Bahan ajar Kimia powerpoint dan animasi kelas X XI XIII Elektrokimia

KIMIA XII

Standar Kompetensi :

2.Menerapkan konsep reaksi oksidasi-reduksi dan elektrokimia dalam teknologidan kehidupan sehari-hari.

Kompetensi Dasar :

2.5.Menjelaskan reaksi oksidasi-reduksi dalam sel elektrolisis. Indikator :

a.Mengamati reaksi yang terjadi di anoda dan katoda pada reaksi elektrolisis melalui percobaan.

b.Menuliskan reaksi yang terjadi di anoda dan katoda pada larutan atau cairan dengan elektroda aktif.

c.Menjelaskan faktor-faktor yang mempengaruhi terjadinya korosi melalui percobaan.

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.

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}

Menyeimbangkan Persamaan 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

Reaksi Redoks suasana asam

Cr2O72-(aq) + I-(aq)  Cr3+(aq) + I2(s) (lar asam)

1. Mula-mula bagi reaksi menjadi dua buah setengah reaksi reduksi dan oksidasi

2. Seimbangkan atom dan muatan dimasing-masing setengah reaksi

a. Seimbangkan jumlah atom Cr

b. Seimbangkan O dengan menambahkan H2O

c. Seimbangkan H dengan menambahkan ion H+

d. Seimbangkan muatan dengan menambah elektron e. Begitupun dengan setengah reaksi oksidasi

3. Kalikan masing-masing setengah reaksi agar jumlah e sama 4. Jumlahkan kedua buah setengah reaksi tersebut menjadi

overall

5. Periksa jumlah atom dan muatan

• _{Untuk reaksi suasana basa setelah langkah ke4 tambahkan}

Soal Latihan

•

Permanganat bereaksi dalam larutan basa

dengan ion oksalat membentuk ion karbonat

dan mangan dioksida padat seimbangkan reaksi

redoks berikut:

MnO

4-

(aq) + C

2

O

42-

(aq)



MnO

2

(s) + CO

32-

(aq)

•

Seimbangkan persamaan reaksi berikut dengan

suasana larutan basa

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}

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.

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}

Notasi Sel Volta

• _{Sel Volta dinotasikan dengan cara yang telah}

disepakati (untuk sel Zn/Cu2+)

Zn(s)|Zn2+(aq) Cu║ 2+(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}

Sel Volta dengan Elektroda Inaktif

Grafit|I₂(s)|I-_(aq)║H+_{(aq), MnO}

Soal Latihan

•

Dalam satu bagian sel volta, batang grafit

dicelupkan dalam larutan K

2

Cr

2

O

7

dan Cr(NO

3

)

3

(suasana asam). Pada bagian yang lain logam

timah dicelupkan dalam larutan Sn(NO

3

)

2

jembatan garam menghubungkan kedua

bagian. Elektroda timah bermuatan negatif

relatif terhadap grafit

•

Gambarkan diagram sel, tuliskan persamaan

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 (Esel) atau gaya

electromotive (emf)

• _{Untuk proses spontan Esel > 0, semakin positif Esel}

semakin banyak kerja yang bisa dilakukan oleh sel

• _{Satuan yang dgunakan 1 V = 1 J/C}

• _{Potensial sel sangat dipengaruhi oleh suhu dan}

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}  bentuk tereduksi E_{o1/2 sel}

• _{Potensial elektroda standar seperti halnya besaran}

termodinamika dapat dibalik dengan mengubah tandanya

Elektroda Hidrogen Standar

• _{Ilmuwan telah menyepakati untuk memilih setengah}

reaksi rujukan dengan nilai 0 untuk reaksi: 2H+(aq, 1 M) + 2e  H₂(g, 1 atm) E_orujukan = 0

H2(g, 1 atm)  2H+(aq, 1 M) + 2e –Eorujukan = 0

• _{Dengan nilai rujukan ini kita bisa menyusun sel volta}

yang menggunakan elektroda hidrogen standar sebagai salah satu elektrodanya dan mengukur

Soal Latihan

• _{Suatu sel volta memiliki reaksi antara larutan}

bromine dan logam Zn

Br2(aq) + Zn(s)  Zn2+(aq) + 2Br-(aq) Eosel = 1,83 V

Hitung Eo untuk oksidasi Br-(aq) jika E_oZn = -0,76 V

• _{Suatu 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+

Kekuatan Relatif Oksidator dan Reduktor

• _{Semua 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 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}

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

_osel

>

0) akan terjadi antara oksidator (sisi reaktan)

dan reduktor (sisi produk) yang terletak

dibawahnya

•

Misal Cu

2+

(kiri) dan Zn (kanan) bereaksi

Soal Latihan

•

Kombinasikan setengah reaksi berikut menjadi

3 buah reaksi redoks spontan, hitung E

osel

untuk tiap-tiap reaksi dan urutkan kenaikan

sifat oksidator dan sifat reduktor senyawanya!

•

Apakah reaksi berikut spontan

3Fe

2+

(aq)



Fe(s) + 2Fe

3+

(aq)

Jika tidak, tulis reaksi spontannya, hitung E

osel

Reaktifitas Relatif Logam

• _{Logam yang dapat menggantikan H2 dari asam. Ambil}

salah satu logam, tuliskan reaksi oksidasinya lalu jumlah untuk memperoleh Eosel jika positif maka H2 akan terlepas

• _{Logam yang tidak dapat menggantikan H2, dengan}

langkah yang sama, namun jika hasilnya Eosel < 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

Soal Latihan

•

Timbal dapat menggantikan perak dari

larutannya:

Pb(s) + 2Ag

+

(aq)



Pb

2+

(aq) + 2Ag(s)

Hitung K dan ∆G

o

pada 25

o

C untuk reaksi ini!

•

Saat logam kadmium mereduksi Cu

2+

dalam

larutan, terbentuk ion Cd

2+

dan logam Cu, jika

∆G

o

= -143 kJ, hitung K pada 25

o

C dan berapa

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 = ∆Go + RT ln Q sedangkan

∆G = -nFEsel juga ∆Go = -nFEosel sehingga

-nFEsel = -nFEosel + RT ln Q

Aplikasi Persamaan Nernst

• _{Saat Q < 1 sehingga [reaktan] > [produk] maka Esel > Eosel} • _{Saat Q = 1 sehingga [reaktan] = [produk] maka Esel = Eosel} • _{Saat Q > 1 sehingga [reaktan] < [produk] maka Esel < Eosel} • _{Jika kita memasukkan nilai R dan T pada 298}

Soal Latihan

•

Seorang kimiawan menyusun sel volta yang

terdiri dari elektroda Zn/Zn

2+

dan H

₂

/H

+

pada

kondisi [Zn

2+

] = 0,010 M, [H

+

] = 2,5 M dan

Tekanan H

2

= 0,30 atm

•

Perhatikan sel berdasarkan reaksi berikut

Fe(s) + Cu

2+

(aq)



Fe

2+

(aq) + Cu(s)

Jika [Cu

2+

] = 0,30 M berapa [Fe

2+

] diperlukan

untuk meningkatkan E

sel

0,25 V diatas E

osel

Potensial Sel dan Hubungan antara Q dan K