SEL ELEKTROLISIS - · PDF file2 yang melibatkan energi listrik dan kegunaannya dalam mencegah...

7
1 SEL ELEKTROLISIS Oleh Sumarni Setiasih, S.Si., M.PKim. Email [email protected] A. Pendahuluan 1. Pengantar Beberapa reaksi kimia dalam kehidupan sehari-hari merupakan reaksi reduksi-oksidasi (reaksi redoks), contohnya reaksi yang terjadi pada aki dan baterai sebagai sumber energi, penyepuhan logam-logam dan perkaratan besi. Sumber : General Chemistry, Petrucci Sumber: General Chemistry, Petrucci Gambar 1 Contoh reaksi redoks dalam kehidupan sehari-hari Proses penyepuhan logam-logam merupakan proses elektrolisis. Untuk terjadinya proses elektrolisis diperlukan energi listrik dari sumbernya. Dengan demikian, pada elektrolisis terjadi perubahan energi dari energi listrik menjadi energi kimia. Reaksi redoks yang mengakibatkan terjadinya perubahan energi kimia menjadi energi listrik, atau sebaliknya merupakan proses elektrokimia. Materi sel elektrolisis merupakan bagian dari Elektrokimia merupakan materi kimia SMA/MA, di dalam kurikulum termasuk bahan kajian Kelas XII Semester 1 dengan Standar Kompetensi ”Menerapkan konsep reaksi oksidasi-reduksi dan elektrokimia dalam teknologi dan kehidupan sehari-hari”, Kompetensi dasar yang harus dicapai siswa adalah 2.1 Menerapkan konsep reaksi oksidasi-reduksi dalam sistem elektrokimia

Transcript of SEL ELEKTROLISIS - · PDF file2 yang melibatkan energi listrik dan kegunaannya dalam mencegah...

Page 1: SEL ELEKTROLISIS - · PDF file2 yang melibatkan energi listrik dan kegunaannya dalam mencegah korosi dan dalam industri; 2.2 Menjelaskan reaksi oksidasi-reduksi dalam sel elektrolisis;

1

SSEELL EELLEEKKTTRROOLLIISSIISSOleh Sumarni Setiasih, S.Si., M.PKim.

Email [email protected]

A. Pendahuluan

1. Pengantar

Beberapa reaksi kimia dalam kehidupan sehari-hari merupakan reaksi reduksi-oksidasi

(reaksi redoks), contohnya reaksi yang terjadi pada aki dan baterai sebagai sumber

energi, penyepuhan logam-logam dan perkaratan besi.

Sumber : General Chemistry, Petrucci Sumber: General Chemistry, Petrucci

Gambar 1 Contoh reaksi redoks dalam kehidupan sehari-hari

Proses penyepuhan logam-logam merupakan proses elektrolisis. Untuk terjadinya

proses elektrolisis diperlukan energi listrik dari sumbernya. Dengan demikian, pada

elektrolisis terjadi perubahan energi dari energi listrik menjadi energi kimia.

Reaksi redoks yang mengakibatkan terjadinya perubahan energi kimia menjadi energi

listrik, atau sebaliknya merupakan proses elektrokimia.

Materi sel elektrolisis merupakan bagian dari Elektrokimia merupakan materi kimia

SMA/MA, di dalam kurikulum termasuk bahan kajian Kelas XII Semester 1 dengan

Standar Kompetensi ”Menerapkan konsep reaksi oksidasi-reduksi dan elektrokimia

dalam teknologi dan kehidupan sehari-hari”, Kompetensi dasar yang harus dicapai

siswa adalah 2.1 Menerapkan konsep reaksi oksidasi-reduksi dalam sistem elektrokimia

Page 2: SEL ELEKTROLISIS - · PDF file2 yang melibatkan energi listrik dan kegunaannya dalam mencegah korosi dan dalam industri; 2.2 Menjelaskan reaksi oksidasi-reduksi dalam sel elektrolisis;

2

yang melibatkan energi listrik dan kegunaannya dalam mencegah korosi dan dalam

industri; 2.2 Menjelaskan reaksi oksidasi-reduksi dalam sel elektrolisis; 2.3

Menerapkan hukum Faraday untuk elektrolisis larutan elektrolit.

2. Kompetensi dan Sub Kompetensi

Kompetensi : 20. Menguasai materi, struktur, konsep, dan pola pikir

keilmuan yang mendukung mata pelajaran kimia.

Sub Kompetensi : 20.1 Memahami konsep-konsep, hukum-hukum, dan teori-teori

kimia meliputi struktur, dinamika, energetika dan

kinetika serta penerapannya secara fleksibel.

3. Indikator Esensial

Indikator Esensial : Memahami konsep/hukum/teori yang terkait dengan

termodinamika kimia dan sel elektrokimia

B. Sel Elektrolisis

Sel Elektrolisis adalah sel yang menggunakan arus listrik untuk menghasilkan reaksi

redoks yang diinginkan dan digunakan secara luas di masyarakat. Baterai aki yang dapat

diisi ulang merupakan salah satu contoh aplikasi sel elektrolisis dalam kehidupan

sehari-hari. Baterai aki yang sedang diisi kembali (recharge) mengubah energi listrik

yang diberikan menjadi produk berupa bahan kimia yang diinginkan.

Page 3: SEL ELEKTROLISIS - · PDF file2 yang melibatkan energi listrik dan kegunaannya dalam mencegah korosi dan dalam industri; 2.2 Menjelaskan reaksi oksidasi-reduksi dalam sel elektrolisis;

3

Air, H2O, dapat diuraikan dengan menggunakan listrik dalam sel elektrolisis. Proses ini

akan mengurai air menjadi unsur-unsur pembentuknya. Reaksi yang terjadi adalah

sebagai berikut : 2 H2O(l) ——> 2 H2(g) + O2(g)

Rangkaian sel elektrolisis hampir menyerupai sel volta. Yang membedakan sel

elektrolisis dari sel volta adalah pada sel elektrolisis komponen voltmeter diganti

dengan sumber arus (umumnya baterai). Larutan atau lelehan yang ingin

dielektrolisis, ditempatkan dalam suatu wadah. Selanjutnya, elektroda dicelupkan ke

dalam larutan maupun lelehan elektrolit yang ingin dielektrolisis. Elektroda yang

digunakan umumnya merupakan elektroda inert, seperti Grafit (C), Platina (Pt), dan

Emas (Au). Elektroda berperan sebagai tempat berlangsungnya reaksi. Reaksi reduksi

berlangsung di katoda, sedangkan reaksi oksidasi berlangsung di anoda. Kutub

negatif sumber arus mengarah pada katoda (sebab memerlukan elektron) dan

kutub positif sumber arus tentunya mengarah pada anoda. Akibatnya, katoda

bermuatan negatif dan menarik kation-kation yang akan tereduksi menjadi endapan

logam. Sebaliknya, anoda bermuatan positif dan menarik anion-anion yang akan

teroksidasi menjadi gas. Terlihat jelas bahwa tujuan elektrolisis adalah untuk

mendapatkan endapan logam di katoda dan gas di anoda.

Ada dua tipe elektrolisis, yaitu elektrolisis lelehan (leburan) dan elektrolisis larutan.

Pada proses elektrolisis lelehan, kation pasti tereduksi di katoda dan anion pasti

teroksidasi di anoda. Sebagai contoh, berikut ini adalah reaksi elektrolisis lelehan

garam NaCl (yang dikenal dengan istilah sel Downs).

Elektrolisis Lelehan Natrium Klorida

Dalam keadaan meleleh, natrium klorida, suatu senyawa ionik, dapat dielektrolisis agar

membentuk logam natrium dan klorin.

Page 4: SEL ELEKTROLISIS - · PDF file2 yang melibatkan energi listrik dan kegunaannya dalam mencegah korosi dan dalam industri; 2.2 Menjelaskan reaksi oksidasi-reduksi dalam sel elektrolisis;

4

Gambar 2. (a) sel Downs untuk elektrolisis lelehan NaCl; (b) Diagramsederhana yang menunjukkan reaksi elektroda selama

elektrolisis lelehan NaCl.

Gambar 2. (a) ialah diagram sel Downs, yang digunakan untuk elektrolisis NaCl dalam

skala besar. Dalam lelehan NaCl, kation dan anionnya masing-masing adalah ion Na+

dan Cl-. Gambar 2 (b) adalah diagram sederhana yang menunjukkan reaksi yang terjadi

pada elektroda. Sel elektrolitik mempunyai sepasang elektroda yang dihubungkan ke

baterai. Baterai berfungsi sebagai “pompa elektron”, yang menggerakkan elektron ke

katoda (tempat terjadinya reduksi), dan menarik elektron dari anoda (tempat terjadinya

oksidasi). Reaksi pada elektroda adalah

Katoda (reduksi) : 2 Na+ (l) + 2e- 2 Na(l)

Anoda (oksidasi) 2Cl- (l) Cl2 (g) + 2e-

Keseluruhan : 2 Na+ (l) + 2 Cl- (l) 2 Na(l) + Cl2 (g)

Proses ini merupakan sumber utama logam natrium murni dan gas klorin.

Reaksi elektrolisis lelehan garam NaCl menghasilkan endapan logam natrium di katoda

dan gelembung gas Cl2 di anoda. Bagaimana halnya jika lelehan garam NaCl diganti

dengan larutan garam NaCl? Apakah proses yang terjadi masih sama? Untuk

mempelajari reaksi elektrolisis larutan garam NaCl, kita mengingat kembali Deret Volta

: Li-K-Ba-Sr-Ca-Na-Mg-Al-Mn-Zn-Cr-Fe-Cd-Co-Ni-Sn-Pb-(H)-Sb-Bi-Cu-Hg-Ag-Pt-

Au Perhatikan Gambar 4.

Page 5: SEL ELEKTROLISIS - · PDF file2 yang melibatkan energi listrik dan kegunaannya dalam mencegah korosi dan dalam industri; 2.2 Menjelaskan reaksi oksidasi-reduksi dalam sel elektrolisis;

5

Reaksi oksidasi yang mungkin terjadi pada

anoda ialah

(1) 2 Cl- (aq) Cl2 (g) + 2e-

(2) 2 H2O (l) O2(g) + 4 H+ (aq) +

4e-

Gambar 4. Elektrolisislarutan NaCl

Pada katoda, terjadi persaingan antara air dengan ion Na+. Berdasarkan Tabel Potensial

Standar Reduksi, air memiliki E°red yang lebih besar dibandingkan ion Na+. Ini berarti,

air lebih mudah tereduksi dibandingkan ion Na+. Oleh sebab itu, spesi yang bereaksi di

katoda adalah air. Sementara, berdasarkan Tabel Potensial Standar Reduksi, nilai E°red

ion Cl- dan air hampir sama. Oleh karena oksidasi air memerlukan potensial tambahan

(overvoltage), maka oksidasi ion Cl- lebih mudah dibandingkan oksidasi air. Oleh sebab

itu, spesi yang bereaksi di anoda adalah ion Cl-. Dengan demikian, reaksi yang terjadi

pada elektrolisis larutan garam NaCl adalah sebagai berikut :

Katoda (-) : 2 H2O(l) + 2 e- ——> H2(g) + 2 OH-(aq) ……………….. (1)

Anoda (+) : 2 Cl-(aq) ——> Cl2(g) + 2 e- ……………….. (2)

Reaksi sel : 2H2O(l) + 2 Cl-(aq) ——> H2(g) + Cl2(g) + 2 OH-

(aq) ………[(1) +

(2)]

Reaksi elektrolisis larutan garam NaCl menghasilkan gelembung gas H2 dan ion OH-

(basa) di katoda serta gelembung gas Cl2 di anoda. Terbentuknya ion OH- pada katoda

dapat dibuktikan dengan perubahan warna larutan dari bening menjadi merah muda

setelah diberi sejumlah indikator fenolftalein (pp). Dengan demikian, terlihat bahwa

produk elektrolisis lelehan umumnya berbeda dengan produk elektrolisis larutan.

Setelah kita mempelajari aspek kualitatif reaksi elektrolisis, kini kita akan melanjutkan

dengan aspek kuantitatif sel elektrolisis. Seperti yang telah disebutkan di awal, tujuan

utama elektrolisis adalah untuk mengendapkan logam dan mengumpulkan gas dari

Page 6: SEL ELEKTROLISIS - · PDF file2 yang melibatkan energi listrik dan kegunaannya dalam mencegah korosi dan dalam industri; 2.2 Menjelaskan reaksi oksidasi-reduksi dalam sel elektrolisis;

6

larutan yang dielektrolisis. Kita dapat menentukan kuantitas produk yang terbentuk

melalui konsep mol dan stoikiometri.

Satuan yang sering ditemukan dalam aspek kuantitatif sel elektrolisis adalah Faraday

(F). Secara eksperimen telah diperoleh bahwa 1 mol elektron mengandung muatan

listrik sebesar 96500 coulomb. Untuk menghormati Michael Faraday, 1 mol elektron

disebut juga sebagai satu faraday (1F).

Jadi, muatan listrik (Q) yang dibutuhkan berbanding lurus dengan mol elektron, dan dirumuskan

sebagai berikut :

dengan n = jumlah mol elektron (mol), F = muatan listrik per 1 mol elektron

(Coulomb/mol).

Coulomb adalah satuan muatan listrik. Coulomb dapat diperoleh melalui perkalian arus

listrik (Ampere) dengan waktu (detik). Persamaan yang menunjukkan hubungan

Coulomb, Ampere, dan detik adalah sebagai berikut :

dengan i = arus listrik (ampere) dan t = waktu (detik).

Dengan demikian, hubungan antara Faraday, Ampere, dan detik adalah sebagai berikut :

Faraday = (Ampere x Detik) / 96500

Faraday = (I x t) / 96500

Dengan mengetahui besarnya Faraday pada reaksi elektrolisis, maka mol elektron yang

dibutuhkan pada reaksi elektrolisis dapat ditentukan. Selanjutnya, dengan

memanfaatkan koefisien reaksi pada masing-masing setengah reaksi di katoda dan

anoda, kuantitas produk elektrolisis dapat ditemukan.

1 mol elektron = 1 faraday1 mol elektron atau 1 faraday mengandung muatan listrik 96500 coulomb

Q = n F

Q = i x t

Page 7: SEL ELEKTROLISIS - · PDF file2 yang melibatkan energi listrik dan kegunaannya dalam mencegah korosi dan dalam industri; 2.2 Menjelaskan reaksi oksidasi-reduksi dalam sel elektrolisis;

7

DDAAFFTTAARR PPUUSSTTAAKKAA

(1) Brown T.L., LeMay H.E.Jr.,Bursten B.E. 2009. Chemistry, The Central Science.

11thed, Prentice-Hall International, Inc: New Jersey.

(2) Chang Raymond , 2008, General Chemistry: The Essential Concepts, Fifth

Edition, Boston : Mc Graw Hill. Terjemahan : Suminar Setiati Achmadi,

ph.D., 2003. Kimia Dasar: Konsep-konsep Inti, Edisi tiga, Jilid 2., Jakarta:

Erlangga

(3) J.M.C. Johari, M. Rachmawati., 2004. Kimia SMA untuk Kelas XII. Jakarta:

Esis (Erlangga).

(4) Michael Purba., 2006. Kimia untuk SMA Kelas XII. Jakarta: Erlangga.

(5) Petrucci, R.H. 2007. General Chemistry; Principles and Modern Application. Jilid

1-3. Edisi kesembilan

(6) Silberberg, 2007, Principles of General Chemistry, Second Edition, Boston : Mc

Graw Hill.

(7) Tine Mk, etty S, Ratih Sri RN, Nani K., 2007. Sains Kimia 3 SMA/MA Kelas

XII. Jakarta: Bumi Aksara.

(8) http://esdikimia.wordpress.com/2011/09/28/sel-elektrolisis/ Diakses: 14

Juni 2012