ELEKTROKIMIA

Overview

•          Konsep termodinamika tidak hanya berhubungan dengan mesin uap, atau transfer energi berupa kalor dan kerja

•          Dalam konteks kehidupan sehari-hari aplikasinya sangat luas mulai dari pemanfaatan baterei untuk menjalankan hampir semua alat elektronik hingga pelapisan logam pada permukaan logam lain

•          Elektrokimia 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 Elektrokimia

•          Sel elektrokimia baik yang melepas atau menyerap energi selalu melibatkan perpindahan elektron-elektron dari satu senyawa ke senyawa yang lain dalam suatu reaksi oksidasi reduksi

•          Oksidasi adalah hilangnya elektron sedangkan reduksi diperolehnya elektron

•          Zat pengoksidasi adalah spesies yang melakukan oksidasi, mengambil elektron dari zat yang teroksidasi

•          Zat pereduksi adalah spesies yang melakukan reduksi memberikan elektron kepada zat yang tereduksi

•          Setelah reaksi zat teroksidasi memiliki bilangan oksidasi lebih tinggi sedangkan zat tereduksi memiliki bilangan oksidasi lebih rendah

Terminologi Redoks

•          Bagi reaksi menjadi dua buah setengah reaksi masing-masing yang mengalami oksidasi dan reduksi

•          Seimbangkan atom dan muatan pada masing-masing reaksi

–        Mula-mula atom selain O dan H, kemudian O lalu terakhir H

–        Muatan diseimbangkan dengan menambah elektron (e) disebelah kiri untuk setengah reaksi reduksi dan disebelah kanan untuk setengah reaksi oksidasi

•          Kalikan masing2 setengah reaksi dengan bilangan bulat untuk menyeimbangkan jumlah e yang diperoleh reduksi sama dengan elektron yang dilepas oksidasi

•          Jumlahkan kedua buah setengah reaksi tersebut

•          Periksa apakah atom dan muatan sudah seimbang

Reaksi Redoks suasana asam

Cr₂O₇^2-(aq) + I^-(aq) à Cr³⁺(aq) + I₂(s) (lar asam)

•          Untuk reaksi suasana basa setelah langkah ke4 tambahkan ion OH^- dengan jumlah sama dengan ion H⁺

Soal Latihan

•          Permanganat bereaksi dalam larutan basa dengan ion oksalat membentuk ion karbonat dan mangan dioksida padat seimbangkan reaksi redoks berikut:

                MnO₄^-(aq) + C₂O₄^2-(aq) à MnO₂(s) + CO₃^2-(aq)

•          Seimbangkan persamaan reaksi berikut dengan suasana larutan basa

                MnO₄^-(aq) + I^-(aq) à MnO₄^2-(aq) + IO₃^-(aq)

Sel Elektrokimia

•          Sel 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 lingkungan

•          Sel Elektrolisa memanfaatkan energi listrik untuk menjalankan reaksi non spontan (∆G > 0) lingkungan melakukan kerja terhadap sistem

•          Kedua 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

Elektroda

•          Elektroda terbagi menjadi dua jenis yaitu anoda dan katoda

•          Setengah reaksi oksidasi terjadi di anoda. Elektron diberikan oleh senyawa teroksidasi (zat pereduksi) dan meninggalkan sel melalui anoda

•          Setengah 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 Volta

•          Setengah sel oksidasi: anoda berupa batang logam Zn dicelupkan dalam ZnSO₄

•          Setengah sel reduksi: katoda berupa batang logam Cu dicelupkan dalam CuSO₄

•          Terbentuk muatan relatif pada kedua elektroda dimana anoda bermuatan negatif dan katoda bermuatan positif

•          Kedua 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 Volta

•          Sel 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 katoda

•          Garis lurus menunjukkan batas fasa yaitu adanya fasa yang berbeda (aqueous vs solid) jika fasanya sama maka digunakan tanda koma

•          Untuk elektroda yang tidak bereaksi ditulis dalam notasi diujung kiri dan ujung kanan

Sel Volta dengan Elektroda Inaktif

Grafit|I₂(s)|I^-(aq)║H⁺(aq), MnO₄^-(aq), Mn²⁺(aq)|Grafit

Soal Latihan

•          Dalam 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 grafit

•          Gambarkan diagram sel, tuliskan persamaan reaksi seimbang dan notasi sel volta tersebut

Potensial Sel (E_sel)

•          Sel volta menjadikan perubahan energi bebas reaksi spontan menjadi energi listrik

•          Energi listrik ini berbanding lurus dengan beda potensial antara kedua elektroda (voltase) atau disebut juga potensial sel (E_sel) atau gaya electromotive (emf)

•          Untuk proses spontan E_sel > 0, semakin positif E_sel semakin banyak kerja yang bisa dilakukan oleh sel

•          Satuan yang dgunakan 1 V = 1 J/C

•          Potensial 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 (E^o_setengah-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 reduksi

•          Bentuk teroksidasi + ne à bentuk tereduksi E^o_{1/2 sel}

•          Potensial elektroda standar seperti halnya besaran termodinamika dapat dibalik dengan mengubah tandanya

•          E^o_sel = E^o_katoda - E^o_anoda

Elektroda Hidrogen Standar

•          Ilmuwan telah menyepakati untuk memilih setengah reaksi rujukan dengan nilai 0 untuk reaksi:

                2H⁺(aq, 1 M) + 2e à H₂(g, 1 atm)  E^o_rujukan = 0

                H₂(g, 1 atm) à 2H⁺(aq, 1 M) + 2e –E^o_rujukan = 0

•          Dengan 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 Latihan

•          Suatu sel volta memiliki reaksi antara larutan bromine dan logam Zn

                Br₂(aq) + Zn(s) à Zn²⁺(aq) + 2Br^-(aq) E^o_sel = 1,83 V

                Hitung E^o untuk oksidasi Br^-(aq) jika E^o_Zn = -0,76 V

•          Suatu sel volta memiliki E^o_sel = 1,39 V berdasarkan reaksi:

                Br₂(aq) + 2V³⁺(aq) + 2H₂O(l) à 2VO²⁺(aq) + 4H⁺(aq) + 2Br^-(aq)

                Berapa potensial elektroda standar reduksi VO²⁺ menjadi V³⁺ ?

Kekuatan Relatif Oksidator dan Reduktor

•          Semua nilai adalah relatif terhadap elektroda hidrogen standar (referensi)

                2H⁺ (aq, 1 M) + 2e Û H₂ (g, 1 atm)

•          Menurut konvensi semua setengah reaksi ditulis sebagai reaksi reduksi artinya semua reaktan pengoksidasi dan semua produk pereduksi

•          Nilai E^o yang diberikan adalah setengah reaksi tertulis, semakin positif nilainya semakin besar kecenderungan reaksi tersebut terjadi

•          Nilai E^o memiliki nilai yang sama tetapi berbeda tanda jika reaksinya kita balik

•          Berdasarkan tabel semakin keatas semakin oksidator dan semakin kebawah semakin reduktor

Reaksi Redoks Spontan

•          Setiap reaksi redoks adalah jumlah dari kedua setengah reaksi, sehingga akan ada reduktor dan oksidator ditiap-tiap sisi reaksi

•          Berdasarkan tabel maka reaksi spontan (E^o_sel> 0) akan terjadi antara oksidator (sisi reaktan) dan reduktor (sisi produk) yang terletak dibawahnya

•          Misal 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 E^o_sel untuk tiap-tiap reaksi dan urutkan kenaikan sifat oksidator dan sifat reduktor senyawanya!

•          Apakah reaksi berikut spontan

                3Fe²⁺(aq) à Fe(s) + 2Fe³⁺(aq)

                Jika tidak, tulis reaksi spontannya, hitung E^o_sel dan urutkan ketiga spesies besi berdasarkan penurunan kekuatan reduksinya!

Reaktifitas Relatif Logam

•          Logam yang dapat menggantikan H₂ dari asam. Ambil salah satu logam, tuliskan reaksi oksidasinya lalu jumlah untuk memperoleh E^o_sel jika positif maka H₂ akan terlepas

•          Logam yang tidak dapat menggantikan H₂, dengan langkah yang sama, namun jika hasilnya E^o_sel < 0, maka reaksi tidak spontan

•          Logam yang dapat menggantikan H₂ dari air, logam yang terletak dibawah reduksi air

•          Logam 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 Latihan

•          Timbal dapat menggantikan perak dari larutannya:

                Pb(s) + 2Ag⁺(aq) à  Pb²⁺(aq) + 2Ag(s)

                Hitung K dan ∆G^o pada 25^oC untuk reaksi ini!

•          Saat logam kadmium mereduksi Cu²⁺ dalam larutan, terbentuk ion Cd²⁺ dan logam Cu, jika ∆G^o = -143 kJ, hitung K pada 25^oC dan berapa potensial sel sel volta yang menggunakan reaksi ini?

Pengaruh Konsentrasi terhadap Potensial Sel

•          Sejauh ini potensial sel standar diukur dari potensial setengah sel juga pada keadaan standar sementara kebanyakan sel volta tidak beroperasi pada keadaan standarnya

•          Berdasarkan persamaan yang telah diketahui:

                ∆G = ∆G^o + RT ln Q sedangkan

                ∆G = -nFE_sel juga ∆G^o = -nFE^o_sel sehingga

                -nFE_sel = -nFE^o_sel + RT ln Q

                E_sel = E^o_sel – (RT/nF) ln Q

Aplikasi Persamaan Nernst

•          Saat Q < 1 sehingga [reaktan] > [produk] maka E_sel > E^o_sel

•          Saat Q = 1 sehingga [reaktan] = [produk] maka E_sel = E^o_sel

•          Saat Q > 1 sehingga [reaktan] < [produk] maka E_sel < E^o_sel

•          Jika kita memasukkan nilai R dan T pada 298

                E_sel = E^o_sel – (0,0592 V/n) log Q (pada 25^oC)

Soal Latihan

•          Seorang 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 atm

•          Perhatikan sel berdasarkan reaksi berikut

                Fe(s) + Cu²⁺(aq) à Fe²⁺(aq) + Cu(s)

                Jika [Cu²⁺] = 0,30 M berapa [Fe²⁺] diperlukan untuk meningkatkan E_sel 0,25 V diatas E^o_sel pada 25^oC?

Potensial Sel dan Hubungan antara Q dan K

Zn(s) + Cu²⁺(aq) à Zn²⁺(aq) + Cu(s)  Q = [Zn²⁺]/[Cu²⁺]

Sel Konsentrasi