ELEKTROKIMIA 1,2,3,4,5 Dapus [PDF]

Citation preview

Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 BAB I PENDAHULUAN



1.1



Latar Belakang Elektrokimia merupakan ilmu yang mempelajari aspek elektronik dari reaksi



kimia. Elemen yang dengan



digunakan



dalam reaksi elektrokimia



banyaknya elektron yang



dimiliki. Sel



dikarakterisasikan



elektrokimia



adalah



tempat terjadinya aliran elektron yang ditimbulkan oleh perubahan energi kimia menjadi energi listrik atau sebaliknya. Dua macam sel elektrokimia, yaitu sel volta dan sel elektrolis. Suatu sel elektrokimia terdiri dari dua elektroda yang disebut katoda dan anoda dalam larutan elektrolit. Sel



Elektrolisis adalah



sel



yang menggunakan



arus



listrik



untuk



menghasilkan reaksi redoks yang diinginkan dan digunakan secara luas di dalam masyarakat kita. 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. Air, H2O, dapat diuraikan dengan menggunakan listrik dalam sel elektrolisis. Elektro kimia adalah cabang ilmu kimia yang berkenaan dengan interkonvensi energi listrik dan energi kimia. Proses elektrokimia adalah reaksi redaksi (oksidasi-reduksi) dimana dalam reaksi ini energi yang dilepas oleh reaksi spontan diubah menjadi listik atau dimana energi listrik yang di lepas oleh reaksi non spontan bisa terjadi. Dilepasnya elektron oleh suatu unsur selama oksidasi di tandai dengan meningkatnya bilangan oksidasi unsur tersebut. Dalam reduksi, terjadi penurunan bilangan oksidasi karna diperolehnya oleh unsur tersebut (chang, 2004). Sel elektro kimia dapat diklasifikasikan sebagai sel galuani bila sel digunakan untuk menghasilkan energi listrik (potensial sel positif) dan sel eloktrolisasi bila sel memerlukan energi listrik dari suatu sumber. Secara definisi, Katoda ialah suatu elektroda dimana reduksi, terjadi Anoda ialah suatu elektroda dimana oksidasi terjadi (Hendayana, 1994).



1



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 1.2



Tujuan Praktikum Adapun tujuan percobaan ini adalah sebagai berikut yaitu : 



Menentukan bilangan Avogadro (N0) secara elektrolisis







Menyusun dan mengukur GGL sel elektrokimia







Mencoba menguji persamaan Nernst



2



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 BAB II LANDASAN TEORI 2.1



Pengertian Elektrokimia Konsep elektrokimia merupakan cabang ilmu yang mempelajari aspek



elektronik dan reaksi kimia. Elemen yang digunakan dalam reaksi elektrokimia dikarakterisasikan dengan banyaknya elektron yang dimiliki. Elektrokimia merupakan ilmu kimia yang mempelajari tentang perpindahan elektronyang terjadi pada sebuah media pengantar listrik (elektroda). Elektroda terdiri dari elektrodapositif dan elektroda negatif. Hal ini disebabkan karena elektroda tersebut akan dialiri oleh aruslistrik sebagai sumber energi dalam pertukaran elektron. Konsep elektrokimia didasari olehreaksi reduksi-oksidasi (redoks) dan larutan elektrolit.



Reaksi redoks merupakan gabungan darirekasi reduksi dan



oksidasi yang berlangsung secara bersamaan. Pada reaksi reduksi terjadi peristiwa penangkapan elektron sedangkan reaksi oksidasi merupakan peristiwa pelepasan elektron yang terjadi pada media pengantar pada sel elektrokimia (Atkins, 1999). Elektrokimia pada dasarnya berpegang pada pemahaman tentang hubungan antara senyawa listrik dan kimia. Elektrokimia merupakan studi yang mempelajari bagaimana reaksi kimia dapat menimbulkan tegangan listrik dan tegangan listrik terbalik dapat menyebabkan reaksi kimia dalam sel elektrokimia. Konversi energi dari bentuk kimia ke bentuk listrik dan sebaliknya adalah inti dari elektrokimia. Ada dua jenis sel elektrokimia, yaitu sel galvanik dan elektrolit. Sel galvanik adalah sel yang menghasilkan tenaga listrik ketika sel mengalami reaksi kimia sedangkan Sel elektrolit adalah sel yang mengalami reaksi kimia ketika tegangan listrik diterapkan. Elektrolisis dan korosi adalah contoh dari proses penting seperti yang ada pada elektrokimia. Prinsip-prinsip dasar elektrokimia didasarkan pada rasio tegangan antara dua zat dan memiliki kemampuan untuk bereaksi satu sama lain. Semakin lama logam dalam elemen galvanik yang terpisah dalam seri tegangan elektrokimia, semakin kuat listrik akan terekstrak. Teori Elektro-kimia dan metode elektrokimia memiliki aplikasi praktis dalam teknologi dan industri dalam banyak cara. Penemuan dan pemahaman reaksi elektrokimia telah memberikan kontribusi untuk mengembangkan sel bahan bakar dan baterai, dan



3



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 pemahaman logam relatif terhadap satu sama lain dalam elektrolisis dan korosi (Sukardjo, 1997). Proses elektrokimia membutuhkan media pengantar sebagai tempat terjadinya serah terima elektron dalam suatu sistem reaksi yang dinamakan larutan. Larutan dapat dikategorikan menjadi tiga bagian yaitu larutan elektrolit kuat, larutan elektrolit lemah dan larutan bukan elektrolit . Larutan elektrolit kuat merupakan larutan yang mengandung ion-ion terlarut yang dapat mengantarkan arus listrik sangat baik sehingga proses serah terima elektron berlangsung cepat dan energi yang dihasilkan relatif besar. Sedangkan larutan elektrolit lemah merupakan larutan yang mengandung ion-ion terlarut cenderung terionisasi sebagian sehingga dalam proses serah terima elektron relatif lambat dan energi yang dihasilkan kecil. Namun demikian proses elektrokimia tetap terjadi. Untuk larutan bukan elektrolit, proses serah terima electron tidak terjadi. Pada proses elektrokimia tidak terlepas dari logam yang dicelupkan pada larutan disebut elektroda. Terdiri dari katoda dan anoda (Harahap, 2016). 2.2



Jenis-jenis Elektroda



A.



Elektroda Pembanding Di dalam beberapa penggunaan analisis elektrokimia, diperlukan suatu



elektrode pembanding (refference electrode) yang memiliki syarat harga potensial setengah sel yang diketahui, konstan, dan sama sekali tidak peka terhadap komposisi larutan yang sedang selidiki.. Pasangan electrode pembanding adalah elektrode indikator (disebut juga working electrode) yang potensialnya bergantung pada konsentrasi zat yang sedang diselidiki. Syaratnya adalah (Masteron, 2009) : 1.



Mematuhi persamaan Nernst bersifat reversible.



2.



Memiliki potensial elektroda yang konstan oleh waktu.



3.



Segera kembali keharga potensial semula apabila dialiri arus yang kecil.



4.



Hanya memiliki efek hysterisis yang kecil jika diberi suatu siklus suhu.



5.



Merupakan elektroda yang bersifat nonpolarisasi secara ideal.



4



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 B.



Elektroda Indikator Elektroda indikator (elektroda kerja) adalah suatu elektroda yang potensial



elektrodanya bergantung terhadap konsentrasi (aktivitas) analit yang diukur. Jenis-jenis elektroda indicator antara lain (Skoog, 2004) : 1. Elektroda indikator logam a.



Elektroda jenis pertama



Elektroda logam yang potensialnya merupakan fungsi dari konsentrasi Mn+ dalam Mn+|M reaksi setengah redoks. Elektroda jenis pertama merupakan elektroda logam murni yang memepertukarkan kationnya langsung dengan logamnya.Elektroda jenis pertama tidak banyak digunakan karena sangat tidak selektif dan merespon kation lainnya yang mudah tereduksi. Kelemahan dari elektroda ini tidak terlalu selektif, kadang bereaksi dengan katon lain yang lebih mudah tereduksi, elektroda logam dangat mudah teroksidasi. b. Elektroda jenis ke-2 Elektroda logam yang potensialnya merupakan fungsi dari konsentrasi X dalam MXn|M reaksi setengah redoks. Logam tidak hanya merespon kationnya tetapi juga merespon anion yang membentuk endapan sedikit larut dan kompleks stabil dengan kationnya. Elektroda jenis ini memiliki ion-ion yang tidak bertukar elektron langsung dengan elektrodanya. Sebagai gantinya, anion akan mengatur konsentrasi kation yang bertukar elektron dengan elektroda. c. Elektroda redoks Elektroda inert yang dapat menjadi sumber elektron bagi reaksi setengah redoks.



C.



Elektroda Membran Pada elektroda membran, tidak ada elektron yang diberikan oleh atau



kepada membran tersebut. Sebagai gantinya, suatu membran membiarkan ion-ion jenis tertentu menembusnya, namun menghentikan ion-ion lain. Jenis – jenis dari elektroda membrane yang sering dijumpai pada kehidupan sehari-hari ataupun di labaratorium yaitu (Jeffery, 1978) : 1. Potensial membran



5



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 Suatu perubahan potensial pada sebuah membran konduktif dimana sisi yang berlawanan kontak (berhubungan) dengan larutan yang memiliki komposisi berbeda. 2. Elektroda selektif ion Sebuah



elektroda



dimana



potensial



membrannya



merupakan



fungsi



konsentasi dari satu ion tertentu. 3. Elektroda kaca Sebuah elektroda selektif ion berdasarkan membran kaca yang potensial terbentuk dari reaksi pertukaran ion pada permukaan membran. 4. Elektroda membran Kristal Sebuah elektroda selektif ion yang didasarkan pada kelarutan yang kecil dari bahan kristal anorganik. Tidak hanya kaca saja yang selektif terhadap kation, tetapi beberapa zat padat lainnya juga selektif terhadap kation. Sebagai contoh kristal tunggal lantanum florida yang bertindak sebagai membran digunakan untuk menetapkan ion fluorida.Kristal itu dikontaminasi dengan suatu unsur tanah langka, europium(II), untuk meningkatkan daya hantar listriknya. Elektroda ini mampu merespon ion fluorida smpai konsentrasi 10-5 M. 5. Elekroda membran liquid Sebuah elektroda selektif ion di mana chelating agen dimasukkan ke dalam membran hidrofobik. Elektroda jenis ini menggunakan cairan yang tidak bercampur dengan air sebagai membrannya. Elektroda membran cairan menghasilkan potensial dari kedua larutan yang mengandung analit dan liquid-ion exchanger. Cairan tersebut akan mengikat dengan selektif ion yang akan ditetapkan. Sebagai contoh elektroda ion kalsium yang menggunakan suatu penukar kation yang mengandung asam fosfat. a) ISFETS ISFET adalah ion-sensitif field effect transistor yangdigunakan untuk mengukur konsentrasi ion dalam larutan, ketika konsentrasi ion (seperti H+, lihat skala pH) mengalami perubahan, arus melalui transistor akan berubah sesuai. Di sini, solusinya digunakan sebagai elektroda gerbang. Sebuah tegangan antara substrat dan permukaan oksida muncul akibat selubung ion b)Elektroda Enzim



6



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 Sebuah elektroda yang merespon konsentrasi substrat dengan mereaksikan substrat dengan enzim yang statis, menghasilkan ion yang dapat dipantau dengan ion-selektif elektroda. D.



Gas sensing probe Gas sensing probe adalah sel galvani yang potensialnya tergantung kepada



konsentrasi gas dalam larutan. Pemilihan elektroda indicator harus memenuhi beberapa syarat antara lain harus memenuhi tingkat kesensitivan yang terhadap konsentrasi analit. Tanggapannya terhadap keaktifan teroksidasi dan tereduksi harus sedekat mungkin dengan yang diramalkan dengan persamaan Nernst. Sehingga adanya perbedaan yang kecil dari konsentrasi analit, akan memberikan perbedaan tegangan. Sel untuk mengukur pH dengan elektrode kaca tersusun dari suatu membrane kaca tipis yang melekat erat pada tabung berisi suatu elektrode pembanding dalam, biasanya adalah elektrode perak-perak klorida, yang diujungnya ditempatkan kawat perak sebagai elektroda pembanding. Tabung dibenamkan dalam larutan yang pH-nya akan diukur beserta dengan tabung elektroda kalomel, yang keduanya dihubungkan ke pH meter (Rosenberg,1980). Dibandingkan dengan elektrode indikator lain, elektrode kaca memiliki beberapa keunggulan. Pertama, tidak ada zat asing yang ditambahkan ke dalam larutan yang pH-nya akan diukur. Kedua, zat-zat yang mudah dioksidasi atau direduksi dapat berada dalam larutan tanpa mengganggu. Ketiga, karena potensial tidak bergantung pada ukuran fisik elektrode, maka elektrode dapat dibuat sangat kecil sehingga dapat digunakan untuk mengukur larutan dengan volume yang kecil. Selain itu, tidak ada permukaan katalitik yang mudah terkotori seperti pada elektroda hidrogen, dan cocok untuk pengukuran berulang. Pada proses penetapan pH suatu larutan secara potensiometri perlu dilakukan terlebih dahulu kalibrasi elektrode indikator. Metode kalibrasi electrode indikator ini dilakukan sebelum analisis potensiometri dilakukan untuk memberikan beberapa keuntungan seperti kesederhanaan, kecepatan dan keaplikatifan dalam penentuan nilai pH. Karena elektroda kaca ini spesifik untuk ion H+, maka elektroda ini digunakan untuk mengukur pH, namun kurang cocok apabila digunakan untuk analisis kandungan ion logam. Maka dalam penentuan



7



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 kandungan ion logam perlu digunakan elektrode indikator membran jenis lain yaitu elektroda selektif-ion (Harvey, 2000).



2.3



Sel Galvani atau Sel Volta Sel Volta merupakan sel elektrokimia yang menghasilkan energi listrik



diperoleh dari reaksi kimia yang berlangsung spontan. Beberapa literatur menyebutkan juga bahwa sel volta sama dengan sel galvani. Diperoleh oleh gabungan ilmuan yang bernama Alexander Volta dan Luigi Galvani pada tahun 1786. Bermula dari penemuan baterai yang berasal dari caian garam. Pada sel Volta anoda adalah kutub negatif dan katoda kutub positif. Anoda dan katoda akan dicelupkan kedalam larutan elektrolit yang terhubung oleh jembatan garam. Jembatan garam memiliki fungsi sebagai pemberi suasana netral (grounding) dari kedua larutan yang menghasilkan listrik. Dikarenakan listrik yang dihasilkan harus melalui reaksi kimia yang spontan maka pemilihan dari larutan elektrolit harus mengikuti kaedah deret volta. Deret volta disusun berdasarkan daya oksidasi dan reduksi dari masing-masing logam (Chang, 2016). Sel Volta dibedakan menjadi tiga jenis yaitu sel Volta primer merupakan sel Volta yang tidak dapat diperbarui (sekali pakai) dan bersifat tidak dapat balik (irreversible) contohnya baterai kering. Sel Volta sekunder merupakan sel Volta yang dapat diperbarui (sekali pakai) dan bersifat dapat balik (reversible) ke keadaan semula contohnya baterai aki. Sel Volta bahan bakar (full cell) adalah sel Volta yang tidak dapat diperbarui tetapi tidak habis contohnya sel campuran bahan bakar pesawat luar angkasa (Petrucci, 2017).



A. Susunan Sel Volta 1. Anode, yaitu elektrode tempat terjadinya reaksi oksidasi. 2. Katode, yaitu elektrode tempat terjadinya reaksi reduksi. 3. Elektrolit, yaitu zat yang dapat menghantarkan listrik. 4. Rangkaian luar, yaitu kawat konduktor yang menghubungkan anode dengan katode. 5. Jembatan garam, yaitu rangkaian dalam yang terdiri dari larutan garam. Jembatan garam memungkinkan adanya aliran ion-ion dari setengah sel anode



8



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 ke setengah sel katode, dan sebaliknya sehingga terbentuk rangkaian listrik tertutup. Pada gambar di bawah, terlihat rangkaian sel volta dengan dua kompartemen. Masing-masing kompartemen merupakan setengah sel. Pada kompartemen kiri, dalam larutan ZnSO4 terjadi setengah reaksi oksidasi Zn menjadi ion Zn2+, sedangkan pada kompartemen kanan, dalam larutan CuSO4 terjadi setengah reaksi reduksi ion Cu2+ menjadi Cu. Logam Zn dan Cu yang menjadi kutub-kutub listrik pada sel volta di atas disebut sebagai elektrode. Logam Zn tempat terjadinya oksidasi Zn disebut anoda. Logam Cu tempat terjadinya reduksi ion Cu2+ disebut katoda. Oleh karena elektron dilepas dari reaksi oksidasi di anoda menuju reaksi reduksi di katoda, maka anoda adalah kutub negatif dan katoda adalah kutub positif.



Gambar 2.1 Rangkaian sel volta dengan jembatan garam



Kedua kompartemen dihubungkan dengan pipa kaca berbentuk U yang berisi larutan garam seperti NaNO3 atau KCl dalam medium agar-agar yang disebut



jembatan garam. Fungsi jembatan garam adalah untuk menetralkan



muatan listrik dari kedua kompartemen setelah reaksi redoks dengan menyuplai anion ke kompartemen anoda dan kation ke kompartemen katoda; serta memungkinkan terjadinya migrasi ion-ion pada kedua kompartemen sehingga membentuk rangkaian listrik tertutup. Pada sel volta di atas, dengan jembatan garam KNO3, ion NO3- akan bergerak ke arah anoda untuk menetralkan ion Zn2+ berlebih dari hasil oksidasi Zn; dan ion K+akan bergerak ke arah katoda untuk menetralkan ion SO42- berlebih dari larutan CuSO4 oleh karena berkurangnya ion Cu2+



setelah



tereduksi



menjadi



logam



9



Cu



(Brown



dkk,



2015).



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 B. Notasi Sel Volta Susunan sel volta dapat dinyatakan dengan notasi sel volta yang disebut juga diagram sel. Untuk contoh sel volta di atas, notasi selnya dapat dinyatakan sebagai berikut. .......... (2.1) Penulisan notasi sel volta mengikuti konvensi umum sebagai berikut. 1.



Komponen-komponen pada kompartemen anoda (setengah sel oksidasi) ditulis pada bagian kiri, sedangkan komponen-komponen pada kompartemen katoda (setengah sel reduksi) ditulis pada bagian kanan.



2.



Tanda dua garis vertikal ( || ) melambangkan jembatan garam yang memisahkan kedua setengah sel.



3.



Tanda satu garis vertikal ( | ) melambangkan batas fase antara komponenkomponen dengan fase berbeda. Sebagai contoh, Ni(s) | Ni2+(aq) mengindikasikan bahwa Ni padat berbeda fase dengan larutan Ni2+.



4.



Tanda koma (,) digunakan untuk memisahkan komponen-komponen dalam fase yang sama. Sebagai contoh, suatu sel volta dengan anoda Co dan katoda inert Pt, di mana terjadi oksidasi Co menjadi Co2+ dan reduksi Fe3+ menjadi Fe2+, dinotasikan sebagai berikut. ......... (2.2)



5.



Jika diperlukan, konsentrasi dari komponen-komponen terlarut ditulis dalam tanda kurung. Sebagai contoh, jika konsentrasi dari larutan Zn2+ dan Cu2+ adalah 1 M keduanya, maka dituliskan seperti berikut. .......(2.3)



C. Potensial Sel Standar (E°sel) Adanya arus listrik berupa aliran elektron pada sel volta disebabkan oleh adanya beda potensial antara kedua elektrode yang disebut juga dengan potensial sel (Esel) ataupun gaya gerak listrik (ggl) atau electromotive force (emf). Potensial sel yang diukur pada keadaan standar (suhu 25°C dengan konsentrasi setiap 10



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 produk dan reaktan dalam larutan 1 M dan tekanan gas setiap produk dan reaktan 1 atm) disebut potensial sel standar (E°sel). Nilai potensial sel sama dengan selisih potensial kedua elektrode. Menurut kesepakatan, potensial elektrode standar mengacu pada potensial reaksi reduksi (McMurry, 2016). ............................. (2.4) Katode adalah elektrode yang memiliki nilai E° lebih besar (positif), sedangkan anode adalah elektrode yang memiliki nilai E° lebih kecil (negatif). Data nilai potensial elektrode standar dapat dilihat pada tabel 1.1 dibawah (Silberberg, 2015). D. Reaksi Redoks Spontan Kespontanan reaksi redoks dapat diprediksi dari nilai potensial reaksi redoks tersebut. Nilai potensial reaksi redoks sama dengan nilai potensial sel, yaitu selisih antara potensial reduksi katode (reaksi reduksi) dengan potensial reduksi anode (reaksi oksidasi). Suatu reaksi redoks akan berlangsung spontan ke arah pembentukan produk bila potensial reaksinya bernilai positif (Purba, 2007). ................... (2.5) E. Deret Keaktifan Logam (Deret Volta)



Urutan unsur-unsur logam pada tabel potensial elektrode standar disebut juga deret elektrokimia (deret volta). Deret ini memberikan informasi reaktivitas unsur logam dalam suatu reaksi redoks (Brown dkk, 2015).



Gambar 2.2 Deret Volta 1. Reaktivitas unsur logam semakin berkurang dari kiri ke kanan. 2. Sifat reduktor (daya reduksi) logam semakin berkurang dari kiri ke kanan. 3. Kecenderungan logam untuk teroksidasi semakin berkurang dari kiri ke kanan. 4. Sifat oksidator (daya oksidasi) logam semakin bertambah dari kiri ke kanan.



11



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 5. Kecenderungan ion logam untuk tereduksi semakin bertambah dari kiri ke kanan.



2.4



Bilangan Avogadro Mol adalah satuan dasar SI yang mengukur jumlah zat. Istilah "mol"



pertama kali diciptakan oleh Wilhem Ostwald dalam bahasa Jerman pada tahun 1893, walaupun sebelumnya telah terdapat konsep massa ekuivalen seabad sebelumnya. Istilah mol diperkirakan berasal dari kata bahasa Jerman Molekül. Nama gram atom dan gram molekul juga pernah digunakan dengan artian yang sama dengan mol, namun sekarang sudah tidak digunakan. Satu mol didefinisikan sebagai jumlah zat suatu sistem yang mengandung "entitas elementer" (atom, molekul, ion, elektron) sebanyak atom-atom yang berada dalam 12 gram karbon-12. Sehingga: a.



satu mol besi mengandung sejumlah atom yang sama banyaknya dengan



satu mol emas; b. satu



mol benzena mengandung sejumlah molekul yang sama banyaknya dengan



satu mol air; c.



jumlah atom dalam satu mol besi adalah sama dengan jumlah molekul dalam



satu mol air. Terdapat miskonsepsi yang umum bahwa mol didefinisikan menurut tetapan Avogadro (juga disebut "bilangan Avogadro"). Namun kita tidak perlulah mengetahui jumlah atom ataupun molekul yang ada dalam suatu zat untuk menggunakan satuan mol, dan sebenarnya pula pengukuran jumlah zat dilakukan pertama kali sebelum adanya teori atom modern. Definisi mutakhir mol disepakati pada tahun 1960-an. Sebelumnya, definisi mol didasarkan pada berat atom hidrogen, berat atom oksigen, dan massa atom relatif oksigen-16. Keempat definisi ini memiliki tingkat perbedaan yang lebih kecil dari 1%. 2.5



Sel Elektrolisis Elektrolisis merupakan proses kimia yang mengubah energi listrik menjadi



energi kimia. Komponen yang terpenting dari proses elektrolisis ini adalah elektrode dan larutan elektrolit. Dalam sel volta/galvani, reaksi oksidasi reduksi berlangsung dengan spontan, dan energi kimia yang menyertai reaksi kimia



12



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 diubah menjadi energi listrik. Sedangkan elektrolisis merupakan reaksi kebalikan dari sel volta/galvani yang potensial selnya negatif atau dengan kata lain, dalam keadaan normal tidak akan terjadi reaksi dan reaksi dapat terjadi bila diinduksi dengan energi listrik dari luar (Johari, 2008). Sel elektrolisis adalah sel elektrokimia yang menimbulkan terjadinya reaksi redoks yang tidak spontan dengan adanya energi listrik dari luar. Sel elektrolisis memanfaatkan energi listrik untuk menjalankan reaksi non spontan (ΔG>0) lingkungan melakukan kerja terhadap sistem. Contohnya adalah elektrolisis lelehan NaCl dengan electrode platina. Contoh lainya 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. 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: ....................... (2.6) 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). Sel elektrolisis adalah arus listrik yang menimbulkan reaksi redoks. Pada sel elektrolisis, katoda akan tereduksi dan anoda yang akan teroksidasi. Pada katoda, 1. Kation (K+) 2. Air (H2O) (bisa ada atau tidak ada tergantung dari apa yang disebutkan, cairan atau lelehan). Pada anoda, yaitu : 1. Anion (A-). 13



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 2. Air (H2O) (bisa ada atau tidak ada tergantung dari apa yang disebutkan, cairan atau lelehan).



2.6



Persamaan Nernts Walther Hermann Nernst adalah kimiawan Jerman yang menerapkan asas –



asas termodinamika ke sel listrik. Dia menciptakan sebuah persamaan yang dikenal sebagai persamaan Nernst, yang menghubungkan voltase sel ke propertinya. Lepas dari Joseph Thomson, ia menjelaskan mengapa senyawa terionisasi dengan mudah dalam air. Penjelasan ini disebut aturan NernstThomson yang menyatakan bahwa sulit halnya bagi ion yang ditangkap untu menarik satu sama lain melalui insulasi molekul air, sehingga terdisosiasi. Persamaan Nernst adalah persamaan yang melibatkan potensial sel dengan konsentrasi suatu reaksi. Reaksi oksidasi reduksi banyak yang dapat dilangsungkan pada kondisi tertentu untuk membangkitkan listrik. Dasarnya bahwa reaksi oksidasi reduksi itu harus berlangsung spontan di dalam larutan air jika bahan pengoksidasi dan pereduksi tidak sama. Dalam sel Galvani oksidasi diartikan sebagai dilepaskannya elektron oleh atom, molekul atau ion dan reduksi berarti diperolehnya elektron oleh partikel-partikel itu. Sebagai contoh reaksi oksidasi sederhana dan berlangsung spontan adalah bila lembar tipis zink dibenamkan dalam suatu larutan tembaga sulfat maka terjadi logam tembaga menyepuh pada lembaran zink dan lembaran zink lambat laun melarut dan dibebaskan energi panas. Sel yang belum mencapai kesetimbangan kimia dapat melakukan kerja listrik ketika reaksi di dalamnya mengerakkan elektron-elektron melalui sirkuit luar. Kerja yang dapat dipenuhi oleh transfer elektron tertentu bergantung pada beda potensial antara kedua elektron. Perbedaan potensial ini disebut potensial sel dan diukur dalam volt (V). Jika potensial sel besar maka sejumlah elektron tertentu yang berjalan antara kedua elekroda dapat melakukan kerja listrik yang besar. Sebaliknya, jika potensial sel kecil maka elektron dalam jumlah yang sama hanya dapat melakukan sedikit kerja. Sel yang reaksinya ada dalam kesetimbangan tidak dapat melakukan kerja dan sel demikian memiliki potensial sel sebesar nol. Pada sel konsentrasi



14



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 digunakan dua elektrode yang sama namun konsentrasi larutannya yang berbeda. Elektrode dalam larutan pekat merupakan katode (tempat terjadinya reaksi reduksi) sedangkan elektrode dalam larutan encer merupakan anode (tempat terjadinya reaksi oksidasi). Pada persamaan Nernst, K bukanlah suatu tetapan kesetimbangan karena larutan-larutan yang diperikan adalah pada konsentrasi-konsentrasi awal dan bukan konsentrasi kesetimbangan. Bila suatu sel volta telah mati atau terdiscas habis, barulah sistem itu berada dalam kesetimbangan. Pada kondisi ini Esel = 0 dan faktor K dalam persamaan Nernst setara dengan tetapan kesetimbangan. Jadi persamaan nernst merupakan persamaan yang menyatakan hubungan antara potensial dari sebuah elektron ion-ion metal dan konsentrasi dari ion dalam sebuah larutan. Eoreduksi merupakan potensial reduksi zat yang mengalami reduksi sedangkan Eooksidasi merupakan potensial reduksi zat yang mengalami oksidasi. Kegunaan potensial reduksi standar adalah: Meramalkan kemampuan oksidasi dan reduksi dari zat. Semakin positif nilai E0, semakin bertambah daya oksidasi zat, atau zat merupakan oksidator yang baik. Sebaliknya, semakin negatif nilai E0, semakin bertambah daya reduksi zat, atau zat merupakan reduktor yang baik. Salah satu faktor yang mempengaruhi Esel adalah konsentrasi. Persamaan yang menghubungkan konsentrasi dengan Esel dinamakan persamaan Nernst. Bentuk persamaan Nernst untuk reaksi aA + bB → cC + dD , adalah sebagai berikut:



............................ (2.7) Keterangan : F = konstanta Faraday n = jumlah elektron yang dipertukarkan dalam reaksi redoks Untuk perhitungan yang tidak memerlukan ketelitian yang tinggi, aktivitas dapat diganti dengan konsentrasi sebagai berikut : ..........(2.8)



15



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 BAB III METODOLOGI PERCOBAAN 3.1 Alat-alat yang digunakan 1.



Kertas Saring



2.



Kabel



3.



Kertas amplas



4.



Ampermeter



5.



Hot plate



6.



Labu ukur 100 ml



7.



Gelas ukur 100 ml



8.



Gelas piala 500 ml, 100 ml



9.



Penjepit



10. Lembaran seng dan tembaga 11. Termometer 12. Sumber arus DC 13. Stopwatch 14. Pipet ukur 15. Batang pengaduk 16. Spatula 17. Kaca arloji 18. Neraca analitik



3.2 Bahan-bahan yang digunakan 1.



NaCl



2.



NaOH



3.



Akuades



4.



CuSO4.5H2O



5.



ZnSO4.7H2O



6.



NH4NO3



7.



KNO3



16



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 3.3 Prosedur Percobaan 3.3.1 Elektrolisis untuk Menentukan Bilangan Avogadro 1. Dua buah lempeng tembaga yang akan digunakan sebagai elektroda disiapkan, bersihkan dengan amplas. 2. Disiapkan larutan (terdiri dari 100 gram NaCl dan 10 gram NaOH dalam 1000 ml air) pemakaian 100ml. 3. Salah satu elektroda digunakan sebagai anoda. Elektroda ditimbang pada neraca analitik. 4. Kedua elektroda tembaga dicelupkan kedalam 80 ml larutan (2) dalam gelas piala, dan rangkaian alat disusun.



Gambar 3.1 5. Larutan dipanaskan dalam gelas piala sampai suhu mencapai 80oC dan suhu juga dijaga supaya konstan. 6. Pada saat suhu sudah konstan 80oC, aliran listrik dihubungkan dan dialirkan melalui larutan(2). Pada waktu yang sama waktu dicatat dengan stopwatch. Arus listrik harus dijaga konstan selama percobaan. (Lihat pada power suply) 7. Setelah 10 menit, aliran listrik dimatikan, anoda dibersihkan dengan air kemudian dikeringkan dengan tissu. 8. Anoda ditimbang sekali lagi.



3.3.2 Mengukur GGL Sel dan Menguji Persamaan Nernst 1.



Potongan tembaga dan seng disiapkan. Permukaan logam dibersihkan dengan kertas amplas.



17



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 2.



Larutan jenuh NH4NO3 atau KNO3 (± 10-20 ml) disiapkan. Buat jembatan garam



dengan



selembar



kertas



saring



digulung dan



direkatkan



menggunakan selotip dibagian tengahnya untuk mencegah gulungan terbuka. 3.



Disiapkan dua gelas piala 100 ml,yang satu diisi dengan CuSO4 1,0 M (± 60 ml) dan yang lainnya dengan ZnSO4 1,0 M. Elektroda-elektroda logam dicelupkan dan dihubungkan dengan kabel.



Gambar 3.2 4.



Kertas saring yang telah dibentuk jadi gulungan tadi dicelupkan kedalam larutan jenuh NH4NO3, kelebihan amonium nitrat dihilangkan dengan menggunakan kertas saring lain, kemudian ditempatkan sedemikian rupa sehingga kedua ujung gulungan tercelup kedalam larutan yang berada pada kedua gelas piala.



5.



Diamati nilai GGL dengan menggunakan Multi tester yang distel pada posisi mV. Catat



6.



Disiapkan 100 ml larutan CuSO4 0,1 M dengan jalan pengenceran larutan CuSO4 1,0 M



7.



Larutan CuSO4 1,0 M diganti dengan CuSO4 0,1 M, larutan ZnSO4 jangan diganti.



8.



Cuci dan bersihkan kembali kedua elektroda dengan kertas amplas. Ganti jembatan garam dengan yang baru dan kemudian ukur dan catat nilai GGL dengan menggunakan



9.



Ulangi langkah (7), tapi menggunakan larutan CuSO4 yang lebih encer



10. Catat hasil percobaan. 18



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil 4.1.1 Elektrolisis untuk menentukan bilangan Avogadro Tabel 4.1 Hasil percobaan elektrolisis untuk menentukan bilangan Avogadro Jenis



Berat Awal (gr)



Berat Akhir (gr)



Perubahan Berat (gr)



Waktu (s)



Anoda



3,26



3,22



0,04



600



Katoda



3,76



3,7



0,06



600



4.1.2 Mengukur GGL sel dan menguji persamaan Nernst Table 4.2 Hasil percobaan mengukur GGL sel dan menguji persamaan Nernst Larutan bagian anoda



Larutan bagian katoda



Zn / Zn+2



Cu / Cu+2



1 (29˚C)



1 (29˚C)



113,6 x 10-3



1 (29˚C)



0,1 (29˚C)



59,2 x 10-3



1 (29˚C)



0,01 (29˚C)



36,6 x 10-3



1 (29˚C)



0,001 (29˚C)



34,2 x 10-3



4.2.



Pembahasan



4.2.1



Elektrolisis untuk menentukan bilangan Avogadro



E sel (Volt)



Pada tahap ini terjadi proses elektrolisis pada lempengan Zn dan Cu dengan larutan NaCl. Pada tahapan ini, terdapat gelembung di sekitaran lempengan Zn dan Cu. Gelembung tersebut menunujukkan adanya aktivitas elektrik di dalam larutan. Hal ini terjadi karena terjadinya aliran electron dari katoda Cu/Cu+2 menuju kelarutan sehingga ion positif mengalami reduksi pada katoda Cu/Cu+2 tersebut sedangkan ion negatif dari larutan akan ditarik keanoda Zn/Zn+2 sekaligus mengalami oksidasi pada anoda Zn/Zn+2tersebut. Untuk reaksi ini dapat dirumuskan sebagai berikut : NaCl(aq) Na+(aq) + Cl-(aq) Katoda (Cu)



: 2H2O(l) + 2e- 2OH- (aq) + H2(g)



Anoda (Cu)



: Cu(s) Cu+2(aq) + 2e-



2NaCl + 2H2O(l) + Cu(s)2Na+(aq) + 2Cl-(aq) + 2OH- (aq) + Cu+2+ H2(g) 19



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 Pada larutan NaCl, kation Na+ berasal dari golongan utama sehingga yang direduksi adalah H2O, sedangkan yang dioksidasi adalah elektroda Cu. Jadi dapat disimpulkan bahwa gelembung-gelembung yang terbentuk disekitar elektroda merupakan gas H2 hasil dari reduksi air pada katoda dan yang menjadikan larutan yang berwarna hijau di awal, yang kemudian merah merupakan logam Cu yang teroksidasi. 4.1.2



Mengukur GGL Sel dan Menguji Persamaan Nernst Percobaan ini menggunakan larutan



ZnSO4 1 M dan larutan CuSO4



dengan konsentrasi 1M; 0.1M; 0.01 M dan 0.001 M. Konsentrasi larutan CuSO4 dibuat semakin kecil yang tujuannya untuk mengetahui pengaruh konsentrasi Cu terhadap nilai Eosel. Untuk menemukan hubungannya, digunakan rumus Nernst. Persamaan Nernst untuk reaksi setengah-sel elektrokimia adalah :



Pada persamaan tersebut αoks berbanding lurus dengan E (volt). Pada kasus ini, yang mengalami oksidasi adalah Cu. Perubahan aktivitas elektron pada Cu (αoks) berbanding lurus dengan molaritas (konsentrasi). Jadi, nilai konsentrasi juga mempengaruhi nilai E. Semaikn besar nilai dari konsentrasi senyawa yang mengalami oksidasi, semakin besar juga nilai E-nya, dan berlaku sebaliknya. Dengan begitu, apabila konsentrasi Cu diperkecil, maka nilai E juga mengecil.



20



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 BAB V PENUTUP



5.1 Kesimpulan Adapun kesimpulan yang di dapat adalah sebagai berikut : 1. Pada sel elektrolisis salah satu elektroda (anoda) mengalami penambahan massa sedangkan elektroda lain mengalami penurunan massa 2. Pada sel elektrolisis larutan berubah dari bening menjadi merah kecoklatan setelah dialiri listrik. Hal ini membuktikan bahwa sel elektrolisis merupakan sel yang memerlukan energi listrik agar reaksi kimia dapat berlangsung 3. Pada percobaan GGL (gaya gerak listrik), semakin kecil konsentrasi CuSO4.5H2O maka GGL yang diperoleh semakin kecil, begitupun sebaliknya. 4. Fungsi dari jembatan garam adalah untuk menetralkan kelebihan anion dan kation pada larutan dan untuk menutup rangkaian sehingga reaksi dapat berlangsung terus-menerus. 5. Hubungan antara energi bebas Gibbs dan potensial sel arus nol ( E ) dapat diturunkan dengan memperhatikan perubahan G pada saat reaksi sel bertambah dengan kuantitas yang sangat kecil.



5.2



Saran Adapun saran yang dapat kami ajukan adalah sebelum praktikum hendaknya



praktikan memahami langkah-langkah percobaan dengan baik, praktikan harus mempersiapkan alat dan bahan dan pastikan alat dalam kondisi baik.



21



Praktikum Kimia Fisika/03/S.Ganjil/2019-2020 DAFTAR PUSTAKA



Atkins, P.W. 1999. Kimia Fisik Jilid I. Terjemahan Irma I. Kartohadiprojo. Jakarta: Erlangga. Brown, T.L. dkk . 2015. Chemistry: The Central Science (13th edition). New Jersey: Pearson Education, Inc. Chang, Raymond, Goldsby dan Kenneth A. 2016. Chemistry (12th edition). New York: McGraw-Hill Education Harahap, M.R. 2016. Sel Elektrokimia: Karakteristik dan Aplikasi. Jurnal. Program Studi Kimia, Fakultas Sains dan Teknologi UIN Ar-Raniry Banda Aceh Kopelma Darussalam, Banda Aceh. Harvey, David. 2000. Modern Analytical Chemistry. New York: McGraw-Hill Comp. Jeffery. G.H, 1978. Vogel's Textbook of Quantitative Chemical Analysis. United States: longman. Johari, J.M.C. dan Rachmawati, M. 2008. Kimia SMA dan MA untuk Kelas XII Jilid 3. Jakarta: Esis Masterton W.L. 2009. Chemistry Princpiles and Reactions. California : Brooks/ Cole Cengange Learning McMurry, John E., Fay, Robert C., dan Robinson, Jill K. 2016. Chemistry (7th edition). New Jersey: Pearson Education, Inc. Petrucci, Ralph H. dkk. 2017. General Chemistry: Principles and Modern Applications (11th edition). Toronto: Pearson Canada Inc. Purba, Michael. 2007. Kimia 3A untuk SMA Kelas XII. Jakarta: Erlangga. Rosenberg, J.R. 1980. Seri Buku Scaum Dasar. Jakarta: Erlangga Silberberg, Martin S. dan Amateis, Patricia. 2015. Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change (7th edition). New York: McGraw-Hill Education Skoog, West, Holler dan Crouch. 2004. Fundamentals of analytical chemistry 8 ed 2004. California : Brooks/ Cole Cengange Learning Sukardjo. 1997. Kimia Fisika. Jakarta : PT. Rineka Cipta.



22