasi analitik asam. Ketika semua kuantitas dalam persamaan ini diperlakukan sebagai angka, muatan ion tidak ditunjukkan dan persamaannya menjadi persamaan kuadrat dengan nilai dari nilai konsentrasi ion hidrogen, [H].

K_{a}[H]^{2}+[H]-T_{H}=0

Persamaan ini menunjukkan bahwa pH suatu larutan asam lemah tergantung pada baik nilai K_a maupun konsentrasinya. Contoh umum asam lemah meliputi asam asetat dan asam fosforus [en]. Asam seperti asam oksalat (HOOC–COOH) dikatakan sebagai diprotik (atau berbasa dua) karena ia dapat kehilangan dua proton dan bereaksi dengan dua molekul basa sederhana. Asam fosfat (H₃PO₄) adalah asam triprotik (atau berbasa tiga).

Untuk lebih jelas tentang kekuatan asam dapat dilihat pada artikel konstanta disosiasi asam. Ini meliputi asam seperti asam diprotik asam suksinat, yang membuat metode sederhana perhitungan pH, yang dibahas di atas, menjadi tidak dapat digunakan.

Penentuan eksperimental

Penentuan nilai pK_a secara eksperimen umumnya dilakukan dengan metode titrimetri.^[8] Prosedur yang biasa dilakukan sebagai berikut. Sejumlah asam kuat ditambahkan ke dalam larutan yang mengandung asam atau garam dari asam, hingga suatu titik di mana senyawa tersebut terprotonasi sempurna. Larutan kemudian dititrasi dengan basa kuat

{\ce {HA + OH- -> A- + H2O}}

hingga dalam larutan hanya tertinggal spesies A⁻ yang terdeprotonasi. Pada setiap titik selama titrasi, pH diukur menggunakan elektrode kaca dan pH meter. Tetapan kesetimbangan dicari menggunakan nilai pH hitung yang sesuai dengan nilai teramati, menggunakan metode kuadrat terkecil.

Pasangan asam/basa konjugat

Kadang-kadang ada pernyataan "konjugat dari asam lemah adalah basa kuat". Pernyatan semacam ini adalah tidak tepat. Misalnya, asam asetat adalah asam lemah dengan K_a = 1,75 x 10⁻⁵. Basa konjugatnya adalah ion asetat dengan K_b = 10⁻¹⁴/K_a = 5,7 x 10⁻¹⁰ (dari hubungan K_a × K_b = 10⁻¹⁴), yang tentunya bukan merupakan basa kuat. Konjugat dari asam lemah sering kali merupakan basa lemah dan sebaliknya.

Asam dalam pelarut non-air

Kekuatan suatu asam bervariasi sesuai pelarutnya. Suatu asam yang kuat dalam air bisa menjadi lemah dalam pelarut yang kurang basa, dan suatu asam yang lemah dalam air dapat menjadi kuat dalam pelarut yang lebih basa. Menurut teori asam-basa Brønsted–Lowry, pelarut S dapat menerima proton.

{\ce {HA + S <=> A- + HS+}}

Sebagai contoh, asam klorida adalah basa lemah jika dilarutkan dalam asam asetat murni, CH₃COOH, yang lebih asam daripada air.

{\ce {CH3COOH + HCl <=> CH3C(OH)2+ + Cl-}}

Tingkat ionisasi hidrogen halida menurun sesuai urutan HI > HBr > HCl. Asam asetat dikatakan sebagai pelarut pembeda untuk ketiga asam tersebut, sedangkan air tidak.^[6]^{:(p. 217)}

Contoh penting pelarut yang lebih basa daripada air adalah dimetil sulfoksida, DMSO, (CH₃)₂SO. Suatu senyawa yang merupakan asam lemah di air dapat menjadi asam kuat dalam DMSO. Asam asetat adalah contoh zat ini. Nilai pKa larutan dalam DMSO dan pelarut lainnya dapat dijumpai di Acidity–Basicity Data in Nonaqueous Solvents.

Superasam adalah asam kuat meskipun dalam pelarut dengan konstanta dielektrik rendah. Contoh superasam adalah asam fluoroantimonat dan asam ajaib. Beberapa superasam dapat dikristalkan.^[9] Mereka juga dapat menstabilkan karbokation secara kuantitatif.^[10]

Faktor penentu kekuatan asam

Efek induktif

Dalam asam karboksilat organik, suatu substituen elektronegatif dapat menarik densitas elektron keluar dari ikatan asamnya melalui efek induktif, menghasilkan nilai pK_a yang lebih kecil. Semakin menurun efeknya, unsur elektronegatif semakin jauh dari gugus karboksilat, seperti digambarkan oleh deret asam butanoat terhalogenasi berikut.

Struktur	Nama	pK_a
	asam 2-klorobutanoat	2,86
	asam 3-klorobutanoat	4,0
	asam 4-klorobutanoat	4,5
	asam butanoat	4,5

Pengaruh tingkat oksidasi

Dalam rangkaian asam okso suatu unsur, nilai pK_a menurun sesuai tingkat oksidasi unsurnya. Asam okso dari klorin menggambarkan tren ini,^[6]^{:(p. 171)}

Nama	Tingkat oksidasi	pK_a
asam perklorat	7	-8^†
asam klorat	5	-1
asam klorit	3	2,0
asam hipoklorit	1	7,53

† teoritis

Referensi

^ Liang, Joan-Nan Jack (1976). The Hammett Acidity Function for Hydrofluoric Acid and some related Superacid Systems (Ph.D. Thesis) (PDF). Hamilton, Ontario: McMaster University. hlm. 94.
^ Miessler G.L. and Tarr D.A. Inorganic Chemistry (2nd ed., Prentice-Hall 1998, p.170) ISBN 0-13-841891-8
^ Porterfield, William W. Inorganic Chemistry (Addison-Wesley 1984) p.260 ISBN 0-201-05660-7
^ Trummal, Aleksander; Lipping, Lauri; Kaljurand, Ivari; Koppel, Ilmar A.; Leito, Ivo (2016). "Acidity of strong acids in water and dimethyl sulfoxide". J. Phys. Chem. A. 120 (20): 3663–3669. Bibcode:2016JPCA..120.3663T. doi:10.1021/acs.jpca.6b02253. PMID 27115918.
^ Bell, R. P. (1973), The Proton in Chemistry (edisi ke-2nd), Ithaca, NY: Cornell University Press
^ ^a ^b ^c Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2004). Inorganic Chemistry (edisi ke-2nd). Prentice Hall. ISBN 978-0130399137.
^ ^a ^b Guthrie, J.P. (1978). "Hydrolysis of esters of oxy acids: pK_a values for strong acids". Can. J. Chem. 56 (17): 2342–2354. doi:10.1139/v78-385.
^ Martell, A.E.; Motekaitis, R.J. (1992). Determination and Use of Stability Constants. Wiley. ISBN 0-471-18817-4. Chapter 4: Experimental Procedure for Potentiometric pH Measurement of Metal Complex Equilibria
^ Zhang, Dingliang; Rettig, Stephen J.; Trotter, James; Aubke, Friedhelm (1996). "Superacid Anions: Crystal and Molecular Structures of Oxonium Undecafluorodiantimonate(V), [H₃O][Sb₂F₁₁], Cesium Fluorosulfate, CsSO₃F, Cesium Hydrogen Bis(fluorosulfate), Cs[H(SO₃F)₂], Cesium Tetrakis(fluorosulfato)aurate(III), Cs[Au(SO₃F)₄], Cesium Hexakis(fluorosulfato)platinate(IV), Cs₂[Pt(SO₃F)₆], and Cesium Hexakis(fluorosulfato)antimonate(V), Cs[Sb(SO₃F)₆]". Inorg. Chem. 35 (21): 6113–6130. doi:10.1021/ic960525l.
^ George A. Olah, Schlosberg RH (1968). "Chemistry in Super Acids. I. Hydrogen Exchange and Polycondensation of Methane and Alkanes in FSO₃H–SbF₅ ("Magic Acid") Solution. Protonation of Alkanes and the Intermediacy of CH₅⁺ and Related Hydrocarbon Ions. The High Chemical Reactivity of "Paraffins" in Ionic Solution Reactions". Journal of the American Chemical Society. 90 (10): 2726–7. doi:10.1021/ja01012a066.