Departemen Kimia - FMIPA Universitas Gadjah Mada (UGM) ELEKTROKIMIA Termodinamika Elektrokimia Drs. Iqmal Tahir, M.Si. Laboratorium Kimia Fisika,, Departemen Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, 55281 Tel : 0857 868 77886; Fax : 0274-545188 Email : iqmal@ugm.ac.id atau iqmal.tahir@yahoo.com Website : http://iqmal.staff.ugm.ac.id http://iqmaltahir.wordpress.com Energi Bebas dan Kerja Listrik Untuk suatu reaksi redoks, G < 0 dan E sel > 0. G = -nfe sel Pada kondisi standar : G = -nfe sel dan n = jumlah mol e - yang ditransfer F = konstanta Faraday = 9.65x10 4 J/V mol e - RT E sel = ln K nf atau 0.0592 V E sel = log K n Dengan T = 298.15 K 1
Hubungan antara G, E sel dan K. G Parameter reaksi pada keadaan standar G K E sel keadaan standar Reaksi pada kondisi < 0 > 1 > 0 spontan 0 1 0 Pada keadaan kesetimbangan > 0 < 1 < 0 nonspontan E sel K RT E sel = ln K nf Contoh : Perhitungan K dan G dari E sel Kasus : Tembaga dapat menggantikan perak dari larutan dan padatan perak akan terjadi dalam jumlah kecil yang dijumpai pada bijih tembaga. Pb(s) + 2Ag + (aq) Pb 2+ (aq) + 2Ag(s) Sebagai konsekuensinya, perak yang merupakan produk samping yang berharga dari hasil ekstraksi tembaga dari biji tambangnya. Hitung nilai K dan G pada 298.15 K untuk reaksi tersebut. Analisis: Kita harus membagi reaksi redoks tersebut menjadi dua reaksi paro dan berdasarkan data table potensial sel maka dapat digunakan untuk menghitung E sel. Selanjutnya dapat dihitung nilai K dan G. Penyelesaian: Tuliskan reaksi-reaksi paro dan nilai E nya: (1) Ag + (aq) + e - Ag(s) E = 0.80 V (2) Pb 2+ (aq) + 2e - Pb(s) E = -0.13 V 2
Persamaan (2) dibalik dan persamaan (1) dikalikan 2: (1) 2Ag + (aq) + 2e - 2Ag(s) E = 0.80 V (2) Pb(s) Pb 2+ (aq) + 2e - E = -0.13 V 2Ag + (aq) + Pb(s) 2Ag(s) + Pb 2+ (aq) RT E sel = ln K nf = 0.0592 V 2 log K = 0.93 V 0.93 V x 2 log K = = 31.42 K = 2.6x10 31 0.0592 V E sel = 0.80 (-0.13) = 0.93 V G = -nfe 2 mol e- sel = - x mol rxn 96.5 kj V mol e - x 0.93 V = -1.8x10 2 kj/mol rxn Potensial sel dan Konsentrasi Persamaan Nernst E sel = E sel - RT ln Q nf JikaQ < 1, [reaktan] > [produk], ln Q < 0, sehingga E sel > E sel JikaQ = 1, [reaktan] = [produk], ln Q = 0, sehingga E sel = E sel JikaQ > 1, [reaktan] < [produk], ln Q > 0, sehingga E sel < E sel Persamaan dapat disederhanakan jika T = 298.15 K: E sel = E sel - 0.0592 V n log Q 3
Penggunaan Persamaan Nernst untuk menghitung E sel Kasus: Pada pengujian suatu elektroda referensi yang baru, seorang analisi menyusun sel Volta yang terdiri dari sel paro Zn/Zn 2+ dan sel paro H 2 /H + pada kondisi sebagai berikut : [Zn 2+ ] = 0.010 M [H + ] = 2.5 M P = 0.30 atm H 2 Hitunglah E sel pada 298 K. Analisis: Untuk aplikasi persamaan Nernst dan penentuan E sel, kita harus tahu nilai E sel dan Q. Tuliskan persamaan reaksi spontan dan hitunglah E sel dari nilai potensial elektroda standar. Kita harus mengkonversikan tekanan menjadi molaritas supaya satuannya setara. Penyelesaian: (1) 2H + (aq) + 2e - H 2 (g) E = 0.00 V (2) Zn(s) Zn 2+ (aq) + 2e - E = -0.76 V 2H + (aq) + Zn(s) H 2 (g) + Zn 2+ (aq) E sel = 0.00 (-0.76) = 0.76 V Konversi tekanan menjadi molaritas: n V = P RT = 0.30 atm = 1.2x10-2 M 0.0821 atm L x 298.15 K mol K [H 2 ][Zn 2+ ] Q = [H + ] 2 = 0.012 x 0.010 = 1.9x10-5 (2.5) 2 Penyelesaian untuk E sel pada 25 C (298.15 K), dengan n = 2: E sel = E sel - = 1.10 V - 0.0592 V 2 0.0592 V log Q n log(1.9x10-5 ) = 0.76 (-0.14 V) = 0.90 V 4
Hubungan antara E sel dan log Q untuk sel seng-tembaga. Jika reaksi dimulai dengan [Zn 2+ ] < [Cu 2+ ] (Q < 1), maka E sel akan lebih tinggi daripada potensial sel standarnya. Setelah reaksi berlangsung, [Zn 2+ ] berkurang dan [Cu 2+ ] meningkat, sehingga E sel akan turun. Sampai kemudian sistem mencapai keadaan kesetimbangan dan sel tidak dapat bekerja kembali. Hubungan antara E sel dan log Q untuk sel seng-tembaga. Sebagai rangkuman perubahan E sel pada berbagai operasi sel Volta. 5
Sel Konsentrasi Sel konsentrasi menerapkan pengaruh perubahan konsentrasi terhadap potensial sel. Sel ini akan memiliki reaksi paro yang sama di kedua ruang sel paro, tetapi memiliki perbedaan konsentrasi dari elektrolitnya. Contoh : Cu(s) Cu 2+ (aq; 0.10 M) + 2e - [anoda; oksidasi] Cu 2+ (aq; 1.0 M) + 2e - Cu(s) [katoda; reduksi] Cu 2+ (aq; 1.0 M) Cu 2+ (aq; 0.10 M) Selama konsentrasi larutan berbeda, maka potensial sel > 0 dan sel dapat melakukan kerja. Sel konsentrasi berbasis reaksi paro Cu/Cu 2+ Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Reaksi paro oksidasi Cu(s) Cu 2+ (aq, 0.1 M) + 2e - Reaksi paro reduksi Cu 2+ (aq, 1.0 M) + 2e - Cu(s) Reaksi total Cu 2+ (aq,1.0 M) Cu 2+ (aq, 0.1 M) E sel > 0 dapat berlangsung selama konsentrasi sel paro selalu berbeda. Sel tidak eksis lagi melakukan kerja jika konsentrasi sudah sama. 6
Perhitungan potensial dari sel konsentrasi Kasus: Suatu sel konsentrasi terdiri dua sel paro Ag/Ag +. Pada sel paro A, elektrolit berupa larutan AgNO 3 0.0100 M AgNO 3 ; dan pada sel paro B, elektrolit berupa larutan AgNO 3 4.0x10-4 M AgNO 3. Berapakah potensial sel pada 298.15 K? Analisis: Potensial sel paro standar adalah identic sehingga E sel adalah nol. Kita dapat menentukan E sel dari persamaan Nernst. Sel paro A memiliki [Ag + ] yang lebih tinggi, sehingga ion-ion Ag + akan tereduksi dan melapisi elektroda A dan hal ini berlaku sebagai katoda. Pada sel paro B, atom-atom Ag dari elektroda akan teroksidasi menghasilkan ion-ion Ag + ke dalam larutan.. Elektroda B bertindak sebagai anoda. Sebagai hasilnya adalah berupa sel Volta dengan katoda sebagai kutub positif dan anoda sebagai kutub negative. Penyelesaian: Nilai [Ag + ] menurun pada sel paro A dan meningkat pada sel paro B, sehingga reaksi spontan terjadi pada : Ag + (aq; 0.010 M) [sel paro A] Ag + (aq; 4.0x10-4 M) [sel paro B] E sel = E sel - 0.0592 V [Ag log + ] encer 1 [Ag + ] pekat = 0.0 V - 0.0592 log 4.0x10-4 0.010 = 0.0828 V 7
Pengukuran ph. Cara kerja ph meter merupakan ujud pentingnya aplikasi dari sel konsentrasi. Elektroda gelas memonitor [H + ] di dalam larutan relatif terhadap [H + ] internal yang terdapat di dalamnya. Tipe ph meter lama yang melibatkan dua elektroda. Tipe ph meter modern yang menggunkan kombinasi elektroda. Table. Beberapa jenis ion yang dapat diukur dengan menggunakan elektroda spesifik ion Spesies ion NH 3 /NH + 4 CO 2 /HCO - 3 F - Br - I - NO - 3 K + H + Asal sampel Limbah industry, air laut Darah, air tanah Air minum, urin, tanah, gas industri Gandum, jaringan tanaman Susu, obat-obatan Tanah, pupuk, air minum Serum darah, tanah, minuman anggur Larutan laboratorium, tanah, air alam 8
Minimikroanalisis. Rekaman dari suatu mikroelektroda impulse listrik dari single neuron pada suatu cortex mata monyet. Potensial listrik dari sel nerve dihasilkan dari perbedaan konsentrasi ion-ion [Na + ] dan [K + ] di dalam dan di luar sel. 9