Memahami Konsep Energetika dan Kesetimba

(1)

Prosiding Simposium Nasional Inovasi Pembelajaran dan Sains 2011 (SNIPS 2011) 22 23 Juni 2011, Bandung, Indonesia

ISBN xxx x xxxx xxxx x 1 http://portal.fi.itb.ac.id/cps/

Hendra Yeni* dan Bunbun Bundjali

Diterima 2 Juni 2011, direvisi 4 Juli 2011, diterbitkan 23 September 2011

Abstrak

Energetika dan kesetimbangan kimia merupakan materi pembelajaran yang dipelajari di SMA maupun di perguruan tinggi pada pokok bahasan yang saling berkaitan. Konsep energetika dan kesetimbangan kimia merupakan topik yang sangat penting dalam mempelajari kimia lebih lanjut. Jika hanya dipelajari dari literatur, siswa sering mengalami kesulitan memahami kedua konsep ini. Kedua konsep ini akan lebih mudah dipahami dengan percobaan. Kedua konsep dapat dijelaskan dengan menggunakan sel Galvani sebagai model. Pada penelitian ini, sel Galvani disusun dari bahan murah dan mudah didapat. Rancangan penelitian ini ditujukan untuk dapat dilakukan di sekolah#sekolah yang memiliki keterbatasan alat#alat laboratorium. Pada penelitian ini digunakan elektroda Zn dan Fe sebagai anoda dan C sebagai katoda, serta menggunakan busa bunga (floral foam) sebagai pengganti jembatan garam. Penelitian ini digunakan untuk menjelaskan hubungan antara persamaan Nernst dan tetapan kesetimbangan. Koefisien suhu, ∂Eo/∂T juga ditentukan untuk memperoleh hubungan antara perubahan energi bebas Gibbs (∆Go), perubahan entalpi (∆Ho), dan perubahan entropi (∆So) reaksi yang terjadi. Perubahan entalpi standar (∆Ho) dari sel Galvani yang menggunakan floral foam ini menunjukkan perbedaan dibandingkan dengan data literatur untuk Zn dan Fe sebagai anoda berturut#turut 1,99 % dan 5,8 %. Mengingat kesederhanaan metode yang digunakan, kesalahan ini cukup kecil. Nilai tetapan kesetimbangan yang diperoleh berada pada orde >108 sehingga dapat disimpulkan bahwa reaksi berlangsung sempurna. Dari data yang diperoleh dapat disimpulkan bahwa energetika dan tetapan kesetimbangan dapat ditentukan dengan menggunakan sel Galvani.

Kata#kata kunci: sel Galvani, energetika kimia, kesetimbangan kimia, floral foam, koefisien suhu

Energetika kimia dan kesetimbangan kimia merupakan topik yang sangat penting untuk dikupas pada mata pelajaran kimia. Jika hanya dipelajari secara teori dari literatur, siswa sering mengalami miskonsepsi pada materi ini [1, 2]. Kesalahan konsep dapat diatasi dengan metode praktikum. Pada kenyataannya, banyak sekolah yang memiliki keterbatasan alat alat laboratorium. Dengan menggunakan sel Galvani sederhana, energi reaksi yang terlibat dapat dihitung tanpa menggunakan kalorimeter.

Saieed [3] telah melakukan penelitian penentuan kalor reaksi yang terlibat pada sel Galvani dengan menggunakan pipa U yang berisi agar agar. Rangkaian yang digunakan agak rumit. Selain itu, agar agar bisa cair pada suhu yag lebih tinggi. Penelitian untuk mengilustrasikan sel Galvani yang lebih sederhana telah dilakukan sebelumnya dengan menggunakan floral foam sebagai pengganti jembatan garam [4]. Selain alatnya terbuat dari bahan yang murah dan sederhana, alat yang disusun juga dapat mengilustrasikan bagaimana susunan sel pada baterai kering yang tidak menggunakan jembatan garam. Selain itu, penggunaan floral foam juga memungkinkan untuk mengukur potensial sel pada suhu yang lebih tinggi. Namun, reaksi apa yang terjadi pada

katoda belum dapat dipastikan pada penelitian tersebut. Oleh karena itu, pengukuran potensial sel pada berbagai suhu dalam penelitian ini digunakan rangkaian sel seperti yang diilustrasikan Eggen, dkk. Dengan metode sederhana yang telah diuraikan, maka praktikum dapat dilakukan dengan rutin di sekolah.

(2)

Pada penelitian ini, potensial sel diukur pada berbagai suhu sehingga diperoleh koefisien suhu, ∂E/∂T. Koefisien suhu digunakan untuk menghitung perubahan entalpi dan perubahan entropi. Perubahan energi bebas Gibbs standar dinyatakan sebagai :

∆Go = nFEosel (1)

Selanjutnya, Eo dapat dihubungkan dengan tetapan kesetimbangan K dari reaksi redoks. Hubungan antara Δ_{G dengan}Δ_Go_{dapat ditulis :}

Δ_{G =}Δ_Go_{+ RT ln Q} ₍₂₎

Dengan R adalah tetapan gas (8,314 J.K1mol1), T adalah suhu mutlak reaksi. Jika ∆G bernilai negatif berarti reaksi berlangsung spontan, jika bernilai positif berarti reaksi tidak bisa berlangsung spontan. Karena pada saat setimbang, ΔG = 0, dan Q = K, dengan K adalah tetapan kesetimbangan, maka :

ΔGo = RT ln K (3)

Persamaan (1) disubstitusikan ke Persamaan (3), maka diperoleh :

Dengan menghubungkan potensial sel dengan koefisien suhu, ∂Eo/∂T, akan didapat hubungan membuat kurva potensial sel terhadap suhu. Koefisien suhu, ∂Eo/∂T merupakan slope (a) dari kurva. Dengan mensubstitusikan Eo = ((∂Eo/∂T)T + b ke Persamaan (7), didapatkan Persamaan :

Ho = nFb (8)

Pada persamaan di atas, b adalah intercept

grafik dengan mengalurkan potensial sel terhadap temperatur [3, 5].

Sel Galvani pertama kali dikenalkan dengan menggunakan sel Daniell klasik. Sel ini terdiri dua elektroda yang masing masing dicelupkan ke dalam larutan yang mengandung ion ionnya. Kedua setengah sel dihubungkan oleh jembatan

garam. Rumitnya rangkaian sel sering membuat siswa bingung.

Eggen dkk. [4] telah membuat rangkaian sel Galvani sederhana dengan menggunakan busa bunga sebagai ganti jembatan garam, namun belum dapat memastikan reaksi apa yang terjadi pada katoda. Logam Cu bisa diganti dengan elektroda inert yang tidak teroksidasi oleh ion Cu2+, misalnya kawat perak atau batang karbon (grafit). Kedua elektroda ini masing masing mempunyai kelebihan. Kawat perak lebih fleksibel dan mudah di bentuk, sedangkan batang karbon lebih murah dan mudah didapat, serta sering digunakan sebagai elektroda positif (katoda) pada baterai. Oleh karena itu, pada sekolah sekolah menengah atas yang memiliki keterbatasan alat alat laboratorium tetap dapat melakukan praktikum dengan menggunakan grafit dari baterai bekas atau pensil sebagai katoda.

Secara teori, pada rangkaian tertutup, elektroda Zn diubah menjadi ion Zn2+ dengan melepaskan dua elektron [6]. Elektron yang dilepaskan mengalir dari sirkuit luar menuju batang karbon dan ditangkap oleh ion Cu2+ sehingga ion Cu2+ mengalami reduksi membentuk Cu. Terjadinya aliran elektron dari logam Zn ke batang karbon ditunjukkan dengan penyimpangan jarum voltmeter. Pada pengamatan penelitian, peristiwa tersebut juga ditunjukkan dengan terjadinya korosi pada logam Zn dan terlihat adanya Cu yang menempel pada batang karbon (Gambar 2). Selain itu, warna biru pada larutan CuSO4 juga semakin pudar (Gambar 3).

Gambar 1. Logam pada anoda mengalami oksidasi (berkarat) dan Cu menempel pada batang karbon (pensil).

Reaksi yang terjadi adalah :

Anoda : Zn _⇋ Zn2+ + 2e Eo = 0,76 V dari literatur, ini membuktikan bahwa reaksi yang

Karat

(3)

terjadi adalah Zn + Cu2+ ⇋ Zn2+ + Cu. Peristiwa yang sama juga terlihat jika elektroda seng diganti dengan besi. Terjadinya reaksi oksidasi pada besi ditunjukkan dengan terbentuknya karat.

Gambar 2. Perbandingan larutan CuSO4 sebelum dan setelah reaksi

Reaksi yang terjadi dengan menggunakan elektroda Fe adalah Fe + Cu2+ ⇋ Fe2+ + Cu.

Nilai potensial sel untuk sel Zn|Zn2+||Cu2+|Cu yang diukur pada berbagai suhu dialurkan pada grafik potensial sel terhadap suhu. Dari grafik diperoleh persamaan regresi linier Y = aX + b, dengan b adalah intercept dan a adalah slope. Slope dari kurva merupakan nilai koefisien suhu, ∂Eo/∂T. Dengan menghubungkan potensial sel dengan koefisien suhu (∂Eo/∂T), didapat hubungan antara perubahan energi bebas Gibbs, ∆Go, perubahan entalpi, ∆Ho, dan perubahan entropi, ∆So. Grafik hasil pengukuran potensial

sel pada berbagai suhu untuk reaksi Zn + Cu2+ ⇋ Zn2+ + Cu dapat dilihat pada

Gambar 4.

Gambar 3. Grafik potensial sel pada berbagai suhu untuk reaksi Zn + Cu2+ _⇋ Zn2+ + Cu

Pada sel Galvani yang dirangkai dengan mengganti elektroda Zn dengan elektroda Fe, gelas kimia tetap diisi dengan larutan CuSO4 1 M, tetapi busa bunga diisi dengan larutan garam Na2SO4 1 M. Penggantian zat dilakukan karena keterbatasan zat yang mengandung ion ion logam yang digunakan seperti FeSO4. Grafik hasil pengukuran potensial sel pada berbagai suhu untuk sel Fe|Fe2+||Cu2+|Cu dapat dilihat pada Gambar 5.

Gambar 4. Grafik potensial sel pada berbagai suhu untuk reaksi Fe + Cu2+ _⇋ Fe2+ + Cu

Dari kedua grafik hasil pengukuran potensial sel pada berbagai suhu di atas, terlihat kecenderungan yang sama, yaitu potensial sel semakin berkurang dengan meningkatnya suhu. Kecenderungan tersebut menghasilkan nilai

slope (koefisien suhu, ∂Eo/∂T ) dan perubahan entropi (∆So) yang bernilai negatif. Nilai ini sesuai dengan hasil perhitungan dari literatur. Dari hasil perhitungan, nilai beberapa besaran termodinamika untuk sel Zn|Zn2+||Cu2+|Cu dapat dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1. Beberapa nilai besaran termodinamika untuk sel Zn|Zn2+||Cu2+|Cu

Hasil Penelitian Literatur

Eo298 (V) 1,094 1,100

∂E/∂T (V/K) 2,05.104

∆Ho (kJ) 223,014 218,66

∆So (J/K) 39,565 20,98

∆Go (kJ) 211,190 212,55

Kset 1.046.10

37

1,811.1037 Sumber literatur : Alberty dan Daniels, 1983

Dari Tabel 1 dapat dilihat rata rata nilai ∆Ho untuk sel Zn|Zn2+||Cu2+|Cu yang dihitung dari koefisien suhu (∂Eo/∂T) adalah 223,014 kJ, sedangkan nilai ∆Ho dari literatur jika dihitung dengan menggunakan data ∆Hof Cu

2+

(aq) dan Zn2+(aq) adalah 218,66 kJ untuk reaksi Zn(s) + Cu2+(aq) ⇋ Zn2+(aq) + Cu(s). Dari nilai tersebut dapat dilihat bahwa metode sel Galvani sangat baik digunakan untuk menentukan nilai ∆Ho reaksi dengan persentase kesalahan kurang dari 2 % jika dibandingkan dengan nilai dari literatur. Tetapi untuk sel Fe|Fe2+||Cu2+|Cu, persentase kesalahannya 5,8 %. Nilai beberapa besaran kimia untuk sel Fe|Fe2+||Cu2+|Cu dapat dilihat pada Tabel 2.

(4)

Tabel 2. Beberapa nilai besaran termodinamika untuk sel Fe| Fe2+||Cu2+|Cu

Hasil Penelitian Literatur

Eo298 (V) 0,784 0,780

∂E/∂T (V/K) 2,0.104

∆Ho (kJ) 162,834 153,87

∆So (J/K) 38,60 32,23

∆Go (kJ) 151,312 144,39

Kset 3,338.10

26

2,042.1025 Sumber literatur : Alberty dan Daniels, 1983

Dalam pokok bahasan termokimia telah dijelaskan bahwa pengukuran energetika reaksi dilakukan berdasarkan kalor yang dilepaskan atau yang diserap. Alat yang digunakan adalah kalorimeter. Kalorimeter sederhana dapat digunakan untuk mengukur besarnya kalor yang menyertai reaksi asam basa, sedangkan kalorimeter Bomb digunakan untuk mengukur kalor yang menyertai reaksi pembakaran. Sel Galvani dapat digunakan untuk menentukan energetika reaksi dengan mengukur potensial sel reaksi yang terjadi. Oleh karena itu, energetika reaksi untuk reaksi redoks yang dapat diukur potensial selnya dapat ditentukan tanpa menggunakan alat kalorimeter Bomb yang harganya jauh lebih mahal. Metode ini sangat cocok diterapkan di sekolah sekolah yang kekurangan alat laboratorium karena bahan yang digunakan mudah didapat dan harganya yang murah.

Nilai tetapan kesetimbangan reaksi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Nernst. Dari hasil perhitungan, nilai tetapan kesetimbangan untuk sel Zn| Zn2+ ||Cu2+ |Cu dan Fe| Fe2+||Cu2+ |Cu berturut turut adalah 1,046.1037 dan 3,338.1026. Dari nilai tetapan kesetimbangannya, dapat dikatakan bahwa kedua reaksi berlangsung sempurna (Nilai K berada pada orde > 108) [7].

Nilai ∆Ho reaksi dapat ditentukan dengan menggunakan sel Galvani dengan mengukur potensial sel reaksi pada berbagai suhu. Nilai ∆Ho reaksi yang diperoleh untuk sel Zn|Zn2+||Cu2+|Cu adalah 223,014 kJ, sedangkan untuk sel Fe|Fe2+||Cu2+|Cu adalah 162,834 kJ. Tetapan kesetimbangan reaksi sel berturut turut adalah 1,046.1037 dan 3,338.1026.

Penulis sangat berterima kasih kepada Kementerian Agama RI atas bantuan beasiswa penuh yang diberikan kepada penulis pertama selama pendidikan.

[1] Ochs, R.S., “Thermodynamics and Spontaneity”, J. Chem. Educ 73, 952 954 (1996)

[2] Cacciatore, K.L., Amado, J., Evans, J.J., dan Sevian, H., “Connecting Solubility, Equilibrium, and Periodicity in a Green, Inquiry Experiment for the General Chemistry Laboratory”, J. Chem. Educ 85, 251 – 253 (2008)

[3] Saieed, A.E. dan Davies, K.M., “A Simple Method for Determining the Temperature Coefficient of Voltaic Cell Voltage”, J. Chem. Educ 73, 959 962 (1996)

[4] Eggen, P.O., Gronneberg, T., dan Kvittingen, L., “Small Scale and Low Cost Galvanic Cells”, J. Chem. Educ 83, 1201 1203 (2006)

[5] Alberty, R.A. dan Daniels, F., “Kimia Fisika, Edisi kelima”, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1983, p. 189 190

[6] Chang, R., “Chemistry, Sixth Edition”, Penerbit Mc Graw Hill, New York, 1998, p. 560 578, 726 747

[7] Harvey, D., “Modern Analytical Chemistry”,, Mc Graw Hill, New York, 2000, p. 136 138

Hendra Yeni*

MA Kampar Timur, Jl. Pekanbaru Bangkinang KM.35, Riau, 28461

[email protected] Bunbun Bundjali

KK Kimia Fisika dan Anorganik ITB, Jl. Ganesa No. 10 Bandung, 40132

[email protected]