Cinta Kimia

ELEKTROKIMIA

Elektrokimia adalah reaksi kimia yang menghasilkan energi listrik atau energi listrik yang menyebabkan terjadinya reaksi kimia.

Beberapa istilah yang dijumpai didalam elektrokimia

            Dalam elektrokimia melibatkan reaksi yang sering disebut reaksi oksidasi dan reduksi atau disingkat dengan redoks.

1. Reaksi Oksidasi atau reduksi adalah :

    Reaksi dengan  perpindahan elektron dari satu senyawa ke yang lain.

    Misal :  Cu +  2 Ag⁺ →  Cu⁺² + 2 Ag

2. Oksidator/Reduktor

    Oksidator adalah yang menerima elektron sedangkan reduktor adalah yang memberikan elektron.

Sel elektrokimia adalah alat yang digunakan untuk melangsungkan perubahan diatas. Dalam sebuah sel, energi listrik dihasilkan dengan jalan pelepasan elektron pada suatu elektroda (oksidasi) dan penerimaan elektron pada elektroda lainnya ( reduksi). Elektroda yang melepaskan elektron dinamakan anoda sedangkan elektroda yang menerima elektron dinamakan katoda. Jadi sebuah sel selalu terdiri :

            a. Anoda : Elektroda tempat berlangsungnya reaksi oksidasi

            b. Katoda : Elektroda tempat berlangsungnya reaksi reduksi.

            c. Larutan elektrolit, larutan ionik dapat menghantarkan arus, larutan ionik dianggap seperti ”resistor” dalam suatu sirkuit maka ukuran dari sifat-sifat larutan  adalah tahanan, R, ( atau ekuivalent dengan konductan,L) mengikuti hukum Ohm

Untuk mendapatkan sebuah sel yang lengkap ( sebuah rangkaian listrik yang lengkap) digunakan jembatan garam , misal kertas saring yang direndam dalam larutan elektrolit seperti KCl.

            Gambar 1. Sel elektrokimia.

Salah satu faktor yang mencirikan sebuah sel adalah gaya gerak listrik ( GGL) atau perbedaan potensial listrik antara anoda dan katoda. Satuan GGL adalah volt.

Sel yang reaksinya bersifat spontan ( menghasilkan energi listrik) disebut sel galvanik.

Selain dengan jalan menggambarkan sel elektrokimia seperti pada gambar 1. , sel elektrokimia secara ringkas dapat dinyatakan dengan cara sebagai berikut :

Zn (pdt)         ׀    Zn ⁺² ( 1 M)      ׀׀       Cu⁺² ( 1 M )    ׀ Cu (pdt)

Anoda                                                 jembatan                                  katoda

                                                Garam

Cara penulisan diatas dikenal sebagai diagram sel

Atau Sel yang sederhana

Sel dengan 2 elektroda dengan larutan elektrolit yang sama

            Zn  │ ZnSO₄ (lar.), CuSO₄ ( lar)  │ Cu

          Anoda                                                   katoda

Elektroda pembanding

Kita tidak mungkin mengukur potensial sebuah elektroda saja. Setiap rangkaian harus digabungkan. Sehingga dibutuhkan elektroda pembanding ( elektroda standard) untuk menentukan potensial elektroda lain. Elektroda standard yang biasa digunakan dikenal sebagai elektroda hidrogen standard. Salah satu jenis elektroda ini dapat dilihat pada gambar 2.

                       

                                    Gambar 2.Elektroda hidrogen

            Pada elektroda hidrogen standard, gas hidrogen digelembungkan pada permukaan logam Pt. Pt akan bertindak sebagai katalis reaksi dekomposisi H₂ menjadi atom H, yaitu reaksi : ½ H₂ → H . Reaksi ini akan diikuti dengan pelepasan sebuah elektron membentuk proton : H → H⁺ ( lar) + e^-. Apabila tekanan gas hidrogen yang digunakan 1 atm, dan konsentrasi larutan H⁺ 1 M serta suhu larutan 298 K, maka elektroda ini dianggap mempunyai potensial sama dengan noL.

Kimia Listrik

Jika elektron dari reaksi oksidasi reduksi melalui sirkuit listrik, kita dapat mempelajari mengenai reaksi dengan mengukur arus dan beda potensial. Arus listrik sebanding dengan kecepatan reaksi, dan beda potensial sebanding dengan perubahan energi bebas untuk reaksi elektrokimia.

Muatan Listrik

Muatan listrik ,q, diukur dalam coulombs(C). Muatan sebuah elektron adalah 1,602 x 10^-19 C, sehingga 1 moL elektron mempunyai muatan = (1,602 x 10^-19 C)( 6,022 x 10²³ moL^-1) = 9,649 x 10 ⁴ C, yang disebut dengan konstante Faraday, F.

Atau mempunyai hubungan : q                 =   n                        F

                                                Coulomb         moL e^-      Coulomb/moL e^-

Dengan n adalah jumlah eletron yang dipindahkan

Contoh 1.

Jika 5,585 g Fe⁺³ direduksi sesuai persamaan :    Fe⁺³  + V⁺² →  Fe⁺²  + V⁺³

Berapa Coulomb muatan yang dipindahkan dari V⁺² ke Fe⁺³

Jawab : 5,585 g Fe⁺³ = 0,100 moL Fe⁺³ .maka q = ( 0,1 moL)( 9,649 x 10⁴ C/moL e^- =9,649 10³ C

Banyaknya muatan yang mengalir per detik melalui sebuah sirkuit disebut arus. Satuannya adalah ampere, disingkat A. Arus 1 A menunjukkan muatan 1 Coulonb per detik melewati sebuah titik dalam sebuah sirkuit.

Potensial Elektroda Tunggal :

Dengan jalan menggabungkan elektroda lain dengan elektroda hidrogen standard, maka nilai GGL elektroda tadi akan dapt ditentukan. Jika elektroda yang dihubungakan dengan elektroda hidrogen mempunyai suhu 298 K, serta larutan yang terdapat pada elektroda tersebut mempunyai konsentrasi 1 M, maka GGL yang terukur merupakan GGL standard (E^o) elektroda tersebut. Dasar perjanjian bahwa semua reaksi dituliskan dalam bentuk potensial reduksi standard, E^o.Jika Elektroda cenderung mengalami reduksi maka mempunyai nilai E⁰ positip, sedangkan jika elektroda cenderung mengalami oksidasi maka nilai E^o nya negatip.

Beberapa nilai potensial elektroda standard dapat dilihat pada tabel 1

Menghitung GGL sel :

            E^o_sel =  E^o_oksidasi   +  E^o_reduksi

Contoh perhitungan :

Contoh 2 ;

Hitunglah GGL standard dari :  Zn ׀ ZN⁺² ( 1M) ׀׀ H⁺ ( 1M) ׀ H₂ ( gas, 1atm) Pt

Zn                 →   Zn⁺²  +  2 e-                        E^o  = 0,763 volt

2 H⁺ + 2 e^-    →   H₂                                        E^o  =  0

Dari : ∆ G^o = - n F E^osel

Kalau ∆ G^o bernilai negatip maka reaksi spontan tetapi jika ∆ G^o positip maka reaksi tidak spontan, maka sebaliknya jika E^o negatip maka reaksi tidak spontan, sedangkan jika E^o positip reaksi akan spontan.

Contoh 3 :

Hitung  berapa potensial standard  sel dibawah ini

Zn  │Zn⁺² ( 1 M)  ││  Cu⁺² ( 1 M)   │ Cu

Anoda :                       Zn                 →   Zn⁺²  +  2 e-                        E^o  = 0,763    volt

Katoda :                      Cu⁺² + 2 e      →  Cu                                       E^o  =  0,0337 volt

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­

Reaksi total                 Zn + Cu⁺²      →  Cu                                       E^o  =  1,100   volt       

Jenis-Jenis Sel elektrokimia.

Ditinjau dari operasinya jenis sel elektrokimia adalah sebagai berikut :

a. Sel/baterai primer

b. Sel/baterai sekunder

c. Sel/ baterai spesial

d. Sel bahan bakar

a. SEL/BATERAI  PRIMER

            merupakan sistem sel yang tidak bisa diisi kembali arus listrik, berarti reaksi berlangsung secara searah, setelah reaksi selesai ( reaktan habis) tak bisa dipakai lagi.

Contoh :

sel kering Leclanche/sel seng-karbon

Anoda             : Seng

Katoda                        : mangandioksida

Elektrolit         : Ammonium khlorida dan atau seng khlorida yang dilarutkan dalam air

Serbuk karbon dicampurkan pada mangan dioksida untuk memperbesar konduktivitasnya

b. SEL/BATERAI  SEKUNDER

cara kerja dari sel sekunder yaitu, pada pemakaian : energi kimia diubah menjadi energi listrik, sedangkan pada pengisian: energi listrik diubah menjadi energi kimia

Gambar 3. sel baterai sekunder

Contoh :

Sel Timbal – Asam

Anoda             : Pb

Katoda                        : PbO₂

Elektrolit         : larutan asam sulfat

Anoda             : Pb                  →    Pb⁺²  +  2 e

                          Pb⁺² + SO₄^-2  →    PbSO₄

Katoda                        : PbO₂ + 4 H⁺ +2 e  →  Pb⁺² + H₂O

                          Pb⁺²  +  SO₄^-2        →  PbSO₄             

Selama pengisian reaksi berlangsung sebaliknya. Selain reaksi tersebut diatas, selama pengisian terjadi pula reaksi peruraian H₂O yang menghasilkan gas H₂ dan O₂ sehingga elektrolit menjadi pekat

Anoda                         : H₂O               →   ½ O₂  +  2  H⁺  + 2 e

Katoda                        : 2 H⁺ + 2 e      →   H₂

SEL BAHAN BAKAR

Contoh : Sel hidrogen dan Oksigen

Anoda                         : gas H₂

Katoda                        : gas O₂

Elektrolit         : asam ( H₂SO₄) atau basa ( KOH)

Anoda             :  H₂                             →   2 H⁺  + 2 e                       E^o = 0

Katoda                        : ½ O₂ + 2 H⁺ + 2 e     →  H₂O                                   E^o = 1,229

Reaksi Kimia yang terjadi oleh energi listrik

            Reaksi kimia yang terjadi akibat pemberian energi listrik disebut elektrolisa, yaitu peruraian suatu elektrolit sehingga terbentuk zat-zat yang baru. Dalam elektrolisa terjadi reaksi redoks.

Reaksi reduksi terjadi di ruang katoda, misal :

            Ag⁺   +  e         →  Ag

            Cu⁺²  + 2 e      →  Cu

Reaksi oksidasi terjadi diruang anoda, misal :

            2 Cl^-                 →  Cl₂   +   2 e

            2 H₂O              →  4 H⁺ +  O₂ + 4 e

           

Secara umum reaksi yang terjadi dalam elektrolisa adalah sebagai berikut :

Pada ruang katoda :

            Tidak tergantung pada jenis katoda, tetapi tergantung dari jenis kationnya.

1. Jika kation dari logam-logam disebelah kanan unsur H pada deret volta, terjadi reaksi netralisasi muatan kation yang bersangkutan

            M⁺   +  e         →   M        ( melapisi katoda)

            Sedangkan  2 H⁺  +  2 e   →   H₂

2. Jika kation dari logam-logam disebelah kiri unsur H, dibagi dua yaitu :

a. Unsur Li, Cs, K, Sr, Ba, Ca, Na, Mg, Be, Al dan Mn yang dinetralkan bukan muatan kationnya, melainkan H⁺ dari H₂O, sehingga :

            2 H₂O  +  2 e   →   H₂   +  2  OH^-

b. Unsur Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn dan Pb, terjadi netralisasi muatan kation yang bersangkutan.

            Misal   :  Zn⁺²   +  2 e              →    Zn

           

            Kecuali  : Fe⁺³  +  e                 →    Fe⁺²

                            Sn⁺⁴  +  2 e              →    Sn⁺²

Pada ruang anoda :

            Tergantung dari jenis anoda dan tergantung jenis anion :

1. Anoda dari Pt dan C

a. Bila anion tak beroksigen, muatan anion dinetralkan, berlaku juga untuk OH^- dari basa

            misal    : 2 J^-                 →   J₂   +   2 e

                          2 Cl^-              →   Cl₂  +  2 e

                          2 OH^-            →   H₂O   + ½  O₂   +  2 e

b. Bila anion mengandung oksigen, muatan anion tidak dinetralkan, tetapi yang dinetralkan muatan OH^- dari H₂O

                        2 H₂O              →  4 H⁺   +  O₂  + 4 e

2. Anoda dari logam selain Pt dan C

    Logam sebagai bahan anoda melarut menjadi ion

                        M                     →  M⁺     +   e

Contoh reaksi eelektrolisa

1. Elektrolisa larutan CuSO₄ dengan elektroda Pt

                                      CuSO₄              →   Cu⁺²  +  SO₄^-2

            Katoda                        :  Cu⁺²  +  2 e     →   Cu

            Anoda             :  H₂O                 →   2 H⁺  +  ½ O₂  + 2 e

                                    -----------------------------------------------

                                      CuSO₄  + H₂O  →  Cu  + 2 H⁺ + SO₄^—2 + ½ O₂

            Logam Cu akan melapisi katoda Pt

           

            Berapa Cu yang terendapkan pada katoda

                        Katoda                        :  Cu⁺²  +  2 e     →   Cu

               2 . Faraday menghasilkan 2 grek Cu = 1 moL Cu. Jadi 1 Faraday = 1 grek Cu = 0,5 moL Cu = 31,75 gr

            Hukum Faraday          :                                     dengan

G = massa endapan ,gr

            i   =  kuat arus, Ampere

            t   =  waktu,detik

            e  = bobot ekivalent

            F  =  96490 Coulomb

2. Elektrolis larutan CuSO₄ dengan elektroda Cu

                                      CuSO₄  →   Cu⁺²  +  SO₄^-2

           

            Katoda                        :  Cu⁺²  +  2 e     →   Cu

            Anoda             :  Cu                    →  Cu⁺²  +  2 e

                                    ------------------------------------------------------------

                                        CuSO₄           →  Cu⁺²  +  SO₄^—2 

Logam Cu dari anoda larut, dan katoda terlapisi, sehingga terjadi perpindahan dari anoda ke  katoda

Soal :

a. Apa yang terjadi pada katoda dan anoda jika larutan NaCl dielektrolisa dengan elektroda Pt atau C

b. Elektrolisa  leburan NaCl ( tanpa H₂O ), dengan anoda C dan katoda Fe