Estimasi Ketidakpastian Pengukuran ph Larutan Bufer Sitrat Menggunakan Elektroda Gelas Dengan Metode Dua Titik Kalibrasi

Transkripsi

1 Estimasi Ketidakpastian Pengukuran ph Larutan Bufer Sitrat Menggunakan Elektroda Gelas Dengan Metode Dua Titik Kalibrasi Ayu Hindayani Laboratorium Metrologi Kimia (LMK), Pusat Penelitian Metrologi-Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (P2M-LIPI), Gedung 456, Kawasan PUSPIPTEK, Serpong 15314, Tangerang Selatan, Banten ABSTRAK Pengukuran ph merupakan salah satu pengukuran kuantitatif yang paling sering dilakukan dalam analisis kimia. Berbagai bidang seperti industri, pangan, lingkungan, pertanian serta penelitian dipengaruhi oleh hasil pengukuran ph. Salah satu kualitas hasil pengukuran ph dapat dilihat dari nilai ph yang dilengkapi dengan pernyataan ketidakpastian pengukurannya. Dalam makalah ini akan dibahas mengenai penentuan nilai ph larutan bufer sitrat menggunakan elektroda gelas dengan metode dua titik kalibrasi beserta estimasi ketidakpastiannya. Sumber-sumber ketidakpastian pengukuran ph yang berkontribusi diidentifikasi dan dihitung ketidakpastian bakunya untuk menentukan ketidakpastian diperluas. Berdasarkan hasil perhitungan, diperoleh nilai ph larutan bufer sitrat 4,91 dengan ketidakpastian diperluas sebesar 0,0246 dengan. Kata kunci:dua titik kalibrasi, ketidakpastian, ph PENDAHULUAN ph didefinisikan sebagai nilai dari -log a H yang melibatkan jumlah ion tunggal dan aktivitas hidrogen 1. Pengukuran ph banyak digunakan pada berbagai bidang, seperti pertanian, pengolahan limbah, proses industri, monitoring lingkungan serta penelitian. Hasil pengukuran ph menjadi salah satu parameter penting yang dapat dijadikan dasar pengambilan suatu keputusan. Oleh sebab itu, hasil pengukuran ph yang benar dan akurat menjadi sangat penting dilakukan. Salah satu kualitas hasil pengukuran ph dapat dilihat dari pernyataan ketidakpastian pengukurannya, karena suatu pengukuran belum dikatakan lengkap tanpa pernyataan ketidakpastiannya 2. Sebenarnya, hasil pengukuran ph merupakan perkiraan dari nilai benar yang tidak diketahui secara pasti karena dipengaruhi banyak hal dalam proses pengukurannya 3. Hal inilah yang berkontribusi dalam estimasi ketidakpastian pengukuran ph. Ketidakpastian pengukuran bukanlah menyatakan keraguan atas hasil pengukuran yang didapatkan, namun menjadi peningkatan kepercayaan seberapa absah hasil pengukuran yang dilakukan. Ketidakpastian merupakan bagian penting dalam pengukuran, karena dalam suatu pengukuran terdapat banyak faktor yang mempengaruhi ketidaktepatan pengukuran. Ketidakpastian pengukuran dapat berasal dari alat, bahan yang diukur, lingkungan, analis serta sumber lainnya. Berdasarkan VIM (International Vocabulary of Metrology), ketidakpastian adalah suatu parameter non-negatif yang menggambarkan sebaran nilai kuantitatif suatu hasil pengukuran 4. Ketidakpastian juga diartikan sebagai bagian dari setiap nilai yang diukur dan spesifikasi ketidakpastian merupakan bagian dari setiap prosedur analitis 5. Ketidakpastian pengukuran juga merupakan salah satu persyaratan akreditasi ISO/IEC dalam butir 5.4.6, dimana laboratorium kalibrasi atau laboratorium pengujian yang melakukan kalibrasi sendiri harus mempunyai dan menetapkan prosedur untuk mengestimasi ketidakpastian pengukuran untuk semua kalibrasi 6. Ketidakpastian pengukuran ph diestimasi berdasarkan metode yang digunakan. Pada umumnya, pengukuran ph yang biasa dilakukan oleh laboratorium adalah metode potensiometri menggunakan elektroda gelas. Elektroda gelas pada ph 1

2 meter harus dikalibrasi secara rutin menggunakan larutan standar bufer yang tertelusur agar didapatkan hasil pengukuran yang valid dan dapat diakui secara internasional, sehingga dapat dijadikan dasar pengambilan keputusan. Tujuan dilakukan kalibrasi elektroda gelas yaitu melihat linearitas respon elektroda pada nilai ph yang berbeda serta untuk mendeteksi kerusakan pada elektroda dengan melihat slope elektrodanya 7. ph meter dapat dikatakan memiliki kinerja yang baik apabila memiliki slope antara % dan potensial asimetrik pada ph 7 bernilai maksimal +15 mv 8. Namun hal ini bergantung pada ph meter yang digunakan, karena ph meter memiliki spesifikasinya masing-masing. Larutan standar bufer yang digunakan untuk kalibrasi elektroda gelas harus memiliki kualitas yang baik karena akan mempengaruhi hasil kalibrasi dan juga ketidakpastiannya 9. Berdasarkan jumlah larutan standar bufer yang digunakan, terdapat tida macam jenis kalibrasi, yaitu satu titik (single point), dua titik (two point), dan banyak titik (multi point) 1. Satu titik kalibrasi menggunakan satu buah larutan standar bufer untuk kalibrasi. Pada prosedur kalibrasi ini akan didapatkan hasil yang kurang akurat karena memiliki target ketidakpastian yang besar, yaitu 0,3 dengan k=2 pada 25 C 1. Kalibrasi ini digunakan ketika tidak diperlukan ketidakpastian yang kecil 10 dan untuk menentukan perkiraan sementara nilai ph larutan sampel sebelum dilakukan pengukuran lebih tepat dengan dua titik kalibrasi atau banyak titik 11. Dua titik kalibrasi atau disebut juga bracketing prosedur menggunakan dua buah larutan standar bufer yang mengapit nilai ph larutan sampel yang diukur dengan target ketidakpastian sebesar 0,02-0,03 dengan k=2 pada 25 C 10. Sedangkan kalibrasi banyak titik menggunakan lima buah larutan standar bufer untuk kalibrasi. Metode ini sangat direkomendasikan ketika dibutuhkan ketidakpastian yang kecil, yaitu 0,01-0,03 dengan k=2 pada 25 C 10. Dari ketiga macam jenis kalibrasi, dua titik kalibrasi merupakan prosedur yang paling umum digunakan karena memiliki metode yang lebih sederhana, lebih akurat dibandingkan kalibrasi satu titik dan lebih menguntungkan untuk nilai ph di daerah non-linear, karena larutan standar bufer yang dipilih memiliki nilai ph yang sedekat mungkin dengan nilai ph sampel 10. Pada prosedur ini, ketika elektroda gelas dicelupkan ke dalam larutan standar bufer ke-1, larutan standar bufer ke-2 dan larutan sampel akan didapatkan potensial listrik terukur untuk masing-masing, yaitu, dan. Persamaan yang digunakan untuk menentukan nilai ph larutan sampel digambarkan pada persamaan (1) 12., * + * +- (1) dimana dan adalah koefisien temperatur untuk larutan bufer standar ph yang dapat dilihat pada Tabel1. Tabel 1. Koefisien temperatur larutan bufer standar ph 1 Molalitas Koefisien Larutan bufer Rumus Molekular (mol/kg) temperatur (K -1 ) Tetraoksalat KH 3 C 4 O 8 2H 2 O 0,05 +0,001 Tartrat KHC 4 H 4 O 6 0,0341 (jenuh) -0,0014 Sitrat KH 2 C 6 H 5 O 7 0,05-0,0022 Ftalat KHC 8 H 4 O 4 0,05 +0,00012 Na Fosfat 2 HPO 4, 0,025-0,0028 KH 2 PO 4 0,025 Boraks Na 2 B 4 O 7 10H 2 O 0,01-0,0082 NaHCO Karbonat 3 0,025-0,0096 Na 2 CO 3 0,025 Kalsium Hidroksida Ca(OH) 2 0,0203-0,033 2

3 Pada umumnya, laboratorium melakukan pengukuran ph pada suhu 25 C (298,15 o K), sehingga persamaan (1) akan menjadi lebih sederhana, yaitu: (2) Dimana (3) Potensial listrik terukur dari larutan bufer standar dan sampel pada penentuan nilai ph dilakukan secara paralel, seri, longterm (pembacaan setiap 15 menit) dan shortterm (pembacaan yang dilakukan sebanyak 10 kali selama 5 menit). Pengukuran secara paralel adalah mengukur potensial listrik pada satu batch larutan uji dengan cara mengukur potensial listrik kemudian mengambil kembali larutan uji yang baru dalam batch yang sama dan diukur potensialnya sebanyak 10 kali pengambilan bahan uji dan pembacaan potensial listrik. Sedangkan pengukuran seri yaitu mengukur potensial listrik sebanyak 10 kali pembacaan untuk satu larutan yang sama (tidak diganti-ganti) 13. Pada saat estimasi ketidakpastian pengukuran ph, hal yang harus dilakukan yaitu mengidentifikasi semua komponen yang dapat berkontribusi pada saat pengukuran. Berdasarkan Eurachem/Citac Guide CGC 4, estimasti ketidakpastian terdiri dari 4 langkah, yaitu 14 : 1. Spesifikasi kuantitas yang diukur. Meliputi model pengujian, rumus/formula perhitungan atau data percobaan. Dalam hal ini kuantitas yang diukur adalah ph larutan bufer sitrat pada suhu 25 C. 2. Identifikasi sumber-sumber ketidakpastian. Meliputi sumber-sumber ketidakpastian yang mungkin berkontribusi dalam ketidakpastian. Kemudian sumber-sumber tersebut dievaluasi statistiknya menggunakan tipe A untuk mengevaluasi efek random yang meliputi efek personel (pengulangan penimbangan, pemipetan, pengukuran dengan alat), kinerja alat (presisi hasil pengukuran), kinerja metode. Sedangkan tipe B digunakan untuk mengevaluasi efek random dan bias yang meliputi nilai acuan dari standar (bahan acuan), hasil kalibrasi alat dan variasi suhu ruang yang berasal dari sertifikat 15. Setelah semua sumber ketidakpastian pengukuran ph diidentifikasi, langkah selanjutnya adalah menentukan koefisien sensitifitas dari masing-masing sumber ketidakpastian. Koefisien sensitifitas mengkonversikan semua sumber ketidakpastian ke dalam satuan yang sama dengan satuan besaran ukur. Koefisien sensitifitas juga berperan dalam memberikan skala fungsi pembobot untuk setiap sumber ketidakpastian yang menjelaskan bagaimana taksiran keluaran bervariasi dengan perubahan nilai taksiran masukan. Evaluasi koefisien sensitifitas dilakukan berdasarkan turunan parsial dari persamaan model matematisnya 16. Perhitungan koefisien sensitifitas pada pengukuran ph dengan metode dua titik kalibrasi menggunakan persamaan umum ph x pada persamaan (1), sehingga didapat persamaan berikut untuk masing-masing parameter:,( - (4) (5), * + * +- (6), * + * +- (7) 3

4 , * + * +- (8) (9) 3. Kuantifikasi komponen ketidakpastian.meliputi estimasi ketidakpastian baku setiap komponen terlihat pada Tabel 2. Tabel 2. Estimasi ketidakpastian baku setiap komponen pada pengukuran ph dengan metode dua titik kalibrasi Sumber ketidakpastian Nilai ketidakpastian baku Evaluasi Tipe Sertifikat kalibrasi larutan standar bufer Pengukuran potensial listrik larutan Resolusi pengukuran potensial listrik di ph meter Resolusi pengukuran suhu di ph meter Dimana adalah ketidakpastian diperluas larutan standar bufer, dan adalah faktor cakupan untuk paralel untuk seri, longterm dan shorttem adalah simpangan baku pengukuran adalah resolusi pengukuran potensial listrik adalah resolusi pengukuran suhu (10) (11) B A (13) (14) B B Ketidakpastian baku untuk pengukuran potensial listrik, diperoleh dari ketidakpastian baku pengukuran secara paralel, seri, longterm, shortterm, serta resolusi ph meter yang digambarkan pada persamaan (15). (15) 4. Menghitung ketidakpastian gabungan. Ketidakpastian gabungan bernilai sama dengan akar kuadrat positif dari jumlah masing-masing ketidakpastian baku setiap komponen yang digambarkan pada persamaan (16). (16) Dimana adalah ketidakpastian baku dari masing-masing sumber ketidakpastian, dan adalah koefisien sensitifitas masing-masing sumber ketidakpastian. Setelah itu ketidakpastian diperluas dihitung dengan mengalikan ketidakpastian gabungan dengan faktor cakupan yang terlihat pada persamaan (17). 4 (17)

5 METODE PERCOBAAN Larutan bufer sitrat dalam makalah ini terbuat dari campuran larutan asam sitrat dan larutan natrium hidroksida. Larutan asam sitrat dibuat dengan melarutkan asam sitrat (C 6 H 8 O 7 ) kualitas p.a (Merck) sebanyak 40,032 g dengan air demineral hingga volumenya mencapai 2 L. Kemudian larutan natrium hidroksida dibuat dengan melarutkan natrium hidroksida (NaOH) kualitas p.a (Merck) sebanyak 16,054 g dengan air demineral hingga volumenya mencapai 2 L. Kedua larutan tersebut (asam sitrat dan natrium hidroksida) dicampurkan dalam botol nalgene 10 L dan dilakukan proses homogenisasi selama satu malam. Selanjutnya larutan bufer sitrat diukur potensial listriknya dengan elektroda gelas menggunakan dua titik kalibrasi pada suhu 25 C, kemudian dihitung nilai ph nya menggunakan persamaan (2) serta dilakukan estimasi ketidakpastiannya. HASIL DAN PEMBAHASAN Larutan bufer sitrat yang telah dibuat diukur potensial listriknya dengan elekroda gelas yang dikalibrasi dengan dua titik kalibrasi menggunakan larutan standar bufer fosfat ( dan ) dan larutan standar bufer ftalat ( dan ). Kedua larutan standar beserta sampel diukur potensial listriknya sebanyak sepuluh (10) kali dan didapatkan hasil pengukuran yang terlihat pada Tabel 3. Tabel 3. Hasil pengukuran potensial listrik, dan Potensial bufer Potensial bufer Potensial bufer fosfat ftalat sitrat 1-0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,1000-0,0139 0,1528 0,1000 SD 9,7183E-05 SD 4,8305E-05 SD 6,7495E-05 Nilai dihitung dengan persamaan (2) dan (3) seperti berikut: Dimana Maka: 5

6 Dari 10 kali hasil pengukuran, didapatkan nilai ph larutan bufer sitrat adalah 4,91. Kemudian estimasi ketidakpastiannya adalah sebagai berikut: Nilai sertifikat untuk ketidakpastian diperluas larutan standar bufer fosfat adalah dengan, sehingga nilai ketidakpastian bakunya dihitung dengan persamaan (10), yaitu. Kemudian nilai sertifikat untuk ketidakpastian diperluas larutan standar bufer ftalat adalah dengan, sehingga ketidakpastian bakunya dihitung dengan persamaan (10), yaitu. Pengukuran potensial listrik dengan resolusi ph meter yang digunakan 0,0001, sehingga ketidakpastian baku dihitung dengan persamaan (13), yaitu. Pengukuran potensial dilakukan dengan pembacaan paralel, seri, longterm dan shorterm yang diperlihatkan pada Tabel 4. Tabel 4. Pengukuran potensial listrik larutan bufer standar fosfat Paralel Longterm Shortterm Seri 1-0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,0139 SD 9,66E-05 SD 5,68E-05 SD 3,39E-04 SD 9,72E-05-0,0152-0,0148-0,0134-0,0140 3,06E-05 5,68E-05 3,39E-04 9,72E-05 Dari data diatas didapatkan rata-rata nilai potensial listrik adalah Kemudian, nilai ketidakpastian baku menggunakan persamaan (15) yaitu: 6

7 Pengukuran potensial listrik dengan resolusi ph meter yang digunakan 0,0001, sehingga ketidakpastian baku dihitung dengan persamaan (13), yaitu. Pengukuran potensial dilakukan dengan pembacaan paralel, seri, longterm dan shorterm yang diperlihatkan pada Tabel 5. Tabel 5. Pengukuran potensial listrik larutan bufer standar ftalat Paralel Seri Longterm Shorterm 1 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,1528 0,1515 0,1520 0,1534 0,1528 SD 4,83E-05 SD 1,97E-04 SD 4,4E-04 SD 4,83E-05 (11) 1,53E-05 1,97E-04 4,4E-04 4,83E-05 Dari data diatas didapatkan rata-rata nilai potensial listrik adalah Kemudian, nilai ketidakpastian baku menggunakan persamaan (15) yaitu: Pengukuran potensial listrik larutan bufer sitrat dengan resolusi ph meter yang digunakan 0,0001, sehingga ketidakpastian baku dihitung dengan persamaan (13), yaitu. Pengukuran potensial dilakukan dengan pembacaan paralel, seri, longterm dan shorterm yang diperlihatkan pada Tabel 6. 7

8 Tabel 6. Pengukuran potensial listrik larutan bufer sitrat Paralel Longterm Shorterm Seri 1 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,1000 0,0982 0,0991 0,0998 0,1000 SD 1,08E-04 SD 4,22E-05 SD 1,55E-04 SD 6,75E-05 (11) 3,42E-05 4,22E-05 1,55E-04 6,75E-05 Dari data diatas didapatkan rata-rata nilai potensial listrik adalah Kemudian, nilai ketidakpastian baku menggunakan persamaan (15) yaitu: Salah satu kontribusi ketidakpastian dalam ph meter yang tidak dapat diukur adalah residualliquid junction potential (RLJP). Kontribusi ini disebabkan oleh difusi potensial dalam liquid junction dari elektroda yang tidak sama untuk semua larutan. Residual liquid junction potential sangat penting dalam ketidakpastian pengukuran ph 17, yaitu menghitung perbedaan junction potential antara larutan standar bufer untuk kalibrasi dan larutan sampel. Berdasarkan BIPM dan ISO panduan ketidakpastian pengukuran, residual liquid junction potential sebagai efek sistematis harus dikoreksi dan ketidakpastian koreksi harus dimasukkan dalam perhitungan ketidakpastian. Meskipun sangat sulit (atau tidak mungkin) dikoreksi, karena membutuhkan pengetahuan mengenai komposisi sampel dan geometri liquid junction. Oleh sebab itu IUPAC Recommendations 2002 mengatakan ketidakpastian baku RLJP adalah dengan koefisien sensitifitas 1. Resolusi pengukuran suhu di ph meter yaitu 0,1, sehingga ketidakpastian bakunya dihitung dengan persamaan (14), yaitu. 8

9 Tahap selanjutnya adalah menghitung koefisien sensitifitas untuk masing-masing parameter sesuai persamaan (4-9). a. [ ] [ ] b. c. ( ) 0 d. ( ) 9

10 e. f. Sehingga diperoleh ketidakpastian gabungan pengukuran ph larutan bufer sitrat yang terlihat pada Tabel 7. Sumber Tabel 7. Perhitungan ketidakpastian larutan bufer sitrat dengan dua titik kalibrasi Unit Ketidakpastian Baku Koefisien Sensitivitas (c) Unit Koefisien Sensitivitas V 1/V V 1/V V 1/V E RLJP V 1/V T K 1/K (16) (17) Ketidakpastian relatif Dari hasil perhitungan ketidakpastian diperluas, didapatkan ketidakpastian diperluas untuk larutan bufer sitrat adalah 0,0246 dengan pada tingkat kepercayaan 95%. Nilai ketidakpastian ini sesuai seperti dalam IUPAC recommendation untuk pengukuran ph dengan 2 titik kalibrasi

11 KESIMPULAN Hasil pengukuran ph larutan bufer sitrat menggunakan elektroda gelas dengan dua titik kalibrasi menghasilkan nilai 4,91+0,0246. DAFTAR PUSTAKA 1. R. P. Buck, S. Rondinini, A. K. Covington, F. G. K. Baucke, C. M. A. Brett, M. F. Camões, M. J. T. Milton, T. Mussini, R. Naumann, K. W. Pratt, P. Spitzer, Wilson, G. S. Measurement of ph. Definition, Standards, and Procedures. Pure Appl. Chem. 2002, 74, J. L. Love. Chemical Metrology, Chemistry AndThe Uncertainty Of Chemical Measurements. Accred Qual Assur 2002, 7, G. Meinrath, P. Spitzer. Uncertainties in Determination of ph. Mikrochim. Acta 2000, 135, V. J. Barwick, E. Prichard. Eurachem Guide: Terminology in Analytical Measurement Introduction to VIM R.Degner. Measurement Uncertainty In The ph Measurement Procedure. Anal Bioanal Chem 2002, 374, Panitia Teknis PK Lembaga Penilaian Kesesuaian. SNI ISO/IEC 17025:2008 Persyaratan Umum Kompetensi Laboratorium Pengujian dan Laboratorium Kalibrasi WHO. The International Pharmacopoeia-Sixth Edition, Determination of ph E. Kardash, I. Kuselman. Calibration of ph meters and glass electrodes at the National Physical Laboratory of Israel. INPL Report I. Ekeltchik, E. Kardash-Strochkova, O, Dreazen, I. Kuselman. Influence Of Buffer Quality On ph Measurement Uncertainty: Prediction And Experimental Evaluation. Accred Qual Assur 2002, 7, F. G. K. Baucke,. New IUPAC Recommendations On The Measurement Of ph Background And Essentials. Anal Bioanal Chem 2002, 374, P. Spitzer, K. W.Pratt. The History and Development of a Rigorous Metrological Basis for ph Measurements. J Solid State Electrochem 2011, 16, Susumu Nakamura, et.al. APMP.QM-P09 ph Measurement Study in APMP. NMIJ-Japan Report Sujarwo. Technical Note 01-EM Metrology in Chemistry Laboratory-LIPI S. L. R. Ellison; Williams, A. Quantifying Uncertainty in Analytical Measurement-Third Edition. EURACHEM/CITAC Guide CG Sumardi; Elishian, a. C. Prinsip Dasar Estimasi Ketidakpastian Pengukuran/Pengujian. Materi Training Ketidakpastian. 16. KAN. Pedoman Evaluasi dan Pelaporan Ketidakpastian Pengukuran G. Schmitz. The Uncertainty of ph. J Chem Educ 1994, 71. Tentang penulis Ayu Hindayani, S.Si. Lahir di Cilegon, tanggal 16 Juli Menyelesaikan pendidikan Sarjana Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam di Universitas Gadjah Mada. Sejak tahun 2014, memulai karir sebagai peneliti di Laboratorium Elektrokimia, metrologi kimia-lipi. Saat ini terlibat dalam penelitian untuk pengembangan metode pengukuran sekunder untuk ph dan daya hantar listrik, pengembangan bahan acuan bersertifikat, serta penyelenggaraan program uji profisiensi. Pernah mengikuti Global Metrology Academy (GMA) Course of Metrology in Chemistry yang diselenggarakan oleh KRISS pada 21 Maret-1 April 2016 di Korea serta workshop uji profisiensi di Bangkok pada Oktober