REAKSI REDOKS

Semua makhluk hidup di dunia memerlukan energi. Umumnya energi yang

diperlukan oleh makhluk hidup tersebut berasal dari reaksi reduksi dan oksidasi

(reaksi redoks). Manusia dan hewan mendapatkan energi dari reaksi redoks bahan

yang dimakannya. Bahkan energi yang kalornya tinggi pun dihasilkan melalui reaksi

redoks, misalnya bensin, batubara dan gula. Bahan-bahan tersebut merupakan hasil

reaksi redoks dari bahan-bahan dasarnya.

Pentingnya reaksi oksidasi-reduksi dikenali sejak awal kimia. Dalam oksidasi-

reduksi, suatu entitas diambil atau diberikan dari dua zat yang bereaksi. Situasinya

mirip dengan reaksi asam basa. Singkatnya, reaksi oksidasi-reduksi dan asam basa

merupakan pasangan sistem dalam kimia. Reaksi oksidasi reduksi dan asam basa

memiliki nasib yang sama, dalam hal keduanya digunakan dalam banyak praktek

kimia sebelum reaksi ini dipahami. Konsep penting secara perlahan dikembangkan:

misalnya, bilangan oksidasi, oksidan (bahan pengoksidasi), reduktan (bahan

pereduksi), dan gaya gerak listrik, persamaan Nernst, hukum Faraday tentang induksi

elektromegnet dan elektrolisis. Perkembangan sel elektrik juga sangat penting.

Penyusunan komponen reaksi oksidasi-reduksi merupakan praktek yang penting dan

memuaskan secara intelektual. Sel dan elektrolisis adalah dua contoh penting,

keduanya sangat erat dengan kehidupan sehari-hari dan dalam industri kimia.

Penemuan oksigen

Karena udara mengandung oksigen dalam jumlah yang besar, kombinasi

antara zat dan oksigen, yakni oksidasi, paling sering berlangsung di alam.

Pembakaran dan perkaratan logam pasti telah menatik perhatian orang sejak dulu.

Namun, baru di akhir abad ke- 18 kimiawan dapat memahami pembakaran dengan

sebenarnya. Pembakaran dapat dipahami hanya ketika oksigen dipahami. Sampai

doktrin Aristoteles bahwa udara adalah unsur dan satu-satunya gas ditolak,

mekanisme oksidasi belum dipahami dengan benar. Kemungkinan adanya gas selain

udara dikenali oleh Helmont sejak awal abad ke-17. Metoda untuk memisahkan gas

tak terkontaminasi dengan uap menggunakan pompa pneumatik dilaporkan oleh

Hales di sekitar waktu itu. Namun, walau telah ada kemajuan ini, masih ada satu

miskonsepsi yang menghambat pemahaman peran oksigen dalam pembakaran.

Miskonsepsi ini adalah teori flogiston yang telah disebutkan di Bab 1. Teori ini

dinyatakan oleh dua kimiawan Jerman, Georg Ernst Stahl (1660-1734) dan Johann

Joachim Becher. Menurut teori ini, pembakaran adalah proses pelepasan flogiston

dari zat yang terbakar. Asap yang muncul dari kayu terbakar dianggap bukti yang

baik teori ini. Massa abu setelah pembakaran lebih ringan dari massa kayu dan ini

juga konsisten dengan teori flogiston. Namun, ada kelemahan utama dalam teori ini.

Residu (oksida logam) setelah pembakaran logam lebih berat dari logamnya. Priestley

dan Scheele, yang menemukan oksigen di akhir abad ke-18, adalah penganut teori

flogiston . Jadi mereka gagal menghayati peran oksigen dalam pembakaran.

Sebaliknya, Lavoiseur, yang tidak terlalu mengenali teori ini, dengan benar

memahamo peran oksigen dan mengusulkan teori pembakaran baru yakni oksidasi

atau kombinasi zat terbakar dengan oksigen.Ia mendukung teroinya dengan

percobaan yang akurat dan kuantitatif yang jauh lebih baik dari standar waktu itu. Ia

menyadari bahwa penting untuk memperhatikan kuantitas gas yang terlibat dalam

reaksi untuk memahami reaksi kimia dengan cara kuantitatif. Jadi ia melakukan

reaksinya dalam wadah tertutup.

Peran hidrogen

Ternyata tidak semua reaksi oksidasi dengan senyawa organik dapat

dijelaskan dengan pemberian dan penerimaan oksigen. Misalnya, walaupun reaksi

untuk mensintesis anilin dengan mereaksikan nitrobenzen dan besi dengan kehadiran

HCl adalah reaksi oksidasi reduksi dalam kerangka pemberian dan penerimaan

oksigen, pembentukan CH3CH3 dengan penambahan hidrogen pada CH2=CH2, tidak

melibatkan pemberian dan penerimaan oksigen. Namun, penambahan hidrogen

berefek sama dengan pemberian oksigen. Jadi, etena direduksi dalam reaksi ini.

Dengan kata lain, juga penting mendefinisikan oksidasi-reduksi dalam kerangka

pemberian dan penerimaan hidrogen.

Peran elektron

Pembakaran magnesium jelas juga reaksi oksidasi-reduksi yang jelas

melibatkan pemberian dan penerimaan oksigen.

2Mg + O2 –> 2MgO

Reaksi antara magnesium dan khlorin tidak diikuti dengan pemberian dan

penerimaan oksigen.

Mg + Cl2 –> MgCl2

Namun, mempertimbangkan valensi magnesium, merupakan hal yang logis

untuk menganggap kedua reaksi dalam kategori yang sama. Memang, perubahan

magnesium, Mg –> Mg2++ 2e- , umum untuk kedua reaksi, dan dalam kedua reaksi

magnesium dioksidasi. Dalam kerangka ini, keberlakuan yang lebih umum akan

dicapai bila oksidasi-reduksi didefinisikan dalam kerangka pemberian dan

penerimaan elektron. Bila kita menggunakan definisi ini, reaksi oksidasi-reduksi

dapat dibagi menjadi dua, satu adalah reaksi oksidasi, dan satunya reaksi reduksi.

Jadi,

Mg –> Mg2+ + 2 e- (mendonorkan elektron –> dioksidasi)

Cl2 + 2e—> 2Cl- (menerima elektron –> direduksi)

Masing-masing reaksi tadi disebut setengah reaksi. Akan ditunjukkan bahwa

reaksi oksidasi reduksi biasanya paling mudah dinyatakan dengan setengah reaksi

(satu untuk oksidan dan satu untuk reduktan

Oksidan dan reduktan (bahan pengoksidasi dan pereduksi)

Oksidasi reduksi seperti dua sisi dari selembar kertas, jadi tidak mungkin

oksidasi atau reduksi berlangsung tanpa disertai lawannya. Bila zat menerima

elektron, maka harus ada yang mendonorkan elektron tersebut.

Dalam oksidasi reduksi, senyawa yang menerima elektron dari lawannya

disebut oksidan (bahan pengoksidasi sebab lawannya akan teroksidasi. Lawan

oksidan, yang mendonorkan elektron pada oksidan, disebut dengan reduktan (bahan

pereduksi) karena lawannya (oksidan tadi tereduksi.

Di antara contoh di atas, magnesium, yang memberikan elektron pada khlorin,

adalah reduktan, dan khlorin, yang menerima elektron dari magnesium, adalah

reduktan. Umumnya, unsur elektropositif seperti logam alkali dan alkali tanah adalah

reduktan kuat; sementara unsur elektronegatif seperti khlorin adalah oksidan yang

baik.

Suatu senyawa dapat berlaku sebagai oksidan dan juga reduktan. Bila

senyawa itu mudah mendonorkan elektron pada lawannya, senyawa ini dapat menjadi

reduktan. Sebaliknya bila senyawa ini mudah menerima elektron, senyawa itu adalaj

oksidan.

Bilangan oksidasi

Besi adalah reduktan yang baik dan besi menjadi Fe2+ atau Fe3+ bergantung

kondisi reaksi.

Fe –> Fe2+ +2e- (10.5)

Fe –> Fe3+ +3e- (10.6)

Jadi, penting untuk menyatakan dengan jelas jumlah elektron yang diserahkan

atau diterima. Untuk keperluan ini, suatu parameter, bilangan oksidasi didefinisikan.

Bilangan oksidasi untuk unsur monoatomik adalah muatan atom tersebut. Bilangan

oksidasi Fe, Fe2+ dan Fe3+ adalah 0, +2 dan +3．

Untuk memperluas konsep bilangan oksidasi pada molekul poliatomik,

penting untuk mengetahui distribusi elektron dalam molekul dengan akurat. Karena

hal ini sukar, diputuskan bahwa muatan formal diberikan pada tiap atom dengan

menggunakan aturan tertentu, dan bilangan oksidasi didefinisikan berdasarkan

muatan formal. Ringkasan definisinya diberikan sebagai berikut.

Definsi bilangan oksidasi

1. bilangan oksidasi unsur (termasuk alotrop) selalu 0.

2. bilangan oksidasi oksigen adalah -2 kecuali dalam peroksida, -1.

3. bilangan oksidasi hidrogen adalah +1 kecuali dalam hidrida logam -1.

4. bilangan oksidasi logam alkali +1 dan logam alkali tanah +2.

5. Untuk ion dan molekul poliatomik, bilangan oksidasi setiap atom

didefinisikan sehingga jumlahnya sama dengan muatannya.

Jika ditelusuri dari asal katanya, oksidasi berasal dari gas oksigen. Salah satu

sifat dari gas oksigen adalah kemampuannya untuk bereaksi dengan berbagai unsur

membentuk suatu oksida. Pada mulanya, oksidasi diartikan sebagai peristiwa

bereaksinya suatu zat dengan oksigen. Menurut konsep tersebut, suatu zat dikatakan

mengalami oksidasi jika mengikat oksigen. Berikut contoh-contoh reaksi oksidasi:

1. Oksidasi suatu unsur akan menghasilkan suatu oksida.

4Fe + 3 O2 2Fe2O3

2. Oksidasi senyawa sulfida menghasilkan oksida unsur logam penyusunnya.

4FeS2 + 11O2 2FeO3 + 8SO2

3. Oksidasi atau pembakaran senyawa karbon menghasilkan gas karbon dioksida

dan air.

C3H8 + 5O2 3CO2 + 4 H2O

Dalam artian yang lebih luas lagi, senyawa-senyawa yang memiliki

kemampuan untuk mengoksidasi senyawa lain dikatakan sebagai oksidatif dan

dikenal sebagai oksidator atau agen oksidasi. Oksidator melepaskan elektron dari

senyawa lain, sehingga dirinya sendiri tereduksi. Oleh karena ia menerima elektron,

ia juga disebut sebagai penerima elektron. Oksidator biasanya adalah senyawa-

senyawa yang memiliki unsur-unsur dengan bilangan oksidasi yang tinggi seperti

H2O2, MnO4−, CrO3, Cr2O7

2−, OsO4 atau senyawa-senyawa yang sangat elektronegatif,

sehingga dapat mendapatkan satu atau dua elektron yang lebih dengan mengoksidasi

sebuah senyawa misalnya oksigen, fluorin, klorin, dan bromin.

Reaksi reduksi merupakan kebalikan dari reaksi oksidasi, yaitu proses

pelepasan gas oksigen. Umumnya, oksida logam akan melepaskan oksigen jika

dipanaskan, misalnya pemanasan oksida raksa (HgO).Pada proses tersebut, HgO

melepaskan atom oksigen dan berubah menjadi Hg. Jadi,HgO mengalami reduksi.

Pengertian reduksi juga dapat diperluas senyawa-senyawa yang memiliki

kemampuan untuk mereduksi senyawa lain dikatakan sebagai reduktif dan dikenal

sebagai reduktor atau agen reduksi. Reduktor melepaskan elektronnya ke senyawa

lain, sehingga ia sendiri teroksidasi. Oleh karena ia mendonorkan elektronnya, ia juga

disebut sebagai penderma elektron. Senyawa-senyawa yang berupa reduktor sangat

bervariasi. Unsur-unsur logam seperti Li, Na, Mg, Fe, Zn, dan Al dapat digunakan

sebagai reduktor. Logam-logam ini akan memberikan elektronnya dengan mudah.

Reduktor jenis lainnya adalah reagen transfer hidrida, misalnya NaBH4 dan LiAlH4,

reagen-reagen ini digunakan dengan luas dalam kimia organik, terutama dalam

reduksi senyawa-senyawa karbonil menjadi alkohol. Metode reduksi lainnya yang

juga berguna melibatkan gas hidrogen (H2) dengan katalis paladium, platinum, atau

nikel, reduksi katalitik ini utamanya digunakan pada reduksi ikatan rangkap dua ata

tiga karbon-karbon.

Walaupun cukup tepat untuk digunakan dalam berbagai tujuan, penjelasan di

atas tidaklah persis benar. Oksidasi dan reduksi tepatnya merujuk pada perubahan

bilangan oksidasi karena transfer elektron yang sebenarnya tidak akan selalu terjadi.

Sehingga oksidasi lebih baik didefinisikan sebagai peningkatan bilangan oksidasi,

dan reduksi sebagai penurunan bilangan oksidasi. Dalam prakteknya, transfer

elektron akan selalu mengubah bilangan oksidasi, namun terdapat banyak reaksi yang

diklasifikasikan sebagai "redoks" walaupun tidak ada transfer elektron dalam reaksi

tersebut (misalnya yang melibatkan ikatan kovalen). Reaksi non-redoks yang tidak

melibatkan perubahan muatan formal (formal charge) dikenal sebagai reaksi

metatesis.

Cara yang mudah untuk melihat proses redoks adalah, reduktor mentransfer

elektronnya ke oksidator. Sehingga dalam reaksi, reduktor melepaskan elektron dan

teroksidasi, dan oksidator mendapatkan elektron dan tereduksi. Pasangan oksidator

dan reduktor yang terlibat dalam sebuah reaksi disebut sebagai pasangan redoks.

Salah satu contoh reaksi redoks adalah antara hidrogen dan fluorin:

H2 + F2 2 HF

Kita dapat menulis keseluruhan reaksi ini sebagai dua reaksi setengah

reaksi oksidasi:

H2 2H+ + 2e-

dan reaksi reduksi:

F2 + 2e- 2F-

Penganalisaan masing-masing reaksi setengah akan menjadikan keseluruhan

proses kimia lebih jelas. Karena tidak terdapat perbuahan total muatan selama reaksi

redoks, jumlah elektron yang berlebihan pada reaksi oksidasi haruslah sama dengan

jumlah yang dikonsumsi pada reaksi reduksi. Unsur-unsur, bahkan dalam bentuk

molekul, sering kali memiliki bilangan oksidasi nol. Pada reaksi di atas, hidrogen

teroksidasi dari bilangan oksidasi 0 menjadi +1, sedangkan fluorin tereduksi dari

bilangan oksidasi 0 menjadi -1.

Ketika reaksi oksidasi dan reduksi digabungkan, elektron-elektron yang

terlibat akan saling mengurangi:

H2 2H+ + 2e-

F2 + 2e- 2F-

H2 + F2 2H+ + 2F-

Dan ion-ion akan bergabung membentuk hidrogen fluorida:

H2 + F2 2H+ + 2F- 2 HF

Reaksi Substitusi

Redoks terjadi pada reaksi penggantian tunggal atau reaksi substitusi.

Komponen redoks dalam tipe reaksi ini ada pada perubahan keadaan oksidasi

(muatan) pada atom-atom tertentu, dan bukanlah pada pergantian atom dalam

senyawa.

Sebagai contoh, reaksi antara larutan besi dan tembaga(II) sulfat:

Fe + CuSO4 FeSO4 + Cu

Persamaan ion dari reaksi ini adalah:

Fe + Cu2+ Fe2+ + Cu

Terlihat bahwa besi teroksidasi:

Fe Fe2+ + 2e-

dan tembaga tereduksi:

Cu2+ 2e- Cu

Contoh-contoh lainnya

Besi(II) teroksidasi menjadi besi(III)

Fe2+ Fe3+ + e-

hidrogen peroksida tereduksi menjadi hidroksida dengan keberadaan sebuah

asam:

H2O2 + 2 e− 2 OH−

Persamaan keseluruhan reaksi di atas adalah:

2Fe2+ + H2O2 + 2H+ 2Fe3+ + 2H2O

denitrifikasi , nitrat tereduksi menjadi nitrogen dengan keberadaan asam:

2NO3− + 10e− + 12 H+ N2 + 6H2O

Besi akan teroksidasi menjadi besi(III) oksida dan oksigen akan tereduksi

membentuk besi(III) oksida (umumnya dikenal sebagai perkaratan):

4Fe + 3O2 2 Fe2O3

Pembakaran hidrokarbon, contohnya pada mesin pembakaran dalam,

menghasilkan air, karbon dioksida, sebagian kecil karbon monoksida, dan

energi panas. Oksidasi penuh bahan-bahan yang mengandung karbon akan

menghasilkan karbon dioksida.

Dalam kimia organik, oksidasi seselangkah (stepwise oxidation) hidrokarbon

menghasilkan air, dan berturut-turut alkohol, aldehida atau keton, asam

karboksilat, dan kemudian peroksida.

Reaksi redoks dalam industri

Proses utama pereduksi bijih logam untuk menghasilkan logam didiskusikan

dalam artikel peleburan. Oksidasi digunakan dalam berbagai industri seperti pada

produksi produk-produk pembersih. Reaksi redoks juga merupakan dasar dari sel

elektrokimia.

Reaksi redoks dalam biologi

Asam askorbat (bentuk tereduksi Vitamin C)

Asam Dehidroaskorbat (bentuk teroksidasi Vitamin C)

Banyak proses biologi yang melibatkan reaksi redoks. Reaksi ini berlangsung

secara simultan karena sel, sebagai tempat berlangsungnya reaksi-reaksi biokimia,

harus melangsungkan semua fungsi hidup. Agen biokimia yang mendorong

terjadinya oksidasi terhadap substansi berguna dikenal dalam ilmu pangan dan

kesehatan sebagai oksidan. Zat yang mencegah aktivitas oksidan disebut antioksidan.

Pernapasan sel, contohnya, adalah oksidasi glukosa (C6H12O6) menjadi CO2

dan reduksi oksigen menjadi air. Persamaan ringkas dari pernapasan sel adalah:

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O

Proses pernapasan sel juga sangat bergantung pada reduksi NAD + menjadi

NADH dan reaksi baliknya (oksidasi NADH menjadu NAD+). Fotosintesis secara

esensial merupakan kebalikan dari reaksi redoks pada pernapasan sel:

6 CO2 + 6 H2O + light energy C6H12O6 + 6 O2

Energi biologi sering disimpan dan dilepaskan dengan menggunakan reaksi

redoks. Fotosintesis melibatkan reduksi karbon dioksida menjadi gula dan oksidasi

air menjadi oksigen. Reaksi baliknya, pernapasan, mengoksidasi gula, menghasilkan

karbon dioksida dan air. Sebagai langkah antara, senyawa karbon yang direduksi

digunakan untuk mereduksi nikotinamida adenina dinukleotida (NAD+), yang

kemudian berkontribusi dalam pembentukan gradien proton, yang akan mendorong

sintesis adenosina trifosfat (ATP) dan dijaga oleh reduksi oksigen. Pada sel-sel

hewan, mitokondria menjalankan fungsi yang sama.

Istilah keadaan redoks juga sering digunakan untuk menjelaskan

keseimbangan antara NAD + /NADH dengan NADP + /NADPH dalam sistem biologi

seperti pada sel dan organ. Keadaan redoksi direfleksikan pada keseimbangan

beberapa set metabolit (misalnya laktat dan piruvat, beta-hidroksibutirat dan

asetoasetat) yang antarubahannya sangat bergantung pada rasio ini. Keadaan redoks

yang tidak normal akan berakibat buruk, seperti hipoksia, guncangan (shock), dan

sepsis.

Siklus redoks

Berbagai macam senyawa aromatik direduksi oleh enzim untuk membentuk

senyawa radikal bebas. Secara umum, penderma elektronnya adalah berbagai jenis

flavoenzim dan koenzim-koenzimnya. Seketika terbentuk, radikal-radikal bebas anion

ini akan mereduksi oskigen menjadi superoksida. Reaksi bersihnya adalah oksidasi

koenzim flavoenzim dan reduksi oksigen menjadi superoksida. Tingkah laku katalitik

ini dijelaskan sebagai siklus redoks.

Contoh molekul-molekul yang menginduksi siklus redoks adalah herbisida

parakuat, dan viologen dan kuinon lainnya seperti menadion.

Menyeimbangkan reaksi redoks

Untuk menuliskan keseluruhan reaksi elektrokimia sebuah proses redoks,

diperlukan penyeimbangan komponen-komponen dalam reaksi setengah. Untuk

reaksi dalam larutan, hal ini umumnya melibatkan penambahan ion H + , ion OH - , H2O,

dan elektron untuk menutupi perubahan oksidasi.

Media asam

Pada media asam, ion H + dan air ditambahkan pada reaksi setengah untuk

menyeimbangkan keseluruhan reaksi. Sebagai contoh, ketika mangan(II) bereaksi

dengan natrium bismutat:

Reaksi tidak seimbang: Mn2+ (aq) + NaBiO3(s) Bi3+

(aq) + MnO4-(aq)

Oksidasi: 4H2O(l) + Mn2+(aq) MnO4

-(aq)+ 8H+

(aq) + 5e-

Reduksi: 5e- + 6H+(aq) + BiO3

-(s) Bi3+

(aq) + 3H2O(l)

Reaksi ini diseimbangkan dengan mengatur reaksi sedemikian rupa sehingga

dua setengah reaksi tersebut melibatkan jumlah elektron yang sama (yakni

mengalikan reaksi oksidasi dengan jumlah elektron pada langkah reduksi, demikian

juga sebaliknya).

8H2O(l) + 2Mn2+(aq) 2MnO4

-(aq)+ 16H+

(aq) + 10e-

10e- + 30H+(aq) + 5BiO3

-(s) 5Bi3+

(aq) + 15H2O(l)

Reaksi diseimbangkan:

14H+(aq) + 2Mn2+

(aq) + 5NaBiO3 7H2O(l) + 2MnO4-(aq) + 5Bi3+

(aq) + 5Na+(aq)

Hal yang sama juga berlaku untuk sel bahan bakar propana di bawah kondisi asam:

Reaksi tidak seimbang: C3H8 + O2 CO2 + H2O

Reduksi: 4H+ + O2 + 4e- 2 H2O

Oksidasi: 6H2O + C3H8 3CO2 + 20e- + 20H+

Dengan menyeimbangkan jumlah elektron yang terlibat:

20H+ + 5O2 + 20e- 10H2O

6H2O + C3H8 3CO2 + 20e- + 20H+

Persamaan diseimbangkan:

C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O

Media basa

Pada media basa, ion OH- dan air ditambahkan ke reaksi setengah untuk

menyeimbangkan keseluruhan reaksi.Sebagai contoh, reaksi antara kalium

permanganat dan natrium sulfit:

Reaksi tak seimbang: KMnO4 + Na2SO3 + H2O MnO2 + Na2SO4 + KOH

Reduksi: 3e- + H2O + MnO4- MnO2 + 4OH-

Oksidasi: 2OH- + SO32- SO4

2- + H2O + 2e-

Dengan menyeimbangkan jumlah elektron pada kedua reaksi setengah di atas:

6e- + 4H2O + 2MnO4- 2MnO2 + 8OH-

6OH- + 3SO32- 3SO4

2- + 3H2O + 6e-

Persamaan diseimbangkan:

2KMnO4 + 3Na2SO3 + H2O 2MnO2 + 3Na2SO4 + 2KOH