ELEKTROKIMIAPERUBAHAN KIMIA DAN KERJA LISTRIK

OverviewKonsep termodinamika tidak hanya berhubungan dengan mesin uap, atau transfer energi berupa kalor dan kerjaDalam konteks kehidupan sehari-hari aplikasinya sangat luas mulai dari pemanfaatan baterei untuk menjalankan hampir semua alat elektronik hingga pelapisan logam pada permukaan logam lainElektrokimia adalah ilmu yang mempelajari hubungan antara perubahan (reaksi) kimia dengan kerja listrik, biasanya melibatkan sel elektrokimia yang menerapkan prinsip reaksi redoks dalam aplikasinya.Ada 2 jenis sel elektrokimia: (1) Sel yang melakukan kerja dengan melepaskan energi dari reaksi spontan dan (2) sel yang melakukan kerja dengan menyerap energi dari sumber listrik untuk menggerakkan reaksi non spontan

Setengah Reaksi dan Sel ElektrokimiaSel elektrokimia baik yang melepas atau menyerap energi selalu melibatkan perpindahan elektron-elektron dari satu senyawa ke senyawa yang lain dalam suatu reaksi oksidasi reduksiOksidasi adalah hilangnya elektron sedangkan reduksi diperolehnya elektronZat pengoksidasi adalah spesies yang melakukan oksidasi, mengambil elektron dari zat yang teroksidasiZat pereduksi adalah spesies yang melakukan reduksi memberikan elektron kepada zat yang tereduksiSetelah reaksi zat teroksidasi memiliki bilangan oksidasi lebih tinggi sedangkan zat tereduksi memiliki bilangan oksidasi lebih rendah

Terminologi Redoks

Menyeimbangkan Persamaan RedoksBagi reaksi menjadi dua buah setengah reaksi masing-masing yang mengalami oksidasi dan reduksiSeimbangkan atom dan muatan pada masing-masing reaksiMula-mula atom selain O dan H, kemudian O lalu terakhir HMuatan diseimbangkan dengan menambah elektron (e) disebelah kiri untuk setengah reaksi reduksi dan disebelah kanan untuk setengah reaksi oksidasiKalikan masing2 setengah reaksi dengan bilangan bulat untuk menyeimbangkan jumlah e yang diperoleh reduksi sama dengan elektron yang dilepas oksidasiJumlahkan kedua buah setengah reaksi tersebutPeriksa apakah atom dan muatan sudah seimbang

Reaksi Redoks suasana asamCr2O72-(aq) + I-(aq) Cr3+(aq) + I2(s) (lar asam)Mula-mula bagi reaksi menjadi dua buah setengah reaksi reduksi dan oksidasiSeimbangkan atom dan muatan dimasing-masing setengah reaksiSeimbangkan jumlah atom CrSeimbangkan O dengan menambahkan H2OSeimbangkan H dengan menambahkan ion H+Seimbangkan muatan dengan menambah elektronBegitupun dengan setengah reaksi oksidasiKalikan masing-masing setengah reaksi agar jumlah e samaJumlahkan kedua buah setengah reaksi tersebut menjadi overallPeriksa jumlah atom dan muatanUntuk reaksi suasana basa setelah langkah ke4 tambahkan ion OH- dengan jumlah sama dengan ion H+

Soal LatihanPermanganat bereaksi dalam larutan basa dengan ion oksalat membentuk ion karbonat dan mangan dioksida padat seimbangkan reaksi redoks berikut:MnO4-(aq) + C2O42-(aq) MnO2(s) + CO32-(aq)Seimbangkan persamaan reaksi berikut dengan suasana larutan basaMnO4-(aq) + I-(aq) MnO42-(aq) + IO3-(aq)

Sel ElektrokimiaSel Volta (sel galvani) memanfaatkan reaksi spontan (G < 0) untuk membangkitkan energi listrik, selisih energi reaktan (tinggi) dengan produk (rendah) diubah menjadi energi listrik. Sistem reaksi melakukan kerja terhadap lingkunganSel Elektrolisa memanfaatkan energi listrik untuk menjalankan reaksi non spontan (G > 0) lingkungan melakukan kerja terhadap sistemKedua tipe sel menggunakan elektroda, yaitu zat yang menghantarkan listrik antara sel dan lingkungan dan dicelupkan dalam elektrolit (campuran ion) yang terlibat dalam reaksi atau yang membawa muatan

ElektrodaElektroda terbagi menjadi dua jenis yaitu anoda dan katodaSetengah reaksi oksidasi terjadi di anoda. Elektron diberikan oleh senyawa teroksidasi (zat pereduksi) dan meninggalkan sel melalui anodaSetengah reaksi reduksi terjadi di katoda. Elektron diambil oleh senyawa tereduksi (zat pengoksidasi) dan masuk sel melalui katoda

Sel Volta dan Sel Elektrolisa

Sel Volta

Konstruksi dan Operasi Sel VoltaSetengah sel oksidasi: anoda berupa batang logam Zn dicelupkan dalam ZnSO4Setengah sel reduksi: katoda berupa batang logam Cu dicelupkan dalam CuSO4Terbentuk muatan relatif pada kedua elektroda dimana anoda bermuatan negatif dan katoda bermuatan positifKedua sel juga dihubungkan oleh jembatan garam yaitu tabung berbentuk U terbalik berisi pasta elektrolit yang tidak bereaksi dengan sel redoks gunanya untuk menyeimbangkan muatan ion (kation dan anion)Dimungkinkan menggunakan elektroda inaktif yang tidak ikut bereaksi dalam sel volta ini misalnya grafit dan platinum

Notasi Sel VoltaSel Volta dinotasikan dengan cara yang telah disepakati (untuk sel Zn/Cu2+)Zn(s)|Zn2+(aq)Cu2+(aq)|Cu(s)Bagian anoda (setengah sel oksidasi) dituliskan disebelah kiri bagian katodaGaris lurus menunjukkan batas fasa yaitu adanya fasa yang berbeda (aqueous vs solid) jika fasanya sama maka digunakan tanda komaUntuk elektroda yang tidak bereaksi ditulis dalam notasi diujung kiri dan ujung kanan

Sel Volta dengan Elektroda InaktifGrafit|I2(s)|I-(aq)H+(aq), MnO4-(aq), Mn2+(aq)|Grafit

Soal LatihanDalam satu bagian sel volta, batang grafit dicelupkan dalam larutan K2Cr2O7 dan Cr(NO3)3 (suasana asam). Pada bagian yang lain logam timah dicelupkan dalam larutan Sn(NO3)2 jembatan garam menghubungkan kedua bagian. Elektroda timah bermuatan negatif relatif terhadap grafitGambarkan diagram sel, tuliskan persamaan reaksi seimbang dan notasi sel volta tersebut

Potensial Sel (Esel)Sel volta menjadikan perubahan energi bebas reaksi spontan menjadi energi listrikEnergi listrik ini berbanding lurus dengan beda potensial antara kedua elektroda (voltase) atau disebut juga potensial sel (Esel) atau gaya electromotive (emf)Untuk proses spontan Esel > 0, semakin positif Esel semakin banyak kerja yang bisa dilakukan oleh selSatuan yang dgunakan 1 V = 1 J/CPotensial sel sangat dipengaruhi oleh suhu dan konsentrasi, oleh karena itu potensial sel standar diukur pada keadaan standar (298 K, 1 atm untuk gas, 1 M untuk larutan dan padatan murni untuk solid)

Potensial Elektroda Standar (Eosetengah-sel)Potensial elektroda standar adalah potensial yang terkait dengan setengah reaksi yang ada (wadah elektroda)Menurut kesepakatan potensial elektroda standar selalu ditulis dalam setengah reaksi reduksiBentuk teroksidasi + ne bentuk tereduksi Eo1/2 selPotensial elektroda standar seperti halnya besaran termodinamika dapat dibalik dengan mengubah tandanyaEosel = Eokatoda - Eoanoda

Elektroda Hidrogen StandarIlmuwan telah menyepakati untuk memilih setengah reaksi rujukan dengan nilai 0 untuk reaksi:2H+(aq, 1 M) + 2e H2(g, 1 atm) Eorujukan = 0H2(g, 1 atm) 2H+(aq, 1 M) + 2e Eorujukan = 0Dengan nilai rujukan ini kita bisa menyusun sel volta yang menggunakan elektroda hidrogen standar sebagai salah satu elektrodanya dan mengukur potensial sel dengan alat ukur, kemudian kita dapat menentukan potensial elektroda standar banyak zat secara luas

Soal LatihanSuatu sel volta memiliki reaksi antara larutan bromine dan logam ZnBr2(aq) + Zn(s) Zn2+(aq) + 2Br-(aq) Eosel = 1,83 VHitung Eo untuk oksidasi Br-(aq) jika EoZn = -0,76 VSuatu sel volta memiliki Eosel = 1,39 V berdasarkan reaksi:Br2(aq) + 2V3+(aq) + 2H2O(l) 2VO2+(aq) + 4H+(aq) + 2Br-(aq)Berapa potensial elektroda standar reduksi VO2+ menjadi V3+ ?

Kekuatan Relatif Oksidator dan ReduktorSemua nilai adalah relatif terhadap elektroda hidrogen standar (referensi)2H+ (aq, 1 M) + 2e H2 (g, 1 atm)Menurut konvensi semua setengah reaksi ditulis sebagai reaksi reduksi artinya semua reaktan pengoksidasi dan semua produk pereduksiNilai Eo yang diberikan adalah setengah reaksi tertulis, semakin positif nilainya semakin besar kecenderungan reaksi tersebut terjadiNilai Eo memiliki nilai yang sama tetapi berbeda tanda jika reaksinya kita balikBerdasarkan tabel semakin keatas semakin oksidator dan semakin kebawah semakin reduktor

Reaksi Redoks SpontanSetiap reaksi redoks adalah jumlah dari kedua setengah reaksi, sehingga akan ada reduktor dan oksidator ditiap-tiap sisi reaksiBerdasarkan tabel maka reaksi spontan (Eosel> 0) akan terjadi antara oksidator (sisi reaktan) dan reduktor (sisi produk) yang terletak dibawahnyaMisal Cu2+ (kiri) dan Zn (kanan) bereaksi spontan dan Zn terletak dibawah Cu2+

Soal Latihan Kombinasikan setengah reaksi berikut menjadi 3 buah reaksi redoks spontan, hitung Eosel untuk tiap-tiap reaksi dan urutkan kenaikan sifat oksidator dan sifat reduktor senyawanya!Apakah reaksi berikut spontan3Fe2+(aq) Fe(s) + 2Fe3+(aq)Jika tidak, tulis reaksi spontannya, hitung Eosel dan urutkan ketiga spesies besi berdasarkan penurunan kekuatan reduksinya!

Reaktifitas Relatif LogamLogam yang dapat menggantikan H2 dari asam. Ambil salah satu logam, tuliskan reaksi oksidasinya lalu jumlah untuk memperoleh Eosel jika positif maka H2 akan terlepasLogam yang tidak dapat menggantikan H2, dengan langkah yang sama, namun jika hasilnya Eosel < 0, maka reaksi tidak spontanLogam yang dapat menggantikan H2 dari air, logam yang terletak dibawah reduksi airLogam yang dapat menggantikan logam lain dari larutannya, yaitu logam yang terletak dibagian bawah tabel dapat mereduksi logam yang terletak dibagian atas tabel

Potensial Sel Standar dan Konstanta Kesetimbangan

Soal LatihanTimbal dapat menggantikan perak dari larutannya:Pb(s) + 2Ag+(aq) Pb2+(aq) + 2Ag(s)Hitung K dan Go pada 25oC untuk reaksi ini!Saat logam kadmium mereduksi Cu2+ dalam larutan, terbentuk ion Cd2+ dan logam Cu, jika Go = -143 kJ, hitung K pada 25oC dan berapa potensial sel sel volta yang menggunakan reaksi ini?

Pengaruh Konsentrasi terhadap Potensial SelSejauh ini potensial sel standar diukur dari potensial setengah sel juga pada keadaan standar sementara kebanyakan sel volta tidak beroperasi pada keadaan standarnyaBerdasarkan persamaan yang telah diketahui:G = Go + RT ln Q sedangkanG = -nFEsel juga Go = -nFEosel sehingga-nFEsel = -nFEosel + RT ln QEsel = Eosel (RT/nF) ln Q

Aplikasi Persamaan NernstSaat Q < 1 sehingga [reaktan] > [produk] maka Esel > EoselSaat Q = 1 sehingga [reaktan] = [produk] maka Esel = EoselSaat Q > 1 sehingga [reaktan] < [produk] maka Esel < EoselJika kita memasukkan nilai R dan T pada 298Esel = Eosel (0,0592 V/n) log Q (pada 25oC)

Soal LatihanSeorang kimiawan menyusun sel volta yang terdiri dari elektroda Zn/Zn2+ dan H2/H+ pada kondisi [Zn2+] = 0,010 M, [H+] = 2,5 M dan Tekanan H2 = 0,30 atmPerhatikan sel berdasarkan reaksi berikutFe(s) + Cu2+(aq) Fe2+(aq) + Cu(s)Jika [Cu2+] = 0,30 M berapa [Fe2+] diperlukan untuk meningkatkan Esel 0,25 V diatas Eosel pada 25oC?

Potensial Sel dan Hubungan antara Q dan KZn(s) + Cu2+(aq) Zn2+(aq) + Cu(s) Q = [Zn2+]/[Cu2+]

Sel Konsentrasi