Bab 07 Kimia Dasar - Elektrokimia

(1)

Elektrokimia

2014

(2)

(3)

Pengantar

•

ELEKTROKIMIA

–

Studi tentang interkonversi antara listrik dan energi kimia

•

Konversi ini mengambil temat dalam sel elektrokimia

!ang bisa berbentuk

–

Sel volta "

#o

#oltai$

ltai$ %ell

%ell

&&

–

Sel elektrolit "

Ele$trol!ti$ %ell

&&

–

(4)

Prinsip Elektrokimia pada Voltaic Cell

•

Reaksi redoks daat men)adi sumber energi

dalam sel volta

•

Elektron !ang di'asilkan ole' anoda

diinda'kan ke katoda !ang

diinda'kan ke katoda !ang mengkonsumsi

mengkonsumsi

elektron

•

*ntuk melakukan ini+ elektron bergerak melalui

rangkaian luar+ !ang melakukan ker)a listrik

(5)

Perak Perak Tembaga

Tembaga

Setengah reaksi reduksi sebelah Setengah reaksi reduksi sebelah Kanan (

Kanan (kationkation katoda katoda):):

Ag

Ag++(aq) + 2e(aq) + 2e-- → Ag(s)→ Ag(s)

Secara skematis daat ditulis: Secara skematis daat ditulis:

!u " !u

2+2+

"" Ag

++

" A

g

Sel Elektrokimia

Sel #al$ani dan

Sel %lektrolis

is

Sel galvani

Sel galvani TEMBAGA-PERAK TEMBAGA-PERAK ::

Setengah-reak

Setengah-reaksi oksidasi di si oksidasi di gelas piala sebelah kiri (gelas piala sebelah kiri (anionanion 

anoda

anoda):):

!u(s) → !u

(6)

-Sel Vo

Sel Voltaic

ltaic Zn-Co

Zn-Co

3+3+

VOLTASE

VOLTASE "tegangan+ voltage&, "tegangan+ voltage&, *kuran dari sontanitas reaksi *kuran dari sontanitas reaksi

Te

Tergantung ada rgantung ada dua 'al,dua 'al,

1-1- Si.at Si.at dari dari setensetenga'/reaga'/reaksi ksi !ang !ang ter)adter)adii ada elektroda

ada elektroda

2-2- KonKonsensentratrasi darsi dari ba'ai ba'an/ban/ba'an !'an !angang terlibat

terlibat

engukuran voltase ada konsentrasi engukuran voltase ada konsentrasi standar

standar 

1-1- menmeng'ig'ituntung erug eruba'ba'an enean energi bergi bebasbas standar

standar

(7)

Jembatan aram !Salt "ridge#

•

ergerakan ion/ion itu melalui

$embatan garam

!ang

meng'ubungkan dua gelas

•

embatan garam,

– bentukn!a gelas tabung/*

– isumbat masing/masing u)ungn!a dengan benang 'alus dari ka$a

– iisi dengan larutan garam !ang tidak men)adi bagian dalam reaksi elektroda – 3iasan!a, KO

5 "ottasium nitrat&

• Ion K6 berinda' dari )embatan garam ke setenga'/sel katoda • Ion O₅/ berinda' ke setenga'/sel anoda

(8)

%eaksi pada Elektroda "&kan Logam

• Reaksin!a,

7n"s& 6 2%o56_"aq&

 7n

26_{"aq& 6 2%o}26_"aq&

• Karena tidak ada logam ada setenga'/sel katoda+

digunakan elektroda inert !ang daat meng'antarkan listrik

• 8ang sering digunakan adala' latinum "t&

• ada katoda+ ion %o56 dierole' dari larutan %o"O

5&5

• Reaksin!a, anoda , 7n"s& _ 7n26"aq& 6 2e "oksidasi&

katoda, %o56_{"aq& 6 e}

 %o

26_{"aq& "reduksi&}

(9)

Sel Voltaic Cl

_'

-"r

_'

otasi seln!a, t93r

₂

+ 3r

/

_{99 %l}

/

_{+ %l}

(10)

&isebut 'uga tegangan sel

&aat diukur dengan alat $oltmeter

Sel gal$ani (sel $olta):

: Sebuah sel elektrokimia ang beroerasi secara sontan

: eaksi kimia menghasilkan energi listrik

Sel elektrolisis:

: Sebuah sel dimana otensial luar ang berla*anan

menebabkan reaksi berlangsung dalam arah berla*anan secara tak sontan

: %nergi listrik menebabkan reaksi kimia ter'adi

(11)

Penurunan Bilangan

Oksidasi

Menerima Elektron

Menerima Hidrogen

Kenaikan Bilangan

Oksidasi

Kehilangan Elektron

Kehilangan Hidrogen

OKSIDASI REDUKSI

Menerima Oksigen



Kehilangan Oksigen

!

e

(12)

Spontanitas %edoks

•

RISI

–

ika voltase "E & !ang di'itung untuk sebua' reaksi redoks

)umla'n!a POS)T)*+ maka reaksin!a akan SPOTA

–

Sebalikn!a+ )ika bernilai E;ATI(+ maka reaksin!a TIAK

(13)

(14)

(15)

Conto,

;unakan tegangan standar !ang ada di Table 1<-1+ utuskan aaka'

ada konsentrasi standar

a& Reaksi

2(e56_{"a=& 6 2I}/_"a=&

 2(e

26_{"a=& 6 I} 2"s&

b& (e"s& akan dioksidasi ke (e

26

_{ole' erlakuan dengan asam}

'idrok'lorik

$& Sebua' reaksi redoks akan ter)adi saat )enis !ang mengikutin!a

di$amur dalam larutan asam, %l

/

_{+ (e}

26

_{+ %r}

26

_{+ I}

(16)

Jaaban !.#

a& *raikan reaksin!a kedalam dua setenga'/reaksi

2(e

56

_{"a=& 6 2e}



2(e

26

_"a=&

_E

o red

> 60-?@ #

2I

/

_"a=&



I

₂

"s& 6 2e

E

o oks

> /0-B54 #

2(e

56

_"a=&62I

/

_"a=&



2(e

26

_"a=&6I

2

"s& E

ored

> 60-25B #

(17)

Jaaban !'#

b& Setenga'/reaksi oksidasi, (e"s&  (e

26_{"a=& 6 2e E}o

oks> 60-40 #

Asam 'idrok'lorik mengandung ion C6_{dan %l}/_{- ari dua ion}

ini+ 'an!a C6_{!ang tertera di kolom kiri dari Table 1<-1D ion}

%l/_{tidak daat direduksi- Setenga'/reaksi reduksi,}

2C6_{"a=& 6 2e}

 C₂"g& E

o

red> 0-000 #

Tegangan !ang di'itung ositi.,

E o _{> 60-40 # 6 0-000 # > 60-40 #}

Reaksi redoks berikut+ dierole' dari men)umla'kan setenga'/reaksin!a,

(e"s& 6 2C6_"a=&

 (e

26_{"a=& 6 C} 2"g&

(18)

Jaaban !3#

$& %ara !ang aling singkat untuk men!elesaikan soal ini adala' memulai dengan

menda.tar semua setenga'/reaksi !ang mungkin dari )enis/)enis ini sebagaimana

ada di Table 1<-1- Lalu li'atla' )ika di)umla'kan Eo

red dan Eooks memberikan nilai Eo

ositi.- 8ang terlibat adala' %l/_{+ (e}26_{+ %r}26_{+ I} 2 2%l/_"aq&  %l₂"g & 6 2e "oksidasi& E o_{> /1-5@0#} (e26_{"aq& 6 2e}  (e"s& "reduksi& E o_{> /0-40#} (e26_"aq&  (e 56_{"a=& 6 e "oksidasi&} _Eo_{> /0-?@#} %r 26_"aq&  %r 56_{"a=& 6 e "oksidasi&E}o_{> 60-40<#} I₂"s& 6 2e  2I /_{"a=& "reduksi&} _Eo_{> 60-B54#}

(19)

Ker'a listrik

_{Tanda negati, muncul karena}

kon$ensi termodinamika

Termodinamika menun'ukkan sebuah hubungan enting antara erubahan energ bebas (#). dari suatu reaksi kimia sontan ada suhu dan tekanan konstan. serta ker'a listrik maksimum ang mamu dihasilkan dari reaksi

- *

listrik/maks

0 "#"

(ada T dan P konstan) 1ika sel di,ungsikan re$ersibel

PT%3S4A S%. %3%#4

5%5AS. &A3 K%S%T465A3#A3

E

t

I

W

E

Q

W

listrik listrik

"

− = − = o listrik

- QE

- nFE

W

ΔG

= = =

(20)

Sebuah aki 7.88 9 memberikan arus konstan sebesar .2; A selama

eriode .; 'am/ <itung muatan total = (dalam coulomb) ang mele*ati

rangkaian dan ker'a listrik ang dilakukan oleh aki

Penelesaian

6uatan total adalah

= 0 4t 0 (.2; !>detik)(.;8 'am)(?788 detik>'am) 0 7@;8 ! Ker'a listrik adalah

*

elek 0 - = % 0 - (7@;8 !)(7.88 1>!) 0 - .8; B 81

4ni adalah ker'a ang dilakukan ada aki. sehingga ker'a ang dilakukan oleh aki adalah negati,na dari nilai tersebut. aitu +8.; k1/

(21)

Conto,

•

Sebua' setenga'/sel 7n

26

97n di'ubungkan

dengan sebua' setenga'/sel- %u

26

_{9%u untuk}

membuat sel galvani+ dimana 7n

26

_{F > %u}

26

_{F >}

1-00 M- Tegangan sel ada 2BG% diukur sama

dengan EG > 1-10 #+ dan %u diamati melaisi

selama berlangsungn!a reaksi- Citung H;G untuk

reaksi kimia !ang berlangsung dalam sel+ untuk

1-00 mol seng

(22)

terlarut-Jaaban

•

eaksina adalah

Cn(s) + !u

2+

(aq) → Cn

2+

(aq) + !u(s)

•

Karena !u adalah roduk/ Dntuk reaksi ang tertulis. di mana  mol

Cn(s) dan  mol !u

2+

_{(aq) bereaksi. 2 mol elektron mele*ati rangkaian}

luar. sehingga n 02/ leh karena itu.

#E 0 - n F %E

0 - (2/88 mol)(G7/H; !>mol)(/8 9)

0 - 2/2 B 8; 1 0 - 22 k1

(23)

(24)

(25)

P%SA6AA3 3%3ST

 > rea$tion =uotient

)

#$

(pada

ln

%#$&

"

%

ln

o

C

Q

n

V

E

Q

nF

RT

E

o o − = − =

(26)

Conto,

•

er'atikan sebua' sel voltai$ dalam mana ter)adi reaksi berikut,

O₂"g+ 0-< atm& 6 4C6_{"a=+ C > 1-24& 6 43r}/_{"a=+ 0-1B M&}

 2C₂O 6 23r ₂"l&

a& Citung E untuk sel tersebut ada 2B

o

_%

b& Saat sel voltai$ ada 5B

o

_{%+ E di'itung ada 0-05 #- 3eraa E}

o

(27)

(28)

(29)

Conto,

•

Sebua' sel volta ada su'u 2B

o

% memiliki reaksi,

7n"s& 6 2C

6

_"a=&



7n

26

_{"a=& 6 C}

2

"g&

•

Tegangann!a adala' sebesar 0-B@0# ada 7n

26

F > 0-<B M dan

tekanan arsial C

₂

adala' sebesar 0-<< atm- E

o

_{7n 7n}

26

_>

60-?@2# dan E

o

_C

6

_C

2

> 0-000#- 3eraa C ada sel setenga' C

2

/

(30)

Jaaban

E ' %"$% Eo_{' E}o_{*n+ *n}#,_{, E}o_!,_+! # ' ,%"&# , %"%%% ' ,%"&# Reaksi-setengah redoks: *n(s)  *n #,_{(a) , #e} -#!,_{(a) , #e} - !_#(g) .adi n ' #

( )

2 2 2

I

J

)

GHH

/

8 )(

H;

/

8 (

I

J

I

J

2 + + + = =

H

p

Zn

Q

H

)

ln

82;@

/

8 C

Q

n

V

E

= o −

(pada

#$

o

(31)

Jaaban

(

)

; / ? ; / ? I J @ / 7 I J H / 8 @ / ; 82;@ / 8 2 ;87 / 8 @72 / 8 I J H / 8 ln I J ) GHH / 8 )( H; / 8 ( ln 2 82;@ / 8 @72 / 8 ;87 / 8 ln 82;@ / 8 2 2 2 = = = = − = − = − = + + + + pH H H V V V H H V V V Q n V E E o / -

0%

1 0%

1

(32)

(33)

Sel Elektrolit

•

Sel elektrolit, reaksi redoks tak/sontan !ang dibuat untuk ter)adi

(34)

A!!D

Sel eclanche (sel kering seng-karbon)

%lektroda ositi, Katoda gra,it

Selubung kertas

Anoda seng

(35)

Anoda : Cn(s) → Cn2+(aq) + 2e

-Katoda : 2 6n2(s) + 23<+(aq) + 2e- → 6n2?(s) + 23<?(aq) + <2(l)

Cn(s) + 2 6n2(s) + 23<+(aq) → Cn2++ 6n2?(s) + 23<?(aq) + <2(l)

&alam sel kering alkalin. 3<!l diganti dengan K<

Anoda : Cn(s) + 2<-(aq) → Cn(<)2(s) + 2e

-Katoda : 2 6n2(s) + <2(l) + 2e- → 6n2?(s) + 2<-(aq)

(36)

5erbentuk kancing (iih) kecil

Anoda : !amuran merkuri dan seng

Katoda : 5a'a ang kontak dengan <g(s) %lektrolit : K< ;

Anoda : Cn(s) + 2<-(aq) → Cn(<)2(s) + 2e

-Katoda : <g(s) + <2(l) + 2e- → <g(l) + 2<-(aq)

(37)

Anoda : !d(s) + 2<-(aq) → !d(<)2(s) + 2e

-Katoda : 2 3i(<)(s) + 2<2(l) + 2e- → 23i(<)(s) + 2<-(aq)

Aki ang &aat &iisi Dlang (echargeable)

•

Aki sekunder

•

&iisi ulang dengan cara memberikan otensial luar

ang berla*anan arah dengan arus ang mengalir

dalam sel

(38)

Anoda : Pb(s) + S2-(aq) → PbS(s) + 2e

-Katoda : Pb (s) + S 2-(aq) + <  + 2e → PbS (s) + 7< (l )

Aki Peniman Timbal-asam (&igunakan dalam

6obil)

• Aki mobil terdiri dari beberaa sel

• Setia sel terdiri dari elat ositi. dan elat negati.

• Sel ini dibuat dari elat logam timbel berori+ dengan maksud memermuda'

reaksi kimia ada ermukaan berori tersebut

• 3a'an akti. dari elat ositi. adala' timbel dioksida "bO

2& berarna $oklat dan

(39)

abu-Sel 5ahan 5akar (Fuel !ell)

• Aki: bila bahan kimia habis. aki harus diisi ulang atau dibuang • Sel bahan bakar : &irancang untuk oerasi kontinu. dengan

reaktan ang disulai dan roduk diambil secara kontinu

• rosesn!a meruakan kebalikan dari

elektrolisis- – ada elektrolisis+ arus listrik digunakan untuk menguraikan air

men)adi 'idogen dan

oksigen-• engan membalik roses ini+ 'idrogen dan oksigen

(40)

Sel "a,an "akar

•

%onto' sel ba'an bakar, sel ba'an bakar 'idrogen/oksigen+ !ang

digunakan ada misi ruang angkasa Amerika

•

Anoda "karbon berori+ berisi nikel& ,

C

₂

"g& 6 2OC/"a=& N 2C2O"l& 6 2e/

•

Katoda "karbon berori berisi nikel,

O

₂

"g& 6 C

₂

O"l& 6 2e/ N 2OC/

2C

₂

"g& 6 O

₂

"g&



2C

₂

O"l&

(41)

(endala Sel "a,an "akar

1- Aabila digunakan ba'an bakar 'idrogen+ maka dibutu'kan tanki

engaman !ang berdinding tebal dan memiliki katu

engaman-Selain itu dierlukan komresor untuk memasukann!a kedalam

tanki-2- Aabila !ang dibaa adala' 'idrogen $air+ maka akan timbul

kesulitan karena 'arus dierta'ankan ada su'u /2B5+1B

o

_{% ada}

tekanan 10

B

a-5- Aabila digunakan metanol sebagai engganti 'idrogen+ maka

dibutu'kan re.ormer- Tetai e.isiensi men)adi

(42)

Jenis Sel "a,an "akar

•

enis

fuel cell

ditentukan ole' material !ang digunakan sebagai

elektrolit !ang mamu meng'antar

roton-•

ada saat ini ada < )enis

fuel cell

!aitu,

1. Alkaline Fuel Cell "A(%&

2. Proton exchange membrane+ )uga disebut Proton Electrolyte Membrane "EM&

3. Phoshoric Aci! Fuel Cell A(%& ". Molten carbonate Fuel Cell "M%(%& #. $oli! oxi!e Fuel Cell "SO(%&

%. &irect methanol fuel cells "M(%& '. (egenerati)e fuel cells "R(%&

(43)

(44)

(45)

(46)

(47)

(48)

(49)

(50)

(51)

(52)

Film <2 Anoda 2 Katoda <?+ e- e -Fe2+ aisan cat eaksi anoda Fe → Fe2++ 2e -eaksi katoda M2+ 2<?++ 2e- → ?<2 5esi

eaksi kedua: (7+B)<2(l) + 2Fe2+(ag) + M2(g) → Fe2?/B<2(s) + <?+(aq)

eaksi total: 2Fe(s) + ?>22(g) + B <2(l) → Fe2?/ B <2(l)

Korosi

(53)

(orosi

• 3eberaa daera' logam bereran sebagai anoda dan daera' lain sebagai katoda • Anoda, 3esi beruba' men)adi ion .erro "(e26&

– ermukaan logam men)adi berlubang "ke'ilangan logam karena oksidasi besi dan aliran ion

logam ke katoda&

• Katoda , Ion .erro

– !ang terbentuk se$ara simultan ada anoda kemudian bermigrasi ke k atoda+ dan selan)utn!a

dioksidasi ole' O2 membentuk karat "(e₂O₅-PC₂O&

• en$ega'an korosi

– elaisan logam dengan $at atau lastik

(54)

Persamaan-persamaan (&nci

2)

#$

(pada

:

3ernst

Persa4aan

5"

2)

#$

(pada

:

Standar

Tegangan

0"

o o

Q

n

V

E

Q

nF

RT

E

K

n

V

nF

K

RT

nF

G

E

K

G

E

o o o o o o o ox o red o

ln

82;@

/

8 ln

ln

82;@

/

8 ln

:

.

/

2

− = − = = = ∆ − = ∆ + =