Elektrokimia. Sel Volta

Transkripsi

1 TI222 Kimia lanjut 09 / Sel Volta Elektrokimia Sel Volta adalah sel elektrokimia yang menghasilkan arus listrik sebagai akibat terjadinya reaksi pada kedua elektroda secara spontan Misalnya : sebatang logam seng tercelup dalam larutan seng sulfat dan sebatang logam tercelup dalam larutan tembaga sulfat Logam seng mempunyai kecenderungan untuk melarut sebagai ion seng, Zn 2+, tetapi sebaliknya ion seng dalam larutan mempunyai kecenderungan untuk mengendap sebagai atom Zn. Zn Zn e... 1)

2 TI222 Kimia lanjut 09 / Kecenderungan Zn untuk melarut > daripada kecenderungan Zn 2+ untuk mengendap. (kesetimbangan kanan) Kecenderungan Cu 2+ untuk mengendap sebagai Cu > daripada kecenderungan Cu untuk melarut Cu Cu e... 2) Kedudukan kesetimbangan agak ke kiri Zn Cu

3 TI222 Kimia lanjut 09 / Jika kedua elektroda itu digabungkan menjadi sel volta (gambar di bawah ini) Zn Zn 2+ SO 4 2 Jembatan garam Cu 2+ SO 4 2 e + Cu

4 TI222 Kimia lanjut 09 / Kelebihan elektron pada elektroda Zn akan mengalir ke elektroda Cu dimana terdapat kekurangan elektron, maka Zn akan terus melarut menghasilkan elektron, sedangkan ionion Cu 2+ akan terus mengendap sebagai Cu. Elektroda Zn terdapat kelebihan elektron, jadi polaritas elektroda ini adalah (); Elektroda ini disebut Anoda, karena di sini terjadi setengah reaksi Oksidasi Zn Zn e Polaritas elektroda Cu yang kekurangan elektron adalah (+); Elektroda ini disebut Katoda, karena disini terjadi setengahreaksi Reduksi. Cu e Cu

5 TI222 Kimia lanjut 09 / Jumlah dari kedua setengah reaksi ini reaksi sel ; Zn Cu e Zn e Cu Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu... (3) Arus listrik yang dihasilkan pada sel di atas adalah karena reaksi (3) di atas. Jembatan garam yang digunakan pada pembuatan sel di atas adalah sebuah pipa berbentuk U yang berisi elektrolit (biasanya KCl atau KNO3) dan agaragar padat Alat ini biasanya digunakan untuk membuat kontak listrik antara dua larutan elektrolit dalam sel volta

6 TI222 Kimia lanjut 09 / Lebih sederhana ialah dengan menggunakan secarik kertas saring yang sebelumnya dicelupkan ke dalam larutan pekat KCl. A. Cara penulisan sel Volta Menurut perjanjian sel ini ditulis sebagai berikut : Zn Zn 2+ Cu 2+ Cu... (4) Elektroda negatif (anoda) ditulis di sebelah kiri Elektroda positif (katoda) ditulis di sebelah kanan.

7 TI222 Kimia lanjut 09 / Tanda menyatakan perbatasan antara dua fasa yang berbeda Tanda khusus digunakan untuk menunjukkan penggunaan jembatan garam dalam mengadakan hubungan listrik antara dua larutan elektrolit. Jika hubungan ini dibuat melalui suatu dinding berpori maka perbatasan antara kedua larutan itu tidak dinyatakan dengan tanda melainkan dengan memakai tanda I B. Cara menurunkan reaksi sel Tiap reaksi sel merupakan reaksi redoks, maka Reaksi sel = jumlah setengah reaksi oksidasi dan reduksi.

8 TI222 Kimia lanjut 09 / Reaksi sel = Reaksi pada anoda + Reaksi pada katoda (5) Untuk sel (4) Oksidasi (pada Anoda) : Zn Zn e Reduksi (Pada Katoda) : Cu e Cu Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu

9 TI222 Kimia lanjut 09 / C. Hubungan antara potensial sel dan potensial elektroda E sel = E katoda E anoda...(6a) Bila zatzat dalam larutan berada dalam Keadaan standard yaitu pada konsentrasi 1 molar, maka E sel o = E o katoda Eo anoda...(6a) = E o + E o + Jika seandainya sel (4) ditulis sebagai Cu Cu 2+ Zn 2+ Zn... (7) Reaksi sel yang diturunkan menurut persamaan (5)

10 TI222 Kimia Lanjut 10 / Oksidasi : Cu Reduksi : Zn e Cu e Zn Reaksi sel : Cu + Zn 2+ Cu 2+ + Zn... (8) Reaksi ini tidak spontan, artinya tidak terjadi dengan sendiri, dan potensial dari sel yang ditunjukkan oleh persamaan (7) adalah negatif. Reaksi (8) hanya dapat terjadi jika dialirkan arus listrik dari luar, sehingga sel berfungsi sebagai sel elektrolisis. D. Elektroda Pembanding Beda potensial dapat diukur dengan perbedaan antara dua buah elektroda (potensial sel) Untuk dapat memberikan harga tertentu pada potensial elektroda,

11 TI222 Kimia Lanjut 10 / maka didefinisikan elektroda hidrogen standar sebagai elektroda pembanding, potensial diberi harga 0 volt Elektroda hidrogen standar terdiri atas logam platina berlapis hitam platina, tercelup dalam larutan yang mengandung ion H + pada konsentrasi 1,0 M & dialiri gas hidrogen pada tekanan 1 atm 2H + + 2e H 2

12 TI222 Kimia Lanjut 10 / Pt H 2 ( 1 atm ) Pt berlapis hitam platina Larutan HCl 1 M Gambar 3 Elektroda hidrogen standar Pt H2 (1 atm) H + (1 M) Potensial setiap elektroda dapat ditentukan dengan cara menggabungkannya dengan elektroda hidrogen standar dan potensial dari

13 TI222 Kimia Lanjut 10 / sel yang diperoleh diukur berdasarkan persamaan (6) potensial elektroda itu kemudian dihitung. Contoh : Zn Zn E = E 2+ H 0,76 0 E 2 1M E Zn Zn H 2 2 Zn + Zn (1 M) E Zn H 2 Zn 2 (1 atm) Pt, E = 0,76 V = 0,76 V (25 C) Pt H E = 2 E 0,34 E (1 atm) H Cu 2 Cu Cu 2 Cu + E H (1 M) 2 0 E Cu Cu 2 Cu 2+ (1 M) Cu, = 0,34 V E = 0,34 V (25 C) Uraian di atas dapat disimpulkan : Potensial dari setiap elektroda x ialah potensial dari sel yang dibentuk dari elektroda ini dan elektroda hidrogen standar, dengan elektroda x ditulis di sebelah kanan.

14 TI222 Kimia Lanjut 10 / Elektroda H2 standar Elektroda x.. (9) H2 E sel = E x E E sel = E x 0 E x = Esel Karena elektroda x ditulis di sebelah kanan (katoda) maka potensial elektroda, menurut definisi di atas adalah untuk reaksi reduksi

15 TI222 Kimia Lanjut 10 / Elektroda Pembanding Kalomel Elektroda hidrogen standar tidak mudah dibuat, sehingga kurang praktis maka digunakan elektroda kalomel sebagai elektroda pembanding. Potensial dari elektroda ini sebagai berikut : Hg Hg2Cl2 (s) KCl (aq) Bergantung pada konsentrasi larutan KCl yang digunakan.

16 TI222 Kimia Lanjut 10 / Elektroda Kalomel 0,1 M Hg Hg2Cl2 (s) KCl (0,1 M) E = 0,3338 7,5 x 10 5 (t 25).. (10a) Elektroda Kalomel 1,0 M Hg Hg2Cl2 (s) KCl (1,0 M) E = 0,2800 2,4 x 10 4 (t 25).. (10b) Elektroda Kalomel jenuh Hg Hg2Cl2 (s) KCl (jenuh) E = 0,2415 7,6 x 10 4 (t 25).. (10c) t dinyatakan dalam C

17 TI222 Kimia Lanjut 10 / Dua bentuk konstruksi elektroda kalomel seperti gambar di bawah ini Hg Hg + Hg 2 Cl 2 KCl KCl Kapas Kapas Hg + Hg 2 Cl 2 Hg

18 TI222 Kimia Lanjut 10 / Cara Pengukuran Potensial Sel Kedua elektroda dalam sel volta diukur pada arus nol (rangkaian terbuka) daya gerak listrik sel. Voltmeter Potensiometer Berdasar metode kompensasi Poggendorff Memberikan harga lebih kecil dari pada daya gerak listrik sel

19 TI222 Kimia Lanjut 10 / Ketergantungan Potensial pada konsentrasi Persamaan Nernst G = n F E atau G = n F E. (11) E dalam volt F = tetapan Faraday dalam Coulomb = coulomb G = Energi dalam satuan Joule Jika reaksi : aa + bb cc + dd

20 TI222 Kimia Lanjut 10 / Energi bebas : a A B c d G = G RT ln C D b... (12) G o = perubahan energi bebas standar R = tetapan gas = 8,31 JK 1 mol 1 [A], [B],. = konsentrasi zat A, B,. Substitusikan persamaan (11) ke dalam persamaan (12) memberikan n F E = n F E + RT ln atau c C D a A B d b E = E RT c d nf ln C D b a A B... (13)

21 TI222 Kimia Lanjut 10 / Persamaan ini menyatakan kebergantungan potensial E pada konsentrasi, dikenal sebagai persamaan NERNST. Harga n dalam persamaan tersebut adalah = jumlah elektron yang dipertukarkan. Soal 1 Hitung potensial dari elektroda Zn Zn 2+ (0,1 molar) dan dari elektroda Cu Cu 2+ (0,01 molar) pada 25 C Soal 2 Hitung potensial dair sel Zn Zn 2+ (0,1 m) Cu 2+ (0,01 m) Cu pada 25 C Potensial standar, E o ada hubungannya dengan tetapan kesetimbangan reaksi.

22 TI222 Kimia Lanjut 10 / Jika suatu reaksi mencapai kesetimbangan pada suhu dan tekanan tertentu, maka G = 0 dan persamaan (12) ditulis sebagai 0 = G RT ln G = RT ln atau, c C D a A B C D a A B G = RT ln K... (14) K = tetapan kesetimbangan c Bagi zatzat dalam larutan dalam keadaan standar G = G o dan E = E o sehingga persamaan (11) mengambil bentuk G o = n F E o.(15) d b d b

23 TI222 Kimia Lanjut 10 / Jika persamaan ini kemudian disubstitusikan ke dalam persamaan (14) didapat E = RT ln K... (16) nf K = tetapan kesetimbangan Berbagai Jenis Elektroda Tiap sel Volta terdiri atas dua buah elektroda atau setengah sel. Beberapa jenis elektroda yang penting A. Elektroda logam ion logam Elektroda jenis ini terdiri atas sebuah logam aktif yang tercelup dalam larutan yang mengandung ionnya sendiri. Potensialnya bergantung pada konsentrasi ion ini.

24 TI222 Kimia Lanjut 10 / B. Elektroda Gas Yang paling penting dari elektroda jenis ini elektroda hidrogen : Pt H2 H + Dapat digunakan untuk menentukan ph larutan, karena potensi C. Elektroda logam garam tak larut Elektroda jenis ini terdiri atas logam berlapis. Salah satu garamnya yang sukar larut dan tercelup dalam larutan yang mengandung anion garam tersebut. D. Elektroda membran Salah satu elektroda membran penting adalah elektroda gelas yang banyak dipakai dalam pengukuran ph larutan.

25 TI222 Kimia Lanjut 10 / Jenisjenis sel Volta Bergantung pada kombinasi kedua elektrodanya dapat dibedakan dua jenis sel Volta A. Sel kimia B. Sel konsentrasi Sel kimia, dibentuk dari dua elektroda yang berbeda jenisnya; Sel ini disebut sel kimia oleh karena reaksi selnya adalah reaksi kimia A. Sel kimia dengan dua larutan elektrolit B. Sel kimia dengan satu larutan elektrolit Sel konsentrasi digunakan dua elektroda yang sama, tetapi dengan

26 TI222 Kimia Lanjut 10 / konsentrasi larutan elektrolitnya yang berbeda A. Sel konsentrasi dengan satu larutan elektrolit B. Sel konsentrasi dengan dua larutan elektrolit Sel Volta sebagai sumber energi A. Sel primer B. Sel sekunder C. Sel bahan bakar ( Fuel Cell )

27 TI222 Kimia Lanjut 10 / Elektrolisis 1. Reaksireaksi pada elektroda Sel elektrolisis arus listrik bagi suatu sumber dari luar sel dialirkan ke dalam larutan di dalam sel. Ionion positif (kation) ke arah elektroda negatif (katoda) Ionion negatif (anion) ke arah elektroda positif (anoda) Kedua elektroda terjadi reaksi kimia akibat dari pada proses perpindahan elektron

28 TI222 Kimia Lanjut 10 / Peristiwa reduksi : Proses terjadinya absorpsi elektron oleh ion positif atau oleh air Peristiwa oksidasi : Proses terjadinya pelepasan elektron Reaksi Redoks (Reduksi Oksidasi) bergantung pada berbagai faktor : Keadaan dan jenis elektrolit dalam sel Jenis elektroda yang digunakan Beda potensial listrik antara kedua elektroda Suhu

29 TI222 Kimia Lanjut 10 / Elektrolisis leburan elektrolit Elektrolisis ini penting dalam pembuatan logamlogam aktif, seperti Na, Mg dan Al Pada elektrolisis MgCl2, terjadi reaksireaksi sebagai berikut : Oksidasi : Reduksi : Reaksi Sel : 2Cl Cl 2 + 2e Mg e Mg MgCl 2 Mg + Cl 2 Pada pembuatan logam Al, digunakan larutan Al2O3, dalam Na3AlF6 (Kriolit) Elektrolisis dilakukan pada 850 o C Grafit sebagai kedua elektroda

30 TI222 Kimia Lanjut 10 / Reaksireaksi yang terjadi Oksidasi : Reduksi : Reaksi Sel : 6O 2 4Al e 3O e 4Al 2Al 2 O 3 4Al + 3O 2 3. Elektrolisis larutan elektrolit Keadaan di sini lebih rumit, oleh karena adanya molekulmolekul pelarut yang dapat pula dioksidasi (pada anoda) atau direduksi (pada katoda) Jadi pada masingmasing elektroda terdapat beberapa kemungkinan reaksi

31 TI222 Kimia Lanjut 10 / a. Elektrolisis HCl : oksidasi : 2Cl Cl2 + 2e (elektroda lamban) : reduksi : 2H + + 2e H2 b. Elektrolisis HCl : oksidasi : 2Cl Cl2 + 2e (elektroda lamban) : reduksi: 2H2O + 2e H2 + 2OH c. Elektrolisis NaCl : oksidasi : 2Cl Cl2 + 2e (anoda, grafit, : reduksi : Na + + e Na katoda merkuri) d. Elektrolisis K2SO4 : oksidasi : 2H2O 4H + + O2 + 4e (elektroda lamban) : reduksi : 2H2O + 2e H2 + 2OH e. Elektrolisis AgNO3 : oksidasi : 2H2O 4H + + O2 + 4e (elektroda lamban) : reduksi : Ag + + e Ag f. Elektrolisis AgNO3 : oksidasi : Ag Ag + + e (anoda perak, reduksi : Ag + + e Ag katoda perak)

32 TI222 Kimia Lanjut 10 / Dari contohcontoh tersebut bahwa tidak selalu terjadi reduksi atau oksidasi dari ionion dalam larutan, terutama kation logamlogam aktif (Na +, K +, Mg 2+ ) dan anion yang mengandung oksigen (SO4 2, NO3, PO4 3 ). Hal ini disebabkan karena reduksi atau oksidasi dari zatzat ini disertai dengan energi aktivasi yang tinggi sehingga reaksireaksi relatif lebih sulit terjadi.

33 TI222 Kimia Lanjut 10 / Banyaknya reaksi yang terjadi Menurut Faraday, massa zat yang dihasilkan atau yang bereaksi dalam elektrolisis. Berbanding lurus dengan jumlah muatan listrik yang lewat dalam larutan Berbanding lurus dengan berat atom atau berat molekul zat terlarut Berbanding terbalik dengan jumlah elektron per mol yang diperlukan untuk menimbulkan perubahan bilangan oksidasi yang terjadi. Jumlah muatan listrik yang lewat Q = I t Coulomb I = kuat arus dalam Ampere t = waktu selama arus listrik lewat dalam detik

34 TI222 Kimia Lanjut 10 / Jika A menyatakan berat atom atau berat molekul dan n ialah jumlah mol elektron yang diperlukan per mol zat yang bereaksi atau dihasilkan, maka W A I t n W = A I t n F... (17) W = massa zat yang bereaksi/dihasilkan (gram) 1 = tetapan perbandingan F Harga F dapat ditentukan Ag + + e Ag Ditemukan bahwa muatan listrik 1 Coulomb (1 Ampere yang mengalir selama 1 detik) mengendap sebanyak 1,11800 mg Ag.

35 TI222 Kimia Lanjut 10 / Pada contoh ini : A = 107,868 ; I = 1 ampere ; t = 1 detik n = 1 ; W = 1,11800 x 10 3 g Menurut persamaan di atas , x 10 = 107,868 F F = tetapan Faraday F = Coulomb F = Coulomb 5. Penggunaan Elektrolisis Elektrolisis adalah proses yang penting sekali dalam industri, terutama di negaranegara yang dapat menyediakan tenaga listrik dengan murah.

36 TI222 Kimia Lanjut 11 / Proses ini digunakan, misalnya dalam pembuatan logamlogam natrium, magnesium atau aluminium, pembuatan hidrogen peroksida, Kalium kromat, gas hidrogen dan klor, dan sejumlah besar zatzat lainnya. Gas hidrogen yang dibuat dengan proses elektrolisis sangat murni dan oleh karenanya sangat baik untuk digunakan dalam proses hidrogenasi minyak dalam pembuatan margarin. Proses elektrolisis juga banyak dipakai dalam electroplating dimana permukaan suatu logam dilapisi dengan logam lain yang lebih mulia; misalnya besi dapat dilapisi dengan nekel, tembaga dan krom. Proses pelapisan ini dikerjakan untuk

37 TI222 Kimia Lanjut 11 / melindungi logam terhadap korosi atau dengan tujuan dekoratif. Aplikasi penting lainnya adalah dalam pemurnian logamlogam tertentu, misalnya pemurnian tembaga untuk dipakai sebagai kabel penghantar arus listrik.

38 TI222 Kimia Lanjut 11 / Peristiwa korosi dan cara pencegahannya 1. Korosi sebagai peristiwa elektrokimia Pada dasarnya proses korosi adalah proses perpindahan elektron, jadi merupakan proses redoks. Korosi secara elektrokimia terjadi jika pada sistem korosi terdapat bagianbagian yang dapat berperan sebagai anoda maupun sebagai katoda dalam lingkungan yang mengandung elektrolit.

39 TI222 Kimia Lanjut 11 / Zn e + Cu Zn Zn 2+ +2e Cu e Cu Zn 2+ Cu 2+ Sel Korosi SengTembaga

40 TI222 Kimia Lanjut 11 / Korosi yang disertai absorpsi oksigen Tiap proses korosi terdiri atas dua proses yaitu Oksidasi pada pusat anoda Reduksi pada pusat katoda Kedua proses ini terjadi bersamaan Oksidasi merupakan pelarutan logam Dalam lingkungan netral atau basa terdapat kemungkinan reduksi dari air, 2 H2O + 2e H2 + 2OH Reaksi ini tidak terjadi dalam jumlah yang berarti oleh karena pada umumnya pembentukan gas hidrogen pada permukaan logam tidak berlangsung dengan mudah.

41 TI222 Kimia Lanjut 11 / Jika dalam larutan terdapat oksigen, maka reaksi reduksi 2 H2O + O2 + 4e 4OH akan terjadi jauh lebih mudah. 3. Korosi karena reaksi diferensial Sekalipun tidak terdapat pusatpusat katoda pada permukaan besi berupa logam yang relatif lebih mulia, namun korosi dapat berlangsung jika konsentrasi oksigen pada bagianbagian permukaan tidak sama Sebatang logam besi yang dicelupkan vertikal ke dalam air mengalami korosi pada ujung yang tercelup.

42 TI222 Kimia Lanjut 11 / Berdasarkan persamaan Nernst, potensial dari suatu elektroda di mana terjadi reaksi 2 H2O + O2 + 4e 4OH Bergantung pada tekanan gas oksigen E = E RT 4 OH 4F ln PO2 = E RT ln OH RT + 4F 4F ln PO2

43 TI222 Kimia Lanjut 11 / Udara Pusat Katoda 2H 2 O + O 2 + 4e 4OH Pusat Anoda Fe Fe e { { a Air Korosi mulai di sebelah bawah 4. Caracara pencegahan korosi Mencegah kontak antara logam dan lingkungan yang dapat menyebabkan korosi dapat dilakukan dengan mengecat permukaan logam Lapisan cat harus menutupi permukaan logam dengan sempurna, tidak berpori dan tidak mudah rusak.

44 TI222 Kimia Lanjut 11 / Cara lain, melapisi permukaan logam dengan logam lain Contoh : Besi dilapisi dengan Seng, Timah atau Krom Pelapisan dengan Krom tujuannya dekoratif Pelapisan dengan seng dikenal sebagai proses Galvanisasi, lebih efektif daripada pelapisan dengan timah. Metode lain dalam pencegahan korosi ialah Dengan cara mencegah terjadinya reaksi pada pusat anoda atau Pada pusat katoda dengan menggunakan inhibitor

45 TI222 Kimia Lanjut 11 / Inhibitor Anodik : Zat pengoksidasi seperti nitrit, nitrat, kromat atau dikromat. Inhibitor Katodik : Mempengaruhi reaksi pada katoda Proteksi Katodik : Cara lain dalam pencegahan korosi. Cara ini banyak digunakan untuk melindungi pipapipa besi dalam tanah. Pipa yang dilindungi itu dihubungkan dengan logam yang lebih aktif dari besi.

46 TI222 Kimia Lanjut 11 / Contoh : Korosi besi dalam lingkungan netral yang mengandung oksigen Permukaan besi selalu mengandung zatzat asing dalam bentuk atom logam yang relatif lebih mulia, misalnya tembaga, yang dapat berperan sebagai pusatpusat katoda dalam proses korosi. Proses korosi diawali dengan pelarutan besi menjadi ion besi (Fe 2+ ). Elektronelektron yang dilepaskan tertarik pada pusatpusat katoda (Cu) dan di sini terjadi reduksi yang melibatkan air dan oksigen terlarut.

47 S0372Bahan Pendukung 8.Kimia Teknik Sipil 08 / Ion OH yang dihasilkan berdifusi ke dalam larutan dan bereaksi dengan ion Fe 2+ membentuk Fe(OH)2 yang kemudian mengendap pada permukaan besi. Endapan ini berwarna hijau muda dapat teroksidasi lebih lanjut (jika persediaan oksigen cukup) menjadi besi oksidasi terhidrasi yang dikenal sebgai karatan besi dengan warnanya yang khas yaitu merah coklat. A. Fe Fe e B. Fe OH Fe(OH)2 (endapan hijau) C. 4Fe(OH)2 + O2 2H2O + 2Fe2O3.H2O (karatan yang berwarna merah coklat) Edisi : 1 Revisi : 0 Sept 2005