Pembahasan OSN Kimia 2020 Essay 10

Soal

Kesetimbangan Asam Basa dan Kelarutan (33 Poin)

Dipeptida alanin-asam aspartat (AD) merupakan fragmen dari protein spike virus SARS-CoV-2. Berikut adalah struktur dipeptida tersebut:

Inaktivasi dipeptida AD terjadi pada saat muatan totalnya bernilai 0.

a. Gambarkan struktur spesi yang dominan pada pH 7. [2 poin]

b. Apabila dipeptida AD tersebut dituliskan sebagai H3X, tentukan konsentrasi X3- dalam larutan H3X 0.01 M. [6 poin]

c. Tentukan pH larutan pada subsoal (b). [2 poin]

d. Tentukan nilai pH saat terjadi inaktivasi. [3 poin]

e. Sebanyak 0.5 mL larutan disinfektan NaOCl (10% b/v) ditambahkan ke dalam 0.5 mL larutan dipeptida AD 0.01 M. Tentukan apakah dipeptida mengalami inaktivasi akibat penambahan disinfektan tersebut. Buktikan dengan perhitungan. (${K_a \, HOCl = 3 \times 10^{-8}}$) [7 poin]

Hidroksida timbal, Pb(OH)2 memiliki kelarutan yang sangat kecil di dalam air (${K_{sp} = 4 \times 10^{-15}}$), sehingga akan membentuk suspensi jika ditambahkan ke dalam air. Penambahan amonium klorida, NH4NO3 ke dalam suspensi Pb(OH)2 menyebabkan sebagian Pb(OH)2 terlarut. Diketahui ${K_{b\,NH_3} = 1.8 \times 10^{-5}}$.

f. Tuliskan persamaan reaksi untuk semua kesetimbangan yang terjadi di dalam suspensi Pb(OH)2 setelah ditambahkan NH4NO3. [3 poin]

g. Berapa massa (dalam gram) NH4NO3 yang harus ditambahkan ke dalam 1.0 liter suspensi Pb(OH)2 agar $1.0 \times 10^{-3}$ mol Pb(OH)2 terlarut? [6 poin]

h. Berapa pH larutan ketika $1.0 \times 10^{-3}$ mol Pb(OH)2 terlarut akibat penambahan NH4NO3 tersebut? [4 poin]

Pembahasan

a. Setiap gugus yang bisa melepaskan proton dengan nilai pKa di bawah 7 akan melepaskan proton:

b dan c. Urutan kedua soal ini sedikit terbalik. Untuk mencari jawaban (b), kita perlu menentukan pH terlebih dahulu dengan persamaan charge balance:

$${[H^+] = [OH^-]+[H_2X^-] +2 [HX^{2-}] + 3 [X^{3-}]}$$

Karena dipeptida ini lumayan asam, dapat kita perkirakan bahwa:

$${[H^+] >> [OH^-], \,[X^{3-}],\, K_{a3}}$$

Sehingga:

$${[H^+] = \frac{(K_{a1} [H^+]^2 + 2\cdot K_{a1} K_{a2}[H^+])\cdot C_{o\,H_3X}}{[H^+]^3 + K_{a1}[H^+]^2 + K_{a1}K_{a2}[H^+]}}$$

Dapat kita susun persamaan pangkat tiga:

$${[H^+]^3 + K_{a1}[H^+]^2 + (K_{a1}K_{a2} – K_{a1} C_{o\,H_3X})[H^+] – 2 \cdot K_{a1}K_{a2} C_{o\,H_3X} = 0}$$

Dengan penyelesaian menggunakan kalkulator, kita dapatkan:

$${[H^+] = 2.80 \times 10^{-3} \Rightarrow pH = 2.55}$$

Sehingga kita bisa dapatkan konsentrasi spesi X3-:

$${[X^{3-}] = \frac{K_{a1}K_{a2}K_{a3}C_{o\,H_3X}}{[H^+]^3 + K_{a1}[H^+]^2 + K_{a1}K_{a2}[H^+] + K_{a1}K_{a2}K_{a3}} = 3.34 \times 10^{-10}\,M}$$

d. pH saat inaktivasi adalah saat titik isoelektrik (pI). Titik isoelektrik tercapai ketika satu dari dua gugus karboksilat terionisasi, sehingga:

$${pI = \frac{3 + 4}{2} = 3.5}$$

e. Pertama, kita cari dahulu konsentrasi NaOCl dan dipeptida awal setelah kedua larutan dicampurkan:

$${C_{o\,NaOCl} = \frac{0.5}{1} \frac{\frac{100\,g}{74.442\,g/mol}}{1\,L} = 0.672\,M}$$

$${C_{o\,H_3X} = \frac{0.5}{1} 0.01\,M = 0.005\,M}$$

Dari sini nampak bahwa ${C_{o\,NaOCl} >> C_{o\,H_3X}}$ sehingga bisa kita asumsikan bahwa pH hanya bergantung pada spesi-spesi NaOCl. Sebenarnya tanpa perhitungan pun kita bisa yakin bahwa nilai pH akan di atas 7, sehingga dipeptida ini tidak terinaktivasi.

Apabila kita masih ingin membuktikannya dengan perhitungan, kita bisa menyusun persamaan charge balance (atau menggunakan rumus hidrolisis!):

$${[Na^+] + [H^+] = [OCl^-] + [OH^-] + [H_2X^-] + 2 [HX^{2-}] + 3 [HX^{3-}]}$$

Kita tahu bahwa ${[Na^+] = C_{o\,NaOCl} = 0.672\,M}$, sehingga kita bisa perkirakan bahwa:

$${[Na^+] >> [H^+],\,[H_2X^-],\, [HX^{2-}],\,[X^{3-}]}$$

Sehingga bila spesi-spesi tersebut kita abaikan, bisa kita susun persamaan:

$${[Na^+] = C_{o\,NaOCl} = \frac{K_{a1\,HOCl} \cdot C_{o\,NaOCl}}{[H^+] + K_{a1\,HOCl}} + \frac{K_w}{[H^+]} }$$

$${\Rightarrow C_{o\,NaOCl}[H^+]^2 – K_w [H^+] – K_wK_{a1\,HOCl}= 0 \Rightarrow [H^+] = 2.11 \times 10^{-11} \Rightarrow pH = 10.7}$$

f. Penambahan ion ammonium akan menurunkan pH larutan sehingga konsentrasi OH berkurang, sehingga garam timbal hidroksida lebih mudah larut. Semua reaksinya:

$${\ce{Pb(OH)2(s) <=> Pb^2+(aq) + 2 OH-(aq)}\quad K_{sp} = 4 \times 10^{-15}}$$

$${\ce{NH4+(aq) + H2O(l) <=> H3O+(aq) + NH3(aq)}\quad K_a = \frac{K_w}{K_{b\,NH_3}}}$$

$${\ce{H3O+(aq) + OH-(aq) <=> 2 H2O(l)}\quad K_w = 10^{-14}}$$

g dan h. Sekali lagi kedua soal ini urutannya terbalik. Kita bisa dengan mudah mencari nilai pH terlebih dahulu karena kita tahu $[Pb^{2+}] = C_{o\,Pb(OH)_2}$:

$${K_{sp} = [OH^-]^2[Pb^{2+}] \Rightarrow [OH^-] = \sqrt{\frac{K_{sp}}{C_{o\,Pb(OH)_2}}} = 2 \times 10^{-6}}$$

Sehingga kita dapatkan ${[H^+] = 5 \times 10^{-9} \Rightarrow pH = 8.30}$. Untuk menentukan massa $\ce{NH4NO3}$, yang dilarutkan, kita bisa susun persamaan charge balance:

$${2 [Pb^{2+}] + [NH_4^+] + [H^+] = [OH^-] + [NO_3^-]}$$

Kita tahu bahwa ${C_{o\,NH_4NO_3} = [NO_3^-]}$ dan kita juga tahu bahwa ${Pb^{2+} >> [H^+],\,[OH^-]}$, sehingga:

$${2 \cdot C_{o\,Pb(OH)_2} + \frac{[H^+]C_{o\,NH_4NO_3}}{[H^+]+K_{a\,NH_4^+}} = C_{o\,NH_4NO_3}}$$

Sehingga:

$${C_{o\,NH_4NO_3} = \frac{2 \cdot C_{o\,Pb(OH)_2}([H^+] + K_{a\,NH_4^+})}{K_{a\,NH_4^+}} = 0.020\,M}$$

Sehingga, kita perlu menambahkan ${0.020\,mol/L \times 1\,L \times 80.043\,g/mol = 1.6\,g }$ senyawa NH4NO3.

Silahkan gunakan kolom komentar untuk bertanya atau mengoreksi pembahasan saya!

This Post Has 3 Comments

  1. Rahmat hidayat

    Ka terbitin pembahasan soal ksnp kimia 2020 .sekian terima kasih

  2. stephen

    kak untuk jawaban b, itu ka 1 ka 2 ka 3 nya diisi apa ya?

    1. Tepanaca

      Ka1 = 10^(-3), Ka2 = 10^(-4), dan Ka3 = 10^(-8).

Leave a Reply