PRAKTIKUM 02 Penentuan Kadar Ca dan Mg di Dalam Air Minum Gambar 1a. Kerak akibat air sadah mengendap Gambar 1b. Sabun sukar berbuih dalam air sadah Tujuan Praktikum 1. Memahami prinsip titrasi pembentukan kompleks

2. Mengukur kadar Ca2+ dan Mg2+ dalam sampel air minum kemasan

Pendahuluan Air sadah adalah air yang mengandung mineral dalam jumlah yang tinggi. Mineral ini meliputi ion-ion logam seperti Ca2+, Mg2+, Fe3+, SO42-, dan HCO3-. Umumnya kesadahan air muncul karena air mengalir melalui lapisan batu kapur (CaCO3) yang ada di dalam tanah. Air sadah tidak berbahaya untuk dikonsumsi, sebaliknya air sadah bermanfaat bagi kesehatan karena kandungan kimia utamanya adalah ion kalsium dan magnesium yang diperlukan oleh tubuh. Masalah yang ditimbulkan air sadah adalah: ia menyebabkan sabun mengendap dan sukar berbusa. Ion kalsium dan magnesium akan mengikat molekul sabun dan membentuk endapan, akibatnya sabun menjadi sukar berbusa dan kurang efektif dalam membersihkan kotoran. Bila air sadah dipanaskan, maka akan terbentuk endapan CaCO3, dan hal ini dapat menyebabkan terjadinya penyumbatan pada pipa dan ketel air panas. Ada dua tipe kesadahan air, yaitu sementara dan permanen. Kesadahan sementara disebabkan oleh adanya kandungan ion bikarbonat HCO3- dalam air. Kesadahan ini dapat dihilangkan dengan cara merebus air sadah untuk melepaskan kandungan CO2 nya. HCO3- (aq) H2O (l) + CO2 (g) Kesadahan permanen disebabkan oleh adanya kandungan ion Ca2+, Mg2+, Fe3+, dan SO42- di dalam air. Kesadahan ini tidak dapat dihilangkan dengan cara merebus air seperti yang dilakukan pada kesadahan sementara. 2 | P E N E N T U A N K A D A R C a & M g D A L A M A I R M I N U M

Gambar 2a. Struktur molekul EDTA Gambar 2b. EDTA mengikat ion logam Tingkat kesadahan air didefinisikan sebagai jumlah total konsentrasi ion kalsium dan magnesium yang terlarut di dalam air, yang dinyatakan dalam miligram CaCO3 per liter air. Umumnya kesadahan air ditentukan melalui titrasi dengan larutan standar EDTA (ethylenediamminetetraacetic acid). EDTA sendiri merupakan senyawa pembentuk kompleks yang seringkali digunakan untuk menangkap dan mengikat ion-ion logam. Setelah terikat oleh EDTA, ion kalsium dan magnesium tidak dapat membentuk endapan dengan molekul sabun. Dengan demikian, kedua ion tadi tidak dapat lagi mengganggu aktivitas pembersih dari sabun. Struktur EDTA dapat dilihat di bawah ini. EDTA merupakan ligan, yaitu molekul yang dapat membentuk senyawa kompleks dengan kation logam. EDTA dapat “mencengkram” kation logam (seperti capit kepiting) melalui 4 – 6 ikatan kovalen koordinasi, karena itu EDTA sering kali disebut ligan multidentat (bergigi banyak) atau ligan pengkhelat (khelat = sepit kepiting). EDTA membentuk ion kompleks yang stabil dengan kation logam, karena itu dapat digunakan dalam titrasi untuk menentukan konsentrasi ion logam dalam suatu larutan. Reaksinya adalah sebagai berikut: M2+ (aq) + EDTA4- (aq) [M(EDTA)]2- (aq) Oleh karena reaksi yang digunakan dalam titrasi ini adalah reaksi pembentukan kompleks, maka titrasi ini disebut titrasi kompleksometri. Seperti halnya titrasi yang lain, kita membutuhkan suatu metode untuk menentukan letak titik akhir titrasi. Dalam percobaan ini, kita akan menggunakan indikator Eriochrome Black-T (Erio-T). Indikator yang digunakan dalam titrasi kompleksometri pada dasarnya adalah senyawa pembentuk kompleks juga, sama halnya seperti EDTA. Hanya saja, mereka memiliki warna yang berbeda pada saat sebelum dan sesudah membentuk kompleks. Misalnya, Erio-T berwarna biru dalam keadaan bebas dan berwarna merah anggur pada saat membentuk kompleks dengan ion logam. Warna indikator ini juga sangat dipengaruhi oleh pH, inilah sebabnya pH larutan harus dijaga dengan larutan buffer pada saat melakukan titrasi kompleksometri. 3 | P E N E N T U A N K A D A R C a & M g D A L A M A I R M I N U M

Indikator (biru) Ion logam (tak berwarna) Ion kompleks logam – indikator (merah) EDTA (tak berwarna) Ion logam (tak berwarna) Ion kompleks logam – EDTA (tak berwarna) Ion kompleks logam – indikator (merah) EDTA (tak berwarna) Ion kompleks logam – EDTA (tak berwarna) Indikator (biru) Gambar 3a Gambar 3b Gambar 3c Cara kerja indikator kompleksometri adalah sebagai berikut: ketika indikator ditambahkan ke dalam air yang mengandung ion logam, ia akan segera membentuk ion kompleks. Akibatnya, larutan akan berubah warna sesuai dengan warna indikator tersebut dalam bentuk ion kompleksnya. Pada saat EDTA ditambahkan ke dalam larutan, ia pertama-tama akan bereaksi dengan kation logam yang masih berada dalam keadaan bebas membentuk senyawa kompleks. Setelah seluruh kation logam yang ada dalam larutan habis bereaksi dengan EDTA, EDTA yang ditambahkan akan mengambil kation logam yang terikat pada indikator. Hal ini terjadi karena EDTA mengikat kation logam dengan lebih kuat daripada indikator kompleksometri. Ketika indikator kehilangan kation logamnya, larutan akan berubah warna sesuai dengan warna indikator tersebut dalam keadaan bebas. Proses ini dirangkumkan dalam diagram berikut ini: Indikator ditambahkan ke dalam air yang mengandung kation logam. Larutan menjadi merah.

Ca2+ + Hin2- CaIn- + H+

Sebelum titik ekuivalen, EDTA yang ditambahkan bereaksi dengan kation logam yang masih bebas. Karena seluruh spesies dalam reaksi ini tak berwarna, warna larutan tidak berubah.

Ca2+ + Y4- CaY2-

Mendekati titik ekuivalen, EDTA yang ditambahkan akan mengambil kation logam dari ion kompleks logam – indikator. Indikator dibebaskan, larutan berubah warna menjadi biru.

CaIn- + Y4- CaY2- + In3-

Perubahan warna larutan yang terjadi pada saat mendekati titik akhir titrasi adalah sbb: 4 | P E N E N T U A N K A D A R C a & M g D A L A M A I R M I N U M

Statif (1 buah)

Klem & Boss Head (2 pasang)

Botol semprot (1 buah)

Neraca analitik

Desikator

Hot plate & Magnetic bar

Oven

Na2H2EDTA.2H2O

NH4Cl (s)

Na2C2O4 (s)

CaCO3 (s)

Larutan NH3 pekat (28-30%)

Larutan Ethanol 95%

Larutan HCl encer (3 M)

Eriochrome Black T (indikator)

Sampel air minum dalam kemasan

Akuades

Ketiga gambar di atas, antara gambar yang satu dan yang lainnya, masing-masing hanya berbeda penambahan larutan EDTA 0.01 M sebanyak 1 tetes. Gambar 3a menunjukkan warna ion kompleks logam – indikator: merah anggur. Gambar 3b memperlihatkan perubahan warna yang terjadi ketika sebagian indikator telah dibebaskan akibat penambahan EDTA. Perpaduan warna merah anggur dan biru menghasilkan warna ungu. Gambar 3c menunjukkan warna indikator dalam keadaan bebasnya (seluruh kation logamnya telah diambil oleh EDTA): biru. Dalam percobaan ini, Anda akan menggunakan titrasi EDTA untuk menentukan konsentrasi Ca2+ dan Mg2+

yang terkandung di dalam air minum kemasan. Di sini diasumsikan bahwa hanya kedua ion ini saja yang terdapat di dalam air minum. Anda akan melakukan dua set titrasi. Titrasi yang pertama digunakan untuk menentukan konsentrasi total ion Ca2+ dan Mg2+ yang terkandung dalam sampel air minum Anda. Berikutnya, Anda akan menyiapkan sampel air minum yang bebas dari ion Ca2+ melalui penambahan ion oksalat. Seluruh ion Ca2+ akan diendapkan sebagai CaC2O4. Sampel air minum yang telah bebas dari ion Ca2+ ini, kemudian dititrasi untuk menentukan konsentrasi ion Mg2+ nya. Konsentrasi ion Ca2+ dapat ditentukan dari selisih titran yang digunakan dalam titrasi yang pertama dan kedua. Alat dan Bahan Labu ukur 250 mL (1 buah)

Labu ukur 1 Liter (2 buah)

Gelas kimia 250 mL (4 buah)

Gelas kimia 1 Liter (2 buah)

Gelas ukur 100 mL (2 buah)

Pipet ukur 10 mL, 25 mL (@ 2 buah)

Erlenmeyer 250 mL (3 buah)

Labu hisap 250 mL (3 buah)

Corong kaca (1 buah)

Kaca arloji 10 cm (3 buah)

Batang pengaduk gelas (3 buah)

Pipet tetes (3 buah)

Spatula (3 buah)

Buret (1 buah)

Corong Buchner (1 buah)

Pompa vakum (1 buah)

Kertas saring (3 lembar) 5 | P E N E N T U A N K A D A R C a & M g D A L A M A I R M I N U M

Prosedur Kerja A. Persiapan Larutan Standar EDTA 0.01 M (Disiapkan Pembimbing Praktikum) 1. Keringkan 5 gr padatan Na2H2EDTA.2H2O (Massa molar = 372.24 gram/mol) pada suhu 80 oC selama 1 jam dan dinginkan dalam desikator. Timbang sebanyak 3.8 gram dan larutkan dengan 800 mL akuades dalam gelas kimia 1 Liter. Aduk hingga larut, bila perlu larutan dapat dipanaskan untuk melarutkan seluruh EDTA. Namun, jika Anda menggunakan pemanasan, larutan harus didinginkan kembali ke suhu ruang sebelum diproses lebih lanjut.

2. Pindahkan larutan ini ke dalam labu ukur 1 Liter. Tera dengan akuades hingga tanda batas.

3. Larutan ini harus dibuat dengan menggunakan akuades yang bebas Ca2+ dan Mg2+.

B. Persiapan Larutan Buffer amonia pH = 10 (Disiapkan Pembimbing Praktikum)

1. Larutkan sebanyak 64.0 gram amonium klorida di dalam 600 mL larutan amonia pekat (28-30% amonia). Tuangkan ke dalam labu ukur 1 liter, kemudian tera dengan akuades hingga tanda batas. Larutan ini dapat digunakan kira-kira untuk 120 kali titrasi.

C. Persiapan Larutan Indikator Eriochrome Black-T (Disiapkan Pembimbing Praktikum)

1. Larutkan 0.1 gram EBT di dalam 100 mL ethanol 95%. Larutan ini tidak stabil, dan harus dipersiapkan dalam keadaan segar setiap bulannya.

D. Persiapan Larutan H2C2O4 (Disiapkan Pembimbing Praktikum)

1. Tuangkan 0.63 gram H2C2O4 ke dalam gelas kimia 100 mL. Larutkan dengan menambahkan 50 mL akuades ke dalamnya. Pindahkan larutan ke dalam labu ukur 100 mL secara kuantitatif, kemudian tera hingga tanda batas.

E. Persiapan Larutan Standar Primer Ca2+ 0.01 M 1. Timbang kira-kira 0.25 gram CaCO3 ke dalam gelas kimia 100 mL. Tambahkan 25 mL air dan larutan HCl encer (3 M) setetes demi setetes hingga seluruh CaCO3 larut, setelah itu tambahkan 2 tetes lagi ke dalam larutan. Bila diperlukan larutan dapat dihangatkan untuk mempercepat pelarutan. Pindahkan larutan ini secara kuantitatif ke dalam labu ukur 250 mL, dan tera hingga tanda batas. Aduk dengan baik hingga membentuk larutan yang homogen. Karena larutan standar Ca2+ ini digunakan untuk menstandarisasi larutan EDTA, larutan ini harus dipersiapkan dengan hati-hati sehingga Anda mengetahui dengan tepat konsentrasinya. 6 | P E N E N T U A N K A D A R C a & M g D A L A M A I R M I N U M

F. Standarisasi Larutan EDTA 0.01 M

1. Pipet sebanyak 25 mL larutan standar Ca2+ ke dalam labu Erlenmeyer 250 mL. Tambahkan 3 mL larutan buffer pH 10, 20 mL akuades, dan 6 tetes indikator EBT. Segera lakukan titrasi dengan larutan standar EDTA hingga larutan yang berwarna merah berubah menjadi biru terang (tanpa warna ungu). Titrasi harus dilakukan dengan cepat (namun hati-hati) sebab amonia akan menguap selama titrasi sehingga pH larutan akan berubah (gunakan masker selama titrasi). Secara umum, semakin cepat titrasi itu dilakukan, semakin baik hasil yang diperoleh asalkan titik akhir tidak terlampaui.

2. Lakukan titrasi ini duplo. Untuk titrasi yang kedua, titrasi dapat dilakukan dengan cepat hingga 1-2 mL sebelum titik akhir titrasi, setelah itu lakukan titrasi dengan perlahan (setetes demi setetes) hingga mencapai titik akhir titrasi.

3. Hitunglah konsentrasi larutan standar EDTA.

G. Pengendapan Ion Kalsium

1. Pipet 25 mL sampel air Anda ke dalam gelas kimia 250 mL, tambahkan 1 mL larutan H2C2O4 untuk mengendapkan seluruh ion kalsium yang ada di dalam sampel air Anda. Aduk larutan Anda dengan hati-hati. Biarkan pengendapan berlangsung selama 45 menit untuk memastikan semua ion kalsium telah diendapkan.

2. Ulangi langkah pertama sebanyak 2 kali lagi. Jadi Anda akan memiliki 3 buah gelas kimia yang mengandung sampel air yang ion Ca2+ nya telah diendapkan.

H. Pembuatan Larutan Blanko untuk Titrasi Penentuan Kadar Total Ca2+dan Mg2+

1. Pipet 20 mL akuades, 3 mL buffer pH 10, dan 6 tetes Eriochrome Black T ke dalam labu erlenmeyer 250 mL. Larutan ini seharusnya berwarna biru, bukan ungu ataupun merah kebiruan. Bila tidak biru, berarti akuades yang Anda gunakan mengandung sejumlah ion Ca2+ atau Mg2+ yang akan mengganggu ketelitian analisa volumetri kita.

2. Lakukan titrasi dengan larutan EDTA sampai warna larutan berubah menjadi biru (mungkin proses ini hanya perlu beberapa tetes EDTA). Catat volume EDTA yang Anda gunakan. Hitung konsentrasi total Ca2+

dan Mg2+ yang ada dalam air akuades Anda. Konsentrasi ini harus Anda perhitungkan di setiap titrasi yang Anda lakukan, untuk mengatasi kesalahan yang ditimbulkan akibat adanya ion Ca2+ dan Mg2+ dalam akuades yang Anda gunakan.

3. Simpan larutan ini dan gunakan sebagai standar warna untuk menentukan titik akhir dari setiap titrasi yang Anda lakukan. Bila sejak awal larutan Anda sudah berwarna biru, Anda dapat melewati langkah H ini, dan langsung mengerjakan langkah I. 7 | P E N E N T U A N K A D A R C a & M g D A L A M A I R M I N U M

I. Penentuan kadar total Mg2+ dan Ca2+

1. Pipet 25 mL sampel air, 20 mL akuades, 3 mL buffer pH 10, dan 6 tetes Eriochrome Black T ke dalam labu erlenmeyer 250 mL. Aduk hingga semuanya larut dengan baik.

2. Titrasi sampel dengan menggunakan larutan standar EDTA hingga warna larutan berubah dari merah menjadi biru (titik akhir titrasi) seperti warna larutan blanko yang telah Anda buat pada langkah H. Catat volume EDTA yang Anda gunakan.

3. Lakukan titrasi ini duplo.

J. Penentuan Kadar Mg2+

1. Saring masing-masing larutan yang telah Anda siapkan pada langkah G dengan corong Buchner dan pompa vakum. Bilas endapan yang diperoleh dengan akuades seperlunya. Larutan hasil filtrasi yang berada dalam labu hisap selanjutnya dititrasi.

2. Tambahkan 20 mL akuades, 3 mL buffer pH 10, dan 3 tetes Eriochrome Black T ke dalam labu hisap. Aduk hingga semuanya larut dengan baik.

3. Titrasi sampel dengan menggunakan larutan standar EDTA hingga warna larutan berubah dari merah menjadi biru (titik akhir titrasi) seperti warna larutan blanko yang telah Anda buat pada langkah H. Catat volume EDTA yang Anda gunakan. 4. Lakukan titrasi ini duplo.

5. Hitunglah kadar Ca2+ dan Mg2+ yang ada di dalam sampel air Anda.

Tugas Awal Praktikum: 1. a) Apa yang dimaksud dengan air sadah? Air sadah atau air keras adalah air yang memiliki kadar mineral yang tinggi.

Air sadah tidak begitu berbahaya untuk diminum, namun dapat menyebabkan beberapa masalah. Air

sadah dapat menyebabkan pengendapan mineral, yang menyumbat saluran pipa dan keran. Air

sadah juga menyebabkan pemborosan sabun di rumah tangga, dan air sadah yang bercampur sabun

tidak dapat membentuk busa, tetapi malah membentuk gumpalan soap scum (sampah sabun) yang

sukar dihilangkan. Efek ini timbul karena ion 2+ menghancurkan sifat surfaktan dari sabun dengan

membentuk endapan padat (sampah sabun tersebut). Komponen utama dari sampah tersebut adalah

kalsium stearat, yang muncul dari stearat natrium, komponen utama dari sabun:

2 C17H35COO- + Ca2+ → (C17H35COO)2Ca

Dalam industri, kesadahan air yang digunakan diawasi dengan ketat untuk mencegah kerugian.

Pada industri yang menggunakan ketel uap, air yang digunakan harus terbebas dari kesadahan.

Hal ini dikarenakan kalsium dan magnesium karbonat cenderung mengendap pada permukaan

pipa dan permukaan penukar panas. Presipitasi (pembentukan padatan tak larut) ini terutama

disebabkan oleh dekomposisi termal ion bikarbonat, tetapi bisa juga terjadi sampai batas tertentu

walaupun tanpa adanya ion tersebut. Penumpukan endapan ini dapat mengakibatkan

terhambatnya aliran air di dalam pipa. Dalam ketel uap, endapan mengganggu aliran panas ke

dalam air, mengurangi efisiensi pemanasan dan memungkinkan komponen logam ketel uap

terlalu panas. Dalam sistem bertekanan, panas berlebih ini dapat menyebabkan kegagalan ketel

uap. Kerusakan yang disebabkan oleh endapan kalsium karbonat bervariasi tergantung pada

bentuk kristal, misalnya, kalsit atau aragonit.

b) Apakah penentuan kesadahan air yang dilakukan dalam percobaan ini termasuk penentuan kesadahan sementara atau kesadahan pemanen? Jelaskan.

Penentuan kesadahan tetap, karena memerlukan reaksi kimia untuk menghilangkan kesadahan

airnya.

Air sadah digolongkan menjadi dua jenis, berdasarkan jenis anion yang diikat oleh kation (Ca2+ atau

Mg2+), yaitu air sadah sementara dan air sadah tetap.

Air sadah sementara[sunting | sunting sumber]

Air sadah sementara adalah air sadah yang mengandung ion bikarbonat (HCO3-), atau boleh jadi air

tersebut mengandung senyawa kalsium bikarbonat (Ca(HCO3)2) dan atau magnesium bikarbonat

(Mg(HCO3)2). Air yang mengandung ion atau senyawa-senyawa tersebut disebut air sadah sementara

karena kesadahannya dapat dihilangkan dengan pemanasan air, sehingga air tersebut terbebas dari

ion Ca2+ dan atau Mg2+. Dengan jalan pemanasan senyawa-senyawa tersebut akan mengendap pada

dasar ketel. Reaksi yang terjadi adalah:

Ca(HCO3)2 (aq) –> CaCO3 (s) + H2O (l) + CO2 (g)

Air sadah tetap[sunting | sunting sumber]

Air sadah tetap adalah air sadah yang mengadung anion selain ion bikarbonat, misalnya dapat

berupa ion Cl-, NO3- dan SO4

2-. Berarti senyawa yang terlarut boleh jadi berupa kalsium klorida

(CaCl2), kalsium nitrat (Ca(NO3)2), kalsium sulfat (CaSO4), magnesium klorida (MgCl2), magnesium

nitrat (Mg(NO3)2), dan magnesium sulfat (MgSO4). Air yang mengandung senyawa-senyawa

tersebut disebut air sadah tetap, karena kesadahannya tidak bisa dihilangkan hanya dengan cara

pemanasan. Untuk membebaskan air tersebut dari kesadahan, harus dilakukan dengan

cara kimia, yaitu dengan mereaksikan air tersebut dengan zat-zat kimia tertentu. Pereaksi yang

digunakan adalah larutan karbonat, yaitu Na2CO3 (aq) atau K2CO3 (aq). Penambahan larutan

karbonat dimaksudkan untuk mengendapkan ion Ca2+ dan atau Mg2+.

CaCl2 (aq) + Na2CO3 (aq) –> CaCO3 (s) + 2NaCl (aq)

Mg(NO3)2 (aq) + K2CO3 (aq) –> MgCO3 (s) + 2KNO3 (aq)

Dengan terbentuknya endapan CaCO3 atau MgCO3 berarti air tersebut telah terbebas dari

ion Ca2+ atau Mg2+ atau dengan kata lain air tersebut telah terbebas dari kesadahan.

2. a) Gambarkan bentuk geometri senyawa kompleks [Ca(EDTA)]2-.

b) Gambarkan struktur molekul indikator Eriochrome Black-T. 3. Perubahan warna apa yang akan Anda amati selama titrasi dalam percobaan ini. Jelaskan mengapa demikian.

4. Jelaskan bagaimana Anda dapat menentukan konsentrasi ion Ca2+ dan Mg2+ dalam sampel air minum Anda di dalam percobaan ini.

5. a) Seorang siswa menyiapkan larutan standar EDTA dengan cara melarutkan 0.5946 gram Na2H2EDTA.2H2O (massa molarnya 372.24 gram/mol) ke dalam air hingga volumenya 500 mL. Berapakah konsentrasi larutan standar EDTA ini? 8 | P E N E N T U A N K A D A R C a & M g D A L A M A I R M I N U M

b) Seorang siswa mentitrasi 50 mL sampel air dengan larutan EDTA 0.003125 M. Bila titrasi itu membutuhkan 34.64 mL larutan EDTA untuk mencapai titik akhir, berapakah konsentrasi total ion Mg2+

dan Ca2+ yang ada di dalam sampel air tersebut (molar)? c) Bila siswa yang sama kemudian menambahkan larutan jenuh natrium oksalat ke dalam 50 mL larutan sampel air yang sama (dengan pertanyaan nomor 5b); lalu, setelah seluruh endapan disaring, larutan hasil filtrasi yang diperoleh kemudian dititrasi dengan EDTA, titrasi ini ternyata membutuhkan 23.67 mL larutan EDTA. Tentukan konsentrasi masing-masing ion Ca2+ dan Mg2+ yang ada di dalam sampel air tersebut. Kemudian, nyatakan tingkat kesadahan total sampel air ini dalam miligram CaCO3 per liter air. Tugas Akhir Praktikum (Laporan) 1. Tuliskan persamaan ion bersih reaksi pengendapan Ca2+ sehingga Anda dapat menentukan kadar ion Mg2+ yang ada di dalam larutan. Jelaskan mengapa Ca2+ mengendap sedangkan Mg2+ tidak mengendap.

2. Hitunglah konsentrasi Ca2+ dan Mg2+ yang ada di dalam sampel air minum kemasan Anda dan bandingkan hasil yang Anda peroleh dengan nilai yang tertera pada kemasan air minum Anda.

3. Dua buah indikator: A dan B, akan digunakan dalam titrasi EDTA untuk menentukan konsentrasi Mg2+. Tetapan pembentukan (Kf) untuk kompleks indikator-Mg2+ adalah: 2.34 x 105 untuk indikator A dan 1.76 x 109 untuk indikator B. Tetapan pembentukan kompleks EDTA-Mg2+ adalah 6.17 x 108. Indikator manakah yang dapat digunakan? Jelaskan.