SEL ELEKTROLISIS
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. Proses ini akan mengurai air menjadi
unsur-unsur pembentuknya. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :
2 H2O(l) ——> 2 H2(g) + O2(g)
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), Platina (Pt), dan Emas
(Au). Elektroda berperan sebagai tempat berlangsungnya reaksi. Reaksi reduksi
berlangsung di katoda, sedangkan reaksi oksidasi
berlangsung di anoda. Kutub negatif
sumber arus mengarah pada katoda (sebab memerlukan elektron) dan kutub
positif sumber arus tentunya mengarah pada anoda. Akibatnya, katoda
bermuatan negatif dan menarik kation-kation
yang akan tereduksi menjadi endapan logam. Sebaliknya, anoda
bermuatan positif dan menarik anion-anion yang
akan teroksidasi menjadi gas. Terlihat jelas bahwa
tujuan elektrolisis adalah untuk mendapatkan endapan logam di katoda dan
gas di anoda.
Ada dua tipe elektrolisis, yaitu elektrolisis
lelehan (leburan) dan elektrolisis larutan.
Pada proses elektrolisis lelehan, kation pasti
tereduksi di katoda dan anion pasti teroksidasi di anoda. Sebagai
contoh, berikut ini adalah reaksi elektrolisis lelehan garam NaCl (yang
dikenal dengan istilah sel Downs) :
Katoda (-) : 2 Na+(l)
+ 2 e- ——> 2 Na(s) ……………….. (1)
Anoda (+) : 2 Cl-(l)
Cl2(g) + 2 e- ……………….. (2)
Reaksi sel : 2 Na+(l)
+ 2 Cl-(l) ——> 2 Na(s) +
Cl2(g) ……………….. [(1) + (2)]
Reaksi elektrolisis lelehan
garam NaCl menghasilkan endapan logam natrium di katoda dan
gelembung gas Cl2 di anoda. Bagaimana halnya jika lelehan
garam NaCl diganti dengan larutan garam NaCl?
Apakah proses yang terjadi masih sama? Untuk mempelajari reaksi elektrolisis
larutan garam NaCl, kita mengingat kembali Deret Volta
(lihat Elektrokimia I : Penyetaraan Reaksi Redoks dan Sel
Volta).
Pada katoda, terjadi
persaingan antara air dengan ion Na+. Berdasarkan Tabel
Potensial Standar Reduksi, air memiliki E°red yang
lebih besar dibandingkan ion Na+. Ini berarti, air lebih
mudah tereduksi dibandingkan ion Na+. Oleh
sebab itu, spesi yang bereaksi di katoda adalah air.
Sementara, berdasarkan Tabel Potensial Standar Reduksi,
nilai E°red ion Cl- dan air
hampir sama. Oleh karena oksidasi air memerlukan potensial tambahan (overvoltage),
maka oksidasi ion Cl- lebih mudah dibandingkan
oksidasi air. Oleh sebab itu, spesi yang bereaksi di anoda
adalah ion Cl-. Dengan demikian, reaksi yang
terjadi pada elektrolisis larutan garam NaCl adalah
sebagai berikut :
Katoda (-) : 2 H2O(l)
+ 2 e- ——> H2(g) + 2 OH-(aq)
……………….. (1)
Anoda (+) : 2 Cl-(aq)
——> Cl2(g) + 2 e- ……………….. (2)
Reaksi sel : 2 H2O(l)
+ 2 Cl-(aq) ——> H2(g) +
Cl2(g) + 2 OH-(aq) ……………………. [(1) +
(2)]
Reaksi elektrolisis larutan
garam NaCl menghasilkan gelembung gas H2 dan ion OH‑
(basa) di katoda serta gelembung gas Cl2 di anoda.
Terbentuknya ion OH- pada katoda dapat dibuktikan dengan
perubahan warna larutan dari bening menjadi merah muda setelah diberi
sejumlah indikator fenolftalein (pp). Dengan demikian, terlihat bahwa
produk elektrolisis lelehan umumnya berbeda dengan produk elektrolisis
larutan.
Selanjutnya kita mencoba mempelajari
elektrolisis larutan Na2SO4. Pada katoda,
terjadi persaingan antara air dan ion Na+. Berdasarakan
nilai E°red, maka air yang akan tereduksi
di katoda. Di lain sisi, terjadi persaingan
antara ion SO42- dengan air di anoda.
Oleh karena bilangan oksidasi S pada SO4-2
telah mencapai keadaan maksimumnya, yaitu +6, maka spesi SO42-
tidak dapat mengalami oksidasi. Akibatnya, spesi air yang akan teroksidasi
di anoda. Reaksi yang terjadi adalah sebagai
berikut :
Katoda (-) : 4 H2O(l)
+ 4 e- ——> 2 H2(g) + 4 OH-(aq)
……………….. (1)
Anoda (+) : 2 H2O(l)
——> O2(g) + 4 H+(aq) + 4
e- ……………….. (2)
Reaksi sel : 6 H2O(l) ——>
2 H2(g) + O2(g) + 4 H+(aq) +
4 OH-(aq) …………………….. [(1) + (2)]
6 H2O(l) ——>
2 H2(g) + O2(g) + 4 H2O(l) ………………….
[(1) + (2)]
2 H2O(l) ——> 2
H2(g) + O2(g) …………………….. [(1) + (2)]
Dengan demikian, baik ion Na+ maupun
SO42-, tidak bereaksi. Yang terjadi justru adalah
peristiwa elektrolisis air menjadi unsur-unsur pembentuknya. Hal yang
serupa juga ditemukan pada proses elektrolisis larutan Mg(NO3)2
dan K2SO4.
Bagaimana halnya jika elektrolisis
lelehan maupun larutan menggunakan elektroda yang tidak inert, seperti
Ni, Fe, dan Zn? Ternyata, elektroda yang tidak inert hanya dapat
bereaksi di anoda, sehingga produk yang dihasilkan di anoda
adalah ion elektroda yang larut (sebab logam yang tidak
inert mudah teroksidasi). Sementara, jenis elektroda tidak
mempengaruhi produk yang dihasilkan di katoda. Sebagai
contoh, berikut adalah proses elektrolisis larutan garam NaCl dengan
menggunakan elektroda Cu :
Katoda (-) : 2 H2O(l)
+ 2 e- ——> H2(g) + 2 OH-(aq)
…………………….. (1)
Anoda (+) : Cu(s)
——> Cu2+(aq) + 2 e- ……………………..
(2)
Reaksi sel : Cu(s)
+ 2 H2O(l) ——> Cu2+(aq) +
H2(g) + 2 OH-(aq) ……………………..
[(1) + (2)]
Dari pembahasan di atas, kita dapat
menarik beberapa kesimpulan yang berkaitan dengan reaksi elektrolisis :
- Baik elektrolisis lelehan maupun larutan, elektroda inert tidak akan
bereaksi; elektroda tidak inert hanya dapat bereaksi di anoda
- Pada elektrolisis lelehan, kation pasti bereaksi di katoda dan anion
pasti bereaksi di anoda
- Pada elektrolisis larutan, bila larutan mengandung ion alkali,
alkali tanah, ion aluminium, maupun ion mangan (II), maka air yang
mengalami reduksi di katoda
- Pada elektrolisis larutan, bila larutan mengandung ion sulfat,
nitrat, dan ion sisa asam oksi, maka air yang mengalami oksidasi di
anoda
Salah satu aplikasi sel elektrolisis
adalah pada proses yang disebut penyepuhan. Dalam
proses penyepuhan, logam yang lebih mahal dilapiskan
(diendapkan sebagai lapisan tipis) pada permukaan logam yang lebih murah
dengan cara elektrolisis. Baterai umumnya digunakan sebagai sumber
listrik selama proses penyepuhan berlangsung. Logam
yang ingin disepuh berfungsi sebagai katoda dan lempeng
perak (logam pelapis) yang merupakan logam penyepuh berfungsi sebagai anoda.
Larutan elektrolit yang digunakan harus mengandung spesi ion logam yang
sama dengan logam penyepuh (dalam hal ini, ion perak). Pada proses
elektrolisis, lempeng perak di anoda akan teroksidasi dan larut menjadi
ion perak. Ion perak tersebut kemudian akan diendapkan sebagai lapisan
tipis pada permukaan katoda. Metode ini relatif mudah dan tanpa biaya
yang mahal, sehingga banyak digunakan pada industri perabot rumah tangga
dan peralatan dapur.
Setelah kita mempelajari aspek
kualitatif reaksi elektrolisis, kini kita akan melanjutkan dengan aspek
kuantitatif sel elektrolisis. Seperti yang telah disebutkan di awal,
tujuan utama elektrolisis adalah untuk mengendapkan logam dan
mengumpulkan gas dari larutan yang dielektrolisis. Kita dapat menentukan
kuantitas produk yang terbentuk melalui konsep mol dan stoikiometri.
Satuan yang sering ditemukan dalam aspek
kuantitatif sel elektrolisis adalah Faraday (F). Faraday didefinisikan
sebagai muatan (dalam Coulomb) mol elektron. Satu Faraday equivalen
dengan satu mol elektron. Demikian halnya, setengah Faraday equivalen
dengan setengah mol elektron. Sebagaimana yang telah kita ketahui,
setiap satu mol partikel mengandung 6,02 x 1023partikel.
Sementara setiap elektron mengemban muatan sebesar 1,6 x 10-19 C.
Dengan demikian :
1 Faraday = 1 mol elektron = 6,02 x
1023 partikel elektron x 1,6 x 10-19 C/partikel
elektron 1 Faraday = 96320 C (sering dibulatkan menjadi 96500 C untuk
mempermudah perhitungan)
Hubungan antara Faraday dan Coulomb
dapat dinyatakan dalam persamaan berikut :
Faraday = Coulomb / 96500
Coulomb = Faraday x 96500
Coulomb adalah satuan muatan listrik.
Coulomb dapat diperoleh melalui perkalian arus listrik (Ampere) dengan
waktu (detik). Persamaan yang menunjukkan hubungan Coulomb, Ampere, dan
detik adalah sebagai berikut :
Coulomb = Ampere x Detik
Q = I x t
Dengan demikian, hubungan antara
Faraday, Ampere, dan detik adalah sebagai berikut :
Faraday = (Ampere x Detik) / 96500
Faraday = (I x t) / 96500
Dengan mengetahui besarnya Faraday pada
reaksi elektrolisis, maka mol elektron yang dibutuhkan pada reaksi
elektrolisis dapat ditentukan. Selanjutnya, dengan memanfaatkan
koefisien reaksi pada masing-masing setengah reaksi di katoda
dan anoda, kuantitas produk elektrolisis dapat ditemukan.
Berikut ini adalah beberapa contoh soal
aspek kuantitatif sel elektrolisis :
1. Pada elektrolisis larutan AgNO3 dengan
elektroda inert dihasilkan gas oksigen sebanyak 5,6 L pada STP.
Berapakah jumlah listrik dalam Coulomb yang dialirkan pada proses
tersebut?
Penyelesaian :
Reaksi elektrolisis larutan AgNO3 dengan
elektroda inert adalah sebagai berikut :
Katoda (-) : Ag+ + e-
——> Ag
Anoda (+) : 2 H2O(l)
——> O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e-
Gas O2 terbentuk di anoda.
Mol gas O2 yang terbentuk sama dengan 5,6 L / 22,4 L = ¼ mol
O2
Berdasarkan persamaan reaksi di anoda,
untuk menghasilkan ¼ mol gas O2, maka jumlah mol elektron
yang terlibat adalah sebesar 4 x ¼ = 1 mol elektron.
1 mol elektron = 1 Faraday = 96500 C
Jadi, jumlah listrik yang terlibat
adalah sebesar 96500 C
2. Unsur Fluor dapat diperoleh dengan
cara elektrolisis lelehan NaF. Berapakah waktu yang diperlukan untuk
mendapatkan 15 L gas fluorin ( 1 mol gas mengandung 25 L gas) dengan
arus sebesar 10 Ampere?
Penyeleasian :
Reaksi elektrolisis lelehan NaF adalah
sebagai berikut :
K (-) : Na+(l) + e-
——> Na(s)
A (-) : 2 F-(l)
——> F2(g) + 2 e-
Gas F2 terbentuk di anoda.
Mol gas F2 yang terbentuk adalah sebesar 15 L / 25 L = 0,6
mol F2
Berdasarkan persamaan reaksi di anoda,
untuk menghasilkan 0,6 mol gas F2, akan melibatkan mol
elektron sebanyak 2 x 0,6 = 1,2 mol elektron
1,2 mol elektron = 1,2 Faraday
Waktu yang diperlukan dapat dihitung
melalui persamaan berikut :
Faraday = (Ampere x Detik) / 96500
1,2 = (10 x t) / 96500
t = 11850 detik = 3,22 jam
Jadi, diperlukan waktu selama 3,22 jam
untuk menghasilkan 15 L gas fluorin
3. Arus sebesar 0,452 A dilewatkan pada
sel elektrolisis yang mengandung lelehan CaCl2 selama 1,5
jam. Berapakah jumlah produk yang dihasilkan pada masing-masing
elektroda?
Penyelesaian :
Reaksi elektrolisis lelehan CaCl2
adalah sebagai berikut :
K (-) : Ca2+(l)
+ 2 e- ——> Ca(s)
A (+) : 2 Cl-(l)
——> Cl2(g) + 2 e-
Mol elektron yang terlibat dalam reaksi
ini dapat dihitung dengan persamaan berikut :
Faraday = (Ampere x Detik) / 96500
Faraday = (0,452 x 1,5 x 3600) /
96500 mol elektron
Berdasarkan persamaan reaksi di katoda,
mol Ca yang dihasilkan adalah setengah dari mol elektron yang terlibat.
Dengan demikian, massa Ca yang dihasilkan adalah :
Massa Ca = mol Ca x Ar Ca
Massa Ca = ½ x (0,452 x 1,5 x
3600) / 96500 x 40 = 0,506 gram Ca
Berdasarkan persamaan reaksi di anoda,
mol gas Cl2 yang dihasilkan adalah setengah dari
mol elektron yang terlibat. Dengan demikian, volume gas Cl2 (STP)
yang dihasilkan adalah :
Volume gas Cl2 = mol Cl2
x 22,4 L
Volume gas Cl2 = ½ x
(0,452 x 1,5 x 3600) / 96500 x 22.4 L = 0,283 L gas Cl2
Jadi, produk yang dihasilkan di katoda
adalah 0,506 gram endapan Ca dan produk yang dihasilkan di anoda adalah
0,283 L gas Cl2 (STP)
4. Dalam sebuah percobaan elektrolisis,
digunakan dua sel yang dirangkaikan secara seri. Masing-masing sel
menerima arus listrik yang sama. Sel pertama berisi larutan AgNO3,
sedangkan sel kedua berisi larutan XCl3. Jika setelah
elektrolisis selesai, diperoleh 1,44 gram logam Ag pada sel pertama dan
0,12 gram logam X pada sel kedua, tentukanlah massa molar (Ar) logam X
tersebut!
Penyelesaian :
Reaksi elektrolisis larutan AgNO3
:
K (-) : Ag+(aq) +
e- ——> Ag(s)
A (+) : 2 H2O(l)
——> O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e-
Logam Ag yang dihasilkan sebanyak 1,44
gram; dengan demikian, mol logam Ag yang dihasilkan sebesar 1,44 / 108
mol Ag
Berdasarkan persamaan reaksi di katoda,
mol elektron yang dibutuhkan untuk menghasilkan logam Ag sama dengan
mol logam Ag (koefisien reaksinya sama)
Sehingga, mol elektron yang digunakan
dalam proses elektrolisis ini adalah sebesar 1,44 / 108 mol elektron
Reaksi elektrolisis larutan XCl3 :
K (-) : X3+(aq) +
3 e- ——> X(s)
A (+) : 2 Cl-(l) ——>
Cl2(g) + 2 e-
Arus yang sama dialirkan pada sel kedua,
sehingga, mol elektron yang digunakan dalam proses elektrolisis ini
sama seperti sebelumya, yaitu sebesar 1,44 / 108 mol elektron
Berdasarkan persamaan reaksi di katoda,
mol logam X yang dihasilkan sama dengan 1 / 3 kali mol elektron, yaitu
sebesar 1 / 3 x 1,44 / 108 mol X
Massa logam X = 0,12 gram; dengan
demikian, massa molar (Ar) logam X adalah sebagai berikut:
mol = massa / Ar
Ar = massa / mol
Ar = 0,12 / (1 / 3 x 1,44 / 108)
= 27
Jadi, Ar dari logam X adalah 27
(SUMBER:http://esdikimia.wordpress.com/2011/09/28/sel-elektrolisis/)
0.000000
0.000000