k. wr ‘14

PEMISAHAN KATION DENGAN PENUKAR ION

TUJUAN PERCOBAAN

Untuk memisahkan nikel (II) dan zink (II) berdasarkan pada perbedaan kecenderungan

membentuk kompleks anion

DASAR TEORI

Pemisahan penukaran ion pada asasnya ialah pemisahan ion-ion berdasarkan pada

perbedaan muatan. Kumpulan muatan negatif atau positif terikat secara kovalen pada resin

untuk membentuk penukar kation atau penukar anion. Bila molekul sampel bermuatan

dibiarkan bersentuhan dengan penukar ion yang mempunyai muatan berlawanan, ia akan

terjerap oleh daya elektrostatik dan spesies dengan muatan yang sama akan terelusi (Sanagi,

1998).

Prinsip dasar pemisahan dengan kromatografi kolom penukar ion adalah perbedaan

kecepatan migrasi ion-ion di dalam kolom penukar ion. Proses pertukaran ion dikerjakan

dengan cara pembebanan ion-ion pada kolom penukar ion. Kemudian ion-ion yang terikat

dalam resin dialiri eluen yang mampu memberi kondisi keseimbangan yang berbeda.

Keseimbangan yang berbeda ini mengakibatkan kecepatan migrasi ion dalam kolom resin tidak

sama (Biyantoro, 2006).

Penyokong pepejal dalam kromatografi penukar ion dikenali sebagai resin. Kebanyakan

penyokong resin penukar ion sintetik ialah jenis polistirena-divinilbenzena (PS-DVB) yang dibuat

dengan cara pengkopolimeran stirena dengan divinilbenzena dalam bentuk emulsi butir-butir

halus dalam air (Sanagi, 1998).

Resin penukar kation merupakan polimer berbobot molekul tinggi yang terangkai silang

yang mengandung gugus-gugus sulfonat, karboksilat, fenolat, dan sebagainya sebagai suatu

bagian integral dari resin itu serta sejumlah kation yang ekivalen. Renis penukar anion adalah

polimer yang mengandung gugus-gugus amino (ammonium kuaterner) sebagai bagian integral

dari kisi polimer itu dan sejumlah ekivalen anion seperti ion klorida, hidroksil, atau sulfat

(Basset, 1998).

Resin dapat digunakan dalam suatu analisis jika resin itu cukup terangkai silang. Resin

cukup hidrofilik untuk memungkinkan difusi ion-ion melalui strukturnya dengan laju yang

terukur dan berguna. Resin juga harus mengandung cukup banyak gugus penukar ion yang

dapat dicapai dan harus stabil kimiawi (Harjadi, 1993).

Kesetimbangan penukar ion dapat dianologikan dengan kesetimbangan kimia. Hukum

aksi masa dapat digunakan untuk menyatakan kesetimbangannya walaupun hukum ini

k. wr ‘14

dikhususkan pada system homogen. Reaksi penukaran ion adalah sebagai berikut (Khopkar,

1998).

Koefisien distribusi ditentukan dari perbandingan antara koefisien aktifitas spesies

dalam fase resin dan dalam fase larutan. Struktur kimia dari matriks resin berefek pada

koefisien selektifitasnya. Pertukaran dua ion dengan valensi yang berbeda, koefisien

selektivitasnya juga bergantung pada koefisien aktivitas dalam dua fasa dan pada konsentrasi

logam total dalam fase resin (Khopkar, 1998).

Faktor-faktor yang menentukan distribusi ion-ion antara suatu larutan, meliputi (Basset,

1994):

Sifat ion yang dipertukarkan. Pada Tingkat pertukaran bertambah dengan

bertambahnya valensi ion yang bertukar.

Pada valensi konstan, untuk ion univalent, pertukaran bertambah dengan berkurangnya

ukuran kation terhidrasinya.

Dengan resin penukar anion basa kuat, dalam larutan encer, anion polivalen umumnya

lebih dipilih untuk diserap.

Bila kation dalam larutan bertukar dengan ion yang berbeda valensinya, afinitas relatif

dari ion yang bervalensi lebih tinggi bertambah dengan bertambahnya keenceran.

Aplikasi resin banyak ditemui dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya saja, dalam sebuah

penelitian tentang efektivitas dan kapasitas resin penukar anion dengan sistem batch terhadap

nitrat menunjukkan bahwa resin mampu menurunkan kadar nitrat hingga di bawah Baku Mutu

Air Golongan B dengan efektivitas antara 99,98% - 99,99%. Resin mampu menurunkan kadar

nitrat dalam air yang berasal dari sumber mata air yang telah tercemar nitrat (melebihi Baku

Mutu Air Golongan B), sehingga kadarnya dapat di bawah Baku Mutu Air Golongan B (Putra,

2007).

ALAT DAN BAHAN

Alat-alat yang dibutuhkan pada percobaan ini meliputi spektrofotometer serapan atom,

buret 50 ml sebagai kolom, gelas beker, gelas Erlenmeyer, labu takar 100 ml, labu takar 25 ml,

pipet ukur, pipet pump, dan wadah sampel.

Sedangkan bahan-bahan yang digunakan pada percobaan ini meliputi resin penukar

anion IRA 400, larutan HCl 0,5 M, 1 M, 2 M, 12 M, larutan ammonia 6 M, sampel yang

mengandung Ni2+ dan Zn2+, larutan Zn2+ 100 ppm, larutan Ni2+ 100 ppm, dan akuades.

k. wr ‘14

CARA KERJA

Pertama-tama, kolom penukar ion dicuci dengan 25 ml ammonia 6 M, diikuti dengan 50

ml akuades, dan 50 ml larutan HCl 2 M. Pada setiap akhir pencucian, permukaan air harus

kurang lebih 1 cm di atas permukaan resin.

Sampel awal dibuat dari 1,5 ml sampel yang mengandung Ni2+ dan Zn2+ dimasukkan ke

dalam labu takar 100 ml dan diencerkan hingga tanda batas. Sedangkan sampel yang digunakan

untuk permisahan dibuat dari 1,5 ml sampel yang mengandung Ni2+ dan Zn2+ dimasukkan ke

dalam labu takar 100 ml, ditambahkan 16 ml larutan HCl 12 M, dan diencerkan hingga tanda

batas. Sampel diambil 15 ml dan dimasukkan ke kolom penukar ion. Erlenmeyer ditaruh di

bawah kolom dan dialirkan kran kolom sampai permukaan cairan tepat di atas permukaan

resin. Kolom lalu dicuci dengan 5 ml larutan HCl 0,5 M (sesuai variasi) dan larutan kembali

dialirkan. Pencucian dilakukan sebanyak 3 kali. Elusi untuk logam Ni(II) dengan ditambahkan 50

ml larutan HCl 0,5 M (sesuai variasi) pada laju alir 2 – 3 ml/menit, dan larutan yang tertampung

dijadikan sebagai sampel 1. Sementara itu, elusi untuk logam Zn(II) dengan ditambahkan 50 ml

akuades dan larutan dikeluarkan pada laju alir 2 – 3 ml/menit. Larutan yang tertampung

dijadikan sebagai sampel 3. Cara yang sama dilakukan untuk variasi larutan HCl pada

konsentrasi 1 M dan 2 M.

Pembuatan larutan standar Ni, larutan Ni 100 ppm diambil 25 ml dan diencerkan dalam

labu takar 100 ml, sehingga diperoleh larutan Ni 25 ppm. Dari larutan Ni 25 ppm tersebut lalu

diambil 0 ml, 2,5 ml, 5 ml, 7,5 ml, 10 ml, 12,5 ml, dan 15 ml untuk diencerkan dalam labu takar

25 ml, sehingga diperoleh larutan Ni dengan konsentrasi 0 ppm, 2,5 ppm, 5 ppm, 7,5 ppm, 10

ppm, 12,5 ppm, dan 15 ppm. Sedangkan pada pembuatan larutan standar Zn, larutan Zn 100

ppm diambil 25 ml dan diencerkan dalam labu takar 100 ml, sehingga diperoleh larutan Zn 25

ppm. Dari larutan Zn 25 ppm tersebut lalu diambil 0 ml, 0,25 ml, 0,5 ml, 1 ml, 1,5 ml, dan 2 ml

untuk diencerkan dalam labu takar 25 ml, sehingga diperoleh larutan Ni dengan konsentrasi 0

ppm, 0,25 ppm, 0,5 ppm, 1 ppm, 1,5 ppm, dan 2 ppm.

HASIL PERCOBAAN

Konsentrasi Ni2+ dalam Sampel

Konsentrasi HCl Konsentrasi Ni2+

Sampel awal Sampel 1 Sampel 2

0,5 M

1 M

2 M

291,228 ppm

300,470 ppm

322,353 ppm

63,158 ppm

65,728 ppm

102,745 ppm

10,526 ppm

0 ppm

40,000 ppm

k. wr ‘14

Konsentrasi Zn2+ dalam Sampel

Konsentrasi HCl Konsentrasi Zn2+

Sampel awal Sampel 1 Sampel 2

0,5 M

1 M

2 M

178,192 ppm

173,467 ppm

142,157 ppm

8,707 ppm

11,993 ppm

7,616 ppm

76,346 ppm

76,661 ppm

67,673 ppm

PEMBAHASAN

Pada percobaan ini dilakukan pemisahan kation dengan menggunakan penukar ion.

Kation yang akan dipisahkan yakni Ni2+ dan Zn2+. Dikarenakan zat yang akan dipisahkan yakni

berupa kation, maka digunakan jenis resin penukar anion yang mana bersifat basa kuat. Resin

kation ini umumnya jenis basa kuat yang mengandung gugus amina kuartener (RN(CH3)3+OH-).

Sebelum kolom penukar ion digunakan untuk memisahkan ion Ni2+ dan Zn2+, resin yang

di kolom penukar ion perlu dicuci dengan beberapa larutan seperti amonia, akuades, dan Hcl.

Proses pencucian ini bertujuan untuk regenerasi resin yang ada di dalam kolom penukar ion

untuk mengatasi kejenuhan pada resin. Resin akan cepat sekali mengalami kejenuhan dalam

hitungan hari atau minggu tergantung dari tingkat kesadahan air bakunya. Sehingga, perlu

dilakukan regenerasi resin, di mana dalam proses ini terjadi pengaktifan kembali gugus

fungsional resin penukar ion yang berfungsi untuk mengikat ion-ion pengotor yang berada

dalam air. Resin dapat diregenerasi ke bentuk semula karena reaksinya berjalan reversible.

Pencucian menggunakan ammonia dikarenakan resin kation yang digunakan merupakan

jenis basa kuat yang mengandung gugus amina kuartener (RN(CH3)3+OH-) yang juga

mengandung atom N. Oleh karena itu, penggunaan ammonia akan mengaktifkan resin tersebut.

Resin yang akan digunakan bukan resin baru, artinya tentu mengandung sisa pengotor di

dalamnya seperti sisa kompleks anion 𝑍𝑛𝐶𝑙3 − dan 𝑍𝑛𝐶𝑙4

2− yang melekat pada resin

𝑅𝑁 𝐶𝐻3 3+ 𝑍𝑛𝐶𝑙3

− dari percobaan yang dilakukan sebelumnya. Dengan adanya ammonia

yang dalam air akan terhidrolisis menghasilkan ion OH⁻ yang dapat dipertukarkan dengan ion

𝑍𝑛𝐶𝑙3 −

dan 𝑍𝑛𝐶𝑙4 2−. Sehingga, resin dapat kembali menjadi 𝑅𝑁 𝐶𝐻3 3

+𝑂𝐻−, dan siap

untuk digunakan untuk proses pemisahan. Sementara 𝑍𝑛𝐶𝑙3 − dan 𝑍𝑛𝐶𝑙4

2−akan menjadi

kompleks bebas.

Persamaan reaksi hidrolisis ammonia adalah sebagai berikut.

Reaksi penukaran ion OH⁻ adalah sebagai berikut.

Pencucian

k. wr ‘14

dengan akuades untuk menetralkan pH resin dimana penetralan ini befungsi untuk

menghilangkan keasaman resin serta mengalirkan ion H+ yang mungkin terkandung dalam

resin. Selain itu, agar resin mengembang, sehingga ion yang berada pada resin akan diaktifkan

dan mudah dipertukarkan dengan ion lawan. Resin bersifat hidrofilik (menyukai

air) sehingga ion-ion pada resin dapat bergerak bebas dalam pori-pori yang terisi air. Pencucian

akuades juga dapat melarutkan sisa kompleks anion 𝑍𝑛𝐶𝑙3 − dan 𝑍𝑛𝐶𝑙4

2−, sehingga dapat

keluar dari kolom.

Pencucian dengan larutan HCl 2 M pada resin kation akan menyebabkan resin kation

yang mengandung ion OH⁻ pada permukaan resin mampu terdorong oleh ion Cl⁻ dari HCl,

sehingga ion OH⁻ dipertukarkan dengan ion Cl⁻ secara ekivalen. Sehingga, kondisi resin

sekarang mengandung ion Cl-.

Reaksi penukaran ion yang terjadi adalah sebagai berikut.

Pencucian resin harus berurutan dari ammonia, akuades, dan HCl. Pencucian akuades

setelah ammonia bertujuan untuk menetralkan sisa pengotor dalam resin. Sementara itu,

pencucian dengan HCl dilakukan paling akhir karena untuk mengubah suasana resin menjadi

asam, sehingga menyesuaikan kondisi dengan larutan sampel yang akan dipisahkan. Adanya HCl

juga akan mempertukarkan ion OH⁻ dengan Cl⁻ dari HCl, sehingga saat larutan sampel

dimasukkan dapat terjadi pertukaran anion antara kompleks anion Zn dengan Cl⁻. Proses

pencucian dilakukan dengan tinggi larutan dijaga 1 cm di atas permukaan resin agar resin tidak

kering.

Sampel yang mengandung Ni2+ dan Zn2+ yang telah diencerkan dalam kondisi asam

(penambahan larutan HCl 12 M) dimasukkan ke dalam kolom penukar ion dan larutan

dikeluarkan dari kolom penukar ion secara perlahan-lahan. Penambahan larutan HCl 12 M

menyebabkan ion Zn2+ akan membentuk senyawa kompleks klorozinkat(II) (seperti ZnCl3- dan

ZnCl42-) yang bermuatan negative yang stabil. Sementara itu, Ni2+ membentuk kompleks dengan

Cl⁻ karena tidak bereaksi dengan Cl⁻.

Persamaan reaksi pembentukan kompleks pada Zn adalah sebagai berikut.

Larutan sampel yang dimasukkan ke kolom penukar ion akan terjadi pertukaran anion,

di mana resin penukar kation yang telah mengandung gugus Cl⁻ akan mengalami penukaran

anion dengan kompleks anion ZnCl3- dan ZnCl4

2- karena sifat kedua kompleks anion tersebut

jauh lebih stabil dibandingkan dengan Cl⁻. Sementara itu, Ni2+ yang tidak membentuk senyawa

kompleks pada peristiwa ini akan terelusikan keluar dari kolom dan dinyatakan sebagai sampel

1 yang mengandung ion Ni2+. Pencucian tiga kali dengan larutan HCl yakni untuk mempengaruhi

k. wr ‘14

kekuatan pembentukan kompleks anion antara Cl⁻ dengan ion Zn²⁺, di mana variasi konsentrasi

HCl dapat mempengaruhi kekuatan pembentukan kompleks.

Reaksi pertukaran ion yang terjadi antara kompleks Zn dengan resin pada kolom

penukar ion adalah sebagai berikut.

Ion Zn2+ yang terikat pada resin kation tersebut dapat dipisahkan dengan menambahkan

akuades ke dalam kolom penukar ion. H2O merupakan ligan yang lebih kuat dibandingkan

dengan ligan kompleks ZnCl3- dan ZnCl4

2-. Sehingga, adanya penambahan akuades tersebut akan

terjadi penukaran antara kompleks anion ZnCl3- dan ZnCl4

2- dengan H2O yang netral, sehingga

membentuk kompleks aquo. Sementara itu, kompleks anion ZnCl3- dan ZnCl4

2- akan menjadi

kompleks bebas dan dapat terelusikan keluar dari kolom penukar ion.

Persamaan reaksi yang terjadi saat dialiri akuades adalah sebagai berikut.

Proses aliran larutan yang keluar dari resin harus perlahan-lahan (tetes per tetes),

karena untuk memperlama waktu kontak larutan saat melewati resin. Sehingga, proses

penukaran anion akan terjadi lebih optimal.

Konsentrasi ion Ni2+ dan Zn2+ dapat diketahui dengan menggunakan metode

spektrofomometri serapan atom (AAS). Metode ini dapat digunakan karena senyawa yang akan

dianalisis merupakan bentuk senyawa logam. Sehingga, untuk penghitungan yang lebih akurat

akan lebih baik jika menggunakan AAS, di mana AAS ini hanya dapat digunakan untuk senyawa

logam saja. Setiap logam yang dianalisis dengan AAS akan memberikan absorbansi. Absorbansi

yang diberikan inilah yang kemudaian dapat digunakan untuk menentukan konsentrasi dari Ni2+

dan Zn2+ dalam larutan sampel pada setiap variasi konsentrasi HCl yang digunakan.

Metode yang digunakan yakni metode kurva kalibrasi, sehingga dibutuhkan kurva

kalibrasi yang berasal dari kurva hubungan antara konsentrasi dan absorbansi pada larutan

standar. Sehingga, perlu dibuat larutan standar baik pada Ni2+ maupun Zn2+. Untuk larutan

standar Ni2+ digunakan konsentrasi 0; 2,5; 5; 7,5; 10; 12,5; dan 15 ppm. Sedangkan larutan

standar Zn2+ digunakan konsentrasi 0; 0,25; 0,5; 1; 1,5; dan 2 ppm.

Hasil percobaan menunjukkan bahwa pada sampel 1 berisi logam Ni yang ditunjukkan

dengan konsentrasi Ni dalam sampel 1 jauh lebih besar dibandingkan konsentrasi Zn.

Sedangkan pada sampel 2 berisi logam Zn yang ditunjukkan dengan konsentrasi Zn dalam

sampel 2 jauh lebih besar dibandingkan konsentrasi Ni. Namun, pada kedua sampel juga

ditemukan konsentrasi logam lain.

Sampel 1 seharusnya hanya mengandung ion Ni2+ karena ion tersebut tidak membentuk

kompleks dengan Cl⁻, sedangkan Zn²⁺ akan terjerap pada resin dalam bentuk kompleks anion.

Sementara itu, sampel 2 mengandung ion Zn²⁺. Namun, hasil percobaan menunjukkan bahwa

k. wr ‘14

pada sampel 1 juga terdapat kandungan ion Zn²⁺, demikian pula sebaliknya. Hal itu

menunjukkan proses pemisahan antara kedua kation tersebut belum sempurna.

Konsentrasi Zn pada sampel 1 dan Ni pada sampel 2 pada tiap variasi konsentrasi HCl

akan memberikan hasil yang berbeda-beda. Semakin tinggi konsentrasi HCl menyebabkan

konsentrasi ion Cl⁻ juga lebih banyak. Hal ini menyebabkan kompleks anion yang terbentuk

antara Cl⁻ dan Zn²⁺ juga akan semakin banyak, sehingga akan menjadi semakin kuat dan stabil.

Maka proses penukaran ion antara Cl⁻ pada resin dengan kompleks anion ZnCl3- dan ZnCl4²⁻

akan maksimal, demikian pula sebaliknya. Sehingga, jika pertukaran ion antara Cl⁻ pada resin

dengan komples anion ZnCl3- dan ZnCl4²⁻ kurang maksimal menyebabkan ikut terelusikannya

Zn²⁺ bersama dengan Ni2+. Oleh karena itu, semakin kecil konsentrasi HCl seharusnya

menyebabkan semakin besar konsentrasi Zn²⁺ yang ikut terelusikan jika dibandingkan dengan

konsentrasi HCl yang lebih besar.

Proses pertukaran anion dalam percobaan ini dapat terjadi karena adanya perbedaan

kekuatan ligan. Ligan yang kuat dapat dengan mudah mendesak ligan lemah, sehingga terjadi

pertukaran anion. Ikatan dengan ligan yang lebih kuat akan lebih stabil. Dalam percobaan ini

digunakan tiga jenis ligan yakni Cl⁻, OH⁻, dan H2O yang ketiganya memiliki kekuatan ligan yang

berbeda. Kekuatan ligan dapat diketahui dari deret spektroskopi ligan.

I⁻ < Br⁻ < Cl⁻ < OH⁻ < F⁻ < H2O < NH3 < en < CN⁻ < CO (Chang, 2003)

Berdasarkan deret spektroskopi ligan di atas menunjukkan bahwa kekuatan ligan Cl⁻ <

OH⁻ < H2O. Sehingga, pada proses pencucian dengan ammonia, di mana ammonia dalam air

akan terhidrolisis menghasilkan ion OH⁻ yang dapat dipertukarkan dengan Cl⁻ yang melekat

pada resin karena ikatan dengan ligan OH⁻ lebih stabil. Pada proses elusi Zn, kompleks ligan Zn

dapat dipertukarkan dengan ligan netral H₂O, karena ligan H₂O lebih kuat.

KESIMPULAN

DAFTAR PUSTAKA

Basset, dkk., 1994, Buku Ajar Vogel Kimia Analisis Kuantitatif Anorganik, (diterjemahkan oleh:

Handyana, A.), Penerbit Buku Kedokteran EGC, Jakarta.

Biyantoro, dkk., 2006, Pemisahan Ce dan Nd Menggunakan Resin Dowex 50W-X8 Melalui

Proses Pertukaran Ion, Jurnal Batan, Vol 9, No 1, Hal 29 – 35

Chang, R., 2003, Kimia Dasar Konsep-Konsep Inti, (diterjemahkan oleh: Achmadi, S. S.),

Erlangga, Jakarta.

Harjadi, W., 1993, Ilmu Kimia Analitik Dasar, Gramedia Pustaka Utama, Jakarta.

Khopkar, S. M., 1998, Basic Concepts of Analytical Chemistry, Second Edition, New Age

International Limited, New Delhi.

k. wr ‘14

Putra, A. A. B., 2007, Efektivitas dan Kapasitas Resin Penukar Anion dengan Sistem Batch dalam

Meningkatkan Nitrat dan Aplikasinya pada Air dari Sumber Mata Air di Desa Sedang, Journal of

Environmental Science, Vol 2, No, 2, Hal 1-8.

Sanagi, M. M., 1998, Teknik Pemisahan Dalam Analisis Kimia, Penerbit Universiti Teknologi

Malaysia, Johor.