Kimia Sekolah — Kelas 1 sampai 12 · Grades 1–12

35Oksidasi dan Reduksi

Sekeping seng dicelupkan ke dalam larutan tembaga sulfat yang biru. Dalam beberapa menit permukaannya menjadi gelap tertutup lapisan cokelat kemerahan yang seperti spons; sejam kemudian warna biru larutan itu telah memudar. Logam tembaga muncul di tempat yang tadinya tidak ada, dan seng telah masuk ke dalam larutan sebagai ion yang tidak terlihat. Tidak ada yang dipanaskan, tidak ada gas yang dilepaskan, tidak ada oksigen yang ikut serta — namun para ahli kimia menyebut peristiwa ini oksidasi. Kata itu dulu berarti “bergabung dengan oksigen”; kini artinya lebih umum dan lebih berguna: pelepasan elektron. Bab ini mengikuti jejak elektron-elektron itu.

Yang sudah kamu ketahui

Ion adalah atom atau sekelompok atom yang telah menerima atau melepaskan elektron (Bab 17). Logam seperti besi atau seng bereaksi dengan asam klorida menghasilkan hidrogen dan ion logam (Bab 19). Jumlah zat $n$ , dalam mol, dihitung dari massa $m$ dengan $n = m/M$ (Bab 25).

Sekeping seng dalam larutan tembaga sulfat: tembaga mengendap pada seng, dan ion-ion seng menggantikan tempatnya di dalam larutan.

35.1 Oksidator dan reduktor

Definisi 35.1 (Oksidator dan reduktor)

Sebuah oksidator adalah spesies yang mampu menerima satu elektron atau lebih. Sebuah reduktor adalah spesies yang mampu memberikan satu elektron atau lebih.

Definisi 35.2 (Oksidasi dan reduksi)

Yang disebut oksidasi adalah pelepasan elektron; yang disebut reduksi adalah penerimaan elektron. Reduktor dioksidasi; oksidator direduksi.

Catatan 35.3 (Cara mengingatnya)

Pada reduksi, muatan spesies itu berkurang: $\ce{Cu^{2+}}$ yang menerima dua elektron menjadi $\ce{Cu}$ , muatan $+2 \to 0$ . Pada oksidasi muatannya naik: $\ce{Zn -> Zn^{2+} + 2e-}$ , $0 \to +2$ .

Definisi 35.4 (Pasangan redoks dan setengah reaksi)

Sebuah oksidator dan reduktor yang terbentuk darinya dengan menerima elektron membentuk sebuah pasangan redoks, yang ditulis Oks/Red dengan oksidator di depan: $\ce{Cu^{2+}}$ / $\ce{Cu}$ , $\ce{Zn^{2+}}$ / $\ce{Zn}$ . Pertukaran elektron di dalam sebuah pasangan dinyatakan dengan setengah reaksi pasangan itu,

\text{Oks} + n\,\ce{e-} \ce{<=>} \text{Red},

yang setara dalam atom dan muatan, misalnya $\ce{Cu^{2+}(aq) + 2e- <=> Cu(s)}$ . Anak panah ganda menyatakan bahwa pertukaran itu dapat berlangsung ke kedua arah.

Contoh 35.5 (Logam dan ionnya)

Setiap logam membentuk pasangan dengan ionnya:

pasangan	setengah reaksi
$\ce{Ag+}$ / $\ce{Ag}$	$\ce{Ag+ + e- <=> Ag}$
$\ce{Cu^{2+}}$ / $\ce{Cu}$	$\ce{Cu^{2+} + 2e- <=> Cu}$
$\ce{Fe^{2+}}$ / $\ce{Fe}$	$\ce{Fe^{2+} + 2e- <=> Fe}$
$\ce{Zn^{2+}}$ / $\ce{Zn}$	$\ce{Zn^{2+} + 2e- <=> Zn}$
$\ce{Al^{3+}}$ / $\ce{Al}$	$\ce{Al^{3+} + 3e- <=> Al}$

Ion pun dapat membentuk pasangan: $\ce{Fe^{3+} + e- <=> Fe^{2+}}$ untuk pasangan $\ce{Fe^{3+}}$ / $\ce{Fe^{2+}}$ , dan $\ce{I2 + 2e- <=> 2I-}$ untuk $\ce{I2}$ / $\ce{I-}$ . Demikian pula hidrogen: $\ce{2H+ + 2e- <=> H2}$ untuk $\ce{H+}$ / $\ce{H2}$ .

Catatan 35.6 (Satu spesies, dua peran)

Sebuah spesies dapat menjadi reduktor dari satu pasangan dan oksidator dari pasangan lain. Ion $\ce{Fe^{2+}}$ adalah oksidator pada $\ce{Fe^{2+}}$ / $\ce{Fe}$ dan reduktor pada $\ce{Fe^{3+}}$ / $\ce{Fe^{2+}}$ . Peran mana yang dimainkannya bergantung pada pasangannya dalam reaksi.

35.2 Reaksi redoks

Definisi 35.7 (Reaksi redoks)

Sebuah reaksi redoks adalah perpindahan elektron dari reduktor satu pasangan ke oksidator pasangan lain. Reduktornya dioksidasi dan oksidatornya direduksi, pada saat yang sama.

Proposisi 35.8 (Tidak ada elektron bebas)

Elektron tidak ada dalam keadaan bebas di dalam larutan: setiap elektron yang diberikan reduktor diambil oleh oksidator. Karena itu persamaan reaksi redoks diperoleh dengan menjumlahkan kedua setengah reaksi, masing-masing dikalikan dengan bilangan yang membuat elektron yang diberikan sama dengan elektron yang diambil; elektron-elektronnya lalu saling meniadakan dan tidak muncul dalam persamaan.

Contoh 35.9 (Seng dan ion tembaga)

Pada adegan pembuka, seng dioksidasi dan ion-ion tembaga direduksi:

\begin{array}{ll} \ce{Zn(s) -> Zn^{2+}(aq) + 2e-} & \text{(oksidasi)}\\ \ce{Cu^{2+}(aq) + 2e- -> Cu(s)} & \text{(reduksi)}\\ \hline \ce{Zn(s) + Cu^{2+}(aq) -> Zn^{2+}(aq) + Cu(s)} & \end{array}

Dua elektron berpindah dari setiap atom seng ke satu ion tembaga. Warna biru larutan itu adalah warna ion-ion $\ce{Cu^{2+}}$ ; warna itu memudar seiring ion-ion itu terpakai, sementara ion-ion $\ce{Zn^{2+}}$ yang tak berwarna menggantikan tempatnya.

Di permukaan seng. Sebuah atom seng melepaskan dua elektron dan pergi sebagai ion Zn2+; kedua elektron itu bergerak melalui logam ke sebuah ion Cu2+ yang menyentuh permukaan, yang lalu menjadi atom tembaga dan tetap berada di keping itu. — Di permukaan seng. Sebuah atom seng melepaskan dua elektron dan pergi sebagai ion $\ce{Zn^{2+}}$ ; kedua elektron itu bergerak melalui logam ke sebuah ion $\ce{Cu^{2+}}$ yang menyentuh permukaan, yang lalu menjadi atom tembaga dan tetap berada di keping itu.

Yang dapat dilihat: endapan tembaga pada bagian keping yang tercelup, dan memudarnya warna biru ion-ion Cu2+. — Yang dapat dilihat: endapan tembaga pada bagian keping yang tercelup, dan memudarnya warna biru ion-ion $\ce{Cu^{2+}}$ .

Contoh 35.10 (Logam dalam asam, ditinjau kembali)

Ketika besi larut dalam asam klorida, besi dioksidasi dan ion-ion $\ce{H+}$ direduksi menjadi hidrogen:

\ce{Fe(s) + 2H+(aq) -> Fe^{2+}(aq) + H2(g)}.

Pasangan-pasangannya adalah $\ce{Fe^{2+}}$ / $\ce{Fe}$ dan $\ce{H+}$ / $\ce{H2}$ ; ion-ion klorida tidak ikut bereaksi.

Di laboratorium — Pohon perak

Segulung kawat tembaga yang bersih digantungkan di dalam gelas kimia berisi larutan perak nitrat encer, $\ce{Ag+(aq) + NO3^-(aq)}$ . Dalam waktu satu jam, jarum-jarum perak yang mengilap dan bercabang-cabang tumbuh di sepanjang kawat, dan larutan yang tak berwarna berubah menjadi biru pucat: $\ce{Cu(s) + 2Ag+(aq) -> Cu^{2+}(aq) + 2Ag(s)}$ . Percobaan itu dilakukan oleh guru, dengan sarung tangan dan kacamata pelindung, dan larutannya dikumpulkan sesudahnya sebagai limbah berbahaya.

Keselamatan

Perak nitrat: oksidator yang dapat memperbesar api (GHS03); korosif bagi kulit dan mata, dan menodai kulit menjadi hitam (GHS05); berbahaya bagi kesehatan (GHS08); sangat beracun bagi kehidupan akuatik, sehingga tidak pernah dibuang ke bak cuci (GHS09).

Kristal-kristal perak yang tumbuh pada kawat tembaga di dalam larutan perak nitrat.

35.3 Menyetarakan setengah reaksi

Banyak pasangan penting yang mengandung oksigen dan ditulis untuk larutan asam, tempat ion-ion $\ce{H+}$ berada. Setengah reaksinya memerlukan molekul air dan ion $\ce{H+}$ untuk disetarakan.

Metode 35.11 (Menyetarakan setengah reaksi dalam larutan asam)

Untuk menuliskan setengah reaksi pasangan Oks/Red dalam larutan asam:

tuliskan Oks di kiri dan Red di kanan, lalu setarakan atom yang bukan O dan bukan H;
setarakan atom oksigen dengan molekul air $\ce{H2O}$ ;
setarakan atom hidrogen dengan ion $\ce{H+}$ ;
setarakan muatan dengan elektron $\ce{e-}$ , di kiri;
periksalah: banyaknya setiap atom sama, dan muatan totalnya sama di kedua ruas.

Contoh 35.12 (Ion permanganat)

Untuk pasangan $\ce{MnO4^-}$ / $\ce{Mn^{2+}}$ (ungu tua menjadi hampir tak berwarna): mangan sudah setara; empat O di kiri memberikan $\ce{4H2O}$ di kanan; kedelapan H-nya memberikan $\ce{8H+}$ di kiri; muatan di kiri $-1 + 8 = +7$ , di kanan $+2$ , jadi lima elektron ditambahkan di kiri:

\ce{MnO4^-(aq) + 8H+(aq) + 5e- <=> Mn^{2+}(aq) + 4H2O(l)}.

Contoh 35.13 (Ion dikromat)

Untuk $\ce{Cr2O7^{2-}}$ / $\ce{Cr^{3+}}$ (jingga menjadi hijau): dua kromium di kanan; tujuh O memberikan $\ce{7H2O}$ ; empat belas H memberikan $\ce{14H+}$ ; muatan $-2 + 14 = +12$ di kiri dibandingkan $2 \times 3 = +6$ di kanan, jadi enam elektron:

\ce{Cr2O7^{2-}(aq) + 14H+(aq) + 6e- <=> 2Cr^{3+}(aq) + 7H2O(l)}.

Metode 35.14 (Menuliskan persamaan redoks)

Untuk menuliskan persamaan reaksi antara oksidator Oks $_1$ dari satu pasangan dan reduktor Red $_2$ dari pasangan lain:

tuliskan kedua setengah reaksi, yang pertama dengan arah reduksi (Oks $_1 \to$ Red $_1$ ), yang kedua dengan arah oksidasi (Red $_2 \to$ Oks $_2$ );
kalikan keduanya dengan bilangan terkecil yang membuat elektronnya sama;
jumlahkan keduanya; elektron-elektronnya saling meniadakan, begitu pula sebagian $\ce{H+}$ dan $\ce{H2O}$ yang muncul di kedua ruas;
periksalah atom dan muatannya sekali lagi.

Contoh 35.15 (Permanganat dan besi(II))

Ion permanganat mengoksidasi ion-ion $\ce{Fe^{2+}}$ menjadi $\ce{Fe^{3+}}$ :

\begin{array}{ll} \ce{MnO4^- + 8H+ + 5e- -> Mn^{2+} + 4H2O} & \times 1\\ \ce{Fe^{2+} -> Fe^{3+} + e-} & \times 5\\ \hline \ce{MnO4^- + 8H+ + 5Fe^{2+} -> Mn^{2+} + 5Fe^{3+} + 4H2O} & \end{array}

Muatan di kiri: $-1 + 8 + 10 = +17$ ; di kanan: $2 + 15 = +17$ . Reaksi ini dipakai pada bab berikutnya untuk mengukur jumlah besi(II).

35.4 Oksidator dan reduktor di sekitar kita

Proposisi 35.16 (Beberapa oksidator dan reduktor yang umum)

Spesies-spesies berikut dijumpai berulang kali di laboratorium dan dalam kehidupan sehari-hari:

spesies	peran	setengah reaksi pasangannya
oksigen $\ce{O2}$	oksidator	$\ce{O2 + 4H+ + 4e- <=> 2H2O}$
klorin $\ce{Cl2}$	oksidator	$\ce{Cl2 + 2e- <=> 2Cl-}$
hipoklorit $\ce{ClO-}$ (pemutih)	oksidator	$\ce{2ClO- + 4H+ + 2e- <=> Cl2 + 2H2O}$
hidrogen peroksida $\ce{H2O2}$	oksidator	$\ce{H2O2 + 2H+ + 2e- <=> 2H2O}$
permanganat $\ce{MnO4^-}$	oksidator	$\ce{MnO4^- + 8H+ + 5e- <=> Mn^{2+} + 4H2O}$
logam $\ce{M}$ ( $\ce{Fe}$ , $\ce{Zn}$ , $\ce{Al}$ …)	reduktor	$\ce{M^{n+} + $n$ e- <=> M}$
iodida $\ce{I-}$	reduktor	$\ce{I2 + 2e- <=> 2I-}$
tiosulfat $\ce{S2O3^{2-}}$	reduktor	$\ce{S4O6^{2-} + 2e- <=> 2S2O3^{2-}}$
asam askorbat $\ce{C6H8O6}$ (vitamin C)	reduktor	$\ce{C6H6O6 + 2H+ + 2e- <=> C6H8O6}$

Contoh 35.17 (Tembaga menjadi hijau)

Atap dan patung tembaga, yang dibiarkan di udara terbuka selama puluhan tahun, perlahan berubah menjadi hijau pucat. Oksigen dari udara mengoksidasi tembaga menjadi ion $\ce{Cu^{2+}}$ , yang bersama air dan karbon dioksida membentuk kerak hijau yang tipis, yaitu patina. Tidak seperti karat pada besi, patina melekat pada logam dan melindunginya dari serangan lebih lanjut.

Atap tembaga setelah puluhan tahun di udara: tembaga yang teroksidasi membentuk patina hijau.

Catatan 35.18 (Antioksidan)

“Antioksidan” yang ditambahkan pada makanan adalah reduktor yang dioksidasi oleh oksigen udara sebelum makanan itu teroksidasi. Vitamin C (asam askorbat) adalah yang paling umum: apel yang dipotong lalu diperciki air jeruk lemon jauh lebih lambat menjadi cokelat, karena vitamin C dalam jeruk lemon dioksidasi lebih dulu.

35.5 Latihan

Latihan 35.1 ★

Definisikan oksidator, reduktor, oksidasi, dan reduksi.

Solusi

Solusi Latihan 35.1.

Oksidator: spesies yang mampu menerima elektron. Reduktor: spesies yang mampu memberikan elektron. Oksidasi: pelepasan elektron. Reduksi: penerimaan elektron.

Latihan 35.2 ★

Untuk setiap pasangan, tuliskan pasangan redoksnya dalam bentuk Oks/Red: $\ce{Fe}$ dan $\ce{Fe^{2+}}$ ; $\ce{Ag}$ dan $\ce{Ag+}$ ; $\ce{I-}$ dan $\ce{I2}$ ; $\ce{Fe^{2+}}$ dan $\ce{Fe^{3+}}$ .

Solusi

Solusi Latihan 35.2.

$\ce{Fe^{2+}}$ / $\ce{Fe}$ ; $\ce{Ag+}$ / $\ce{Ag}$ ; $\ce{I2}$ / $\ce{I-}$ ; $\ce{Fe^{3+}}$ / $\ce{Fe^{2+}}$ .

Latihan 35.3 ★

Tuliskan setengah reaksi pasangan $\ce{Ag+}$ / $\ce{Ag}$ , $\ce{Al^{3+}}$ / $\ce{Al}$ , $\ce{Fe^{3+}}$ / $\ce{Fe^{2+}}$ , dan $\ce{Cl2}$ / $\ce{Cl-}$ .

Solusi

Solusi Latihan 35.3.

$\ce{Ag+ + e- <=> Ag}$ ; $\ce{Al^{3+} + 3e- <=> Al}$ ; $\ce{Fe^{3+} + e- <=> Fe^{2+}}$ ; $\ce{Cl2 + 2e- <=> 2Cl-}$ .

Latihan 35.4 ★

Apakah perubahan $\ce{Fe -> Fe^{2+} + 2e-}$ sebuah oksidasi atau reduksi? Apakah besi bertindak sebagai oksidator atau reduktor?

Solusi

Solusi Latihan 35.4.

Oksidasi (elektron dilepaskan); besi bertindak sebagai reduktor.

Latihan 35.5 ★

Pada reaksi $\ce{Zn + Cu^{2+} -> Zn^{2+} + Cu}$ , sebutkan spesies yang dioksidasi, spesies yang direduksi, oksidator, dan reduktornya, lalu berikan banyaknya elektron yang berpindah untuk setiap atom seng.

Solusi

Solusi Latihan 35.5.

Seng dioksidasi dan merupakan reduktor; $\ce{Cu^{2+}}$ direduksi dan merupakan oksidator. Dua elektron per atom seng.

Latihan 35.6 ★★

Setarakan, dalam larutan asam, setengah reaksi pasangan $\ce{H2O2}$ / $\ce{H2O}$ , dengan mengikuti Metode 35.11 langkah demi langkah.

Solusi

Solusi Latihan 35.6.

Mulai dari $\ce{H2O2 -> H2O}$ : oksigen: dua O di kiri, jadi $\ce{2H2O}$ di kanan; hidrogen: 2 di kiri, 4 di kanan, jadi $\ce{2H+}$ di kiri; muatan: $+2$ di kiri, 0 di kanan, jadi dua elektron di kiri: $\ce{H2O2 + 2H+ + 2e- <=> 2H2O}$ .

Latihan 35.7 ★★

Tuliskan persamaan reaksi antara iodin $\ce{I2}$ dan ion tiosulfat $\ce{S2O3^{2-}}$ , yang menghasilkan ion iodida dan ion tetrationat $\ce{S4O6^{2-}}$ .

Solusi

Solusi Latihan 35.7.

$\ce{I2 + 2e- -> 2I-}$ dan $\ce{2S2O3^{2-} -> S4O6^{2-} + 2e-}$ ; masing-masing dua elektron, jadi $\ce{I2 + 2S2O3^{2-} -> 2I- + S4O6^{2-}}$ .

Latihan 35.8 ★★

Tuliskan persamaan reaksi pohon perak dari kedua setengah reaksinya, dan jelaskan mengapa larutannya menjadi biru.

Solusi

Solusi Latihan 35.8.

$\ce{Cu -> Cu^{2+} + 2e-}$ dan $2\times$ ( $\ce{Ag+ + e- -> Ag}$ ): $\ce{Cu + 2Ag+ -> Cu^{2+} + 2Ag}$ . Ion-ion $\ce{Cu^{2+}}$ yang terbentuk berwarna biru.

Latihan 35.9 ★★

Vitamin C, $\ce{C6H8O6}$ , bereaksi dengan iodin $\ce{I2}$ . Tuliskan persamaan reaksinya, dan sebutkan spesies yang menjadi reduktor.

Solusi

Solusi Latihan 35.9.

$\ce{C6H8O6 -> C6H6O6 + 2H+ + 2e-}$ dan $\ce{I2 + 2e- -> 2I-}$ : $\ce{C6H8O6 + I2 -> C6H6O6 + 2I- + 2H+}$ . Vitamin C adalah reduktornya.

Latihan 35.10 ★★

Aluminium bereaksi dengan ion tembaga(II). Tuliskan persamaannya, dan jelaskan mengapa setengah-setengah reaksinya harus dikalikan dengan 2 dan dengan 3.

Solusi

Solusi Latihan 35.10.

$\ce{Al -> Al^{3+} + 3e-}$ memberikan 3 elektron, $\ce{Cu^{2+} + 2e- -> Cu}$ mengambil 2; bilangan persekutuan terkecilnya 6, jadi yang pertama dikalikan 2 dan yang kedua 3: $\ce{2Al + 3Cu^{2+} -> 2Al^{3+} + 3Cu}$ .

Latihan 35.11 ★★

Hidrogen peroksida mengoksidasi ion besi(II) menjadi ion besi(III) dalam larutan asam. Tuliskan persamaannya.

Solusi

Solusi Latihan 35.11.

$\ce{H2O2 + 2H+ + 2e- -> 2H2O}$ dan $2\times$ ( $\ce{Fe^{2+} -> Fe^{3+} + e-}$ ): $\ce{H2O2 + 2H+ + 2Fe^{2+} -> 2H2O + 2Fe^{3+}}$ .

Latihan 35.12 ★★★

Sekeping seng kehilangan $1.30\,\mathrm{g}$ di dalam larutan yang mengandung ion tembaga(II) berlebih. Berapa massa tembaga yang mengendap? Pakailah $M(\ce{Zn}) = 65.4\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ dan $M(\ce{Cu}) = 63.5\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

Solusi

Solusi Latihan 35.12.

$n(\ce{Zn}) = 1.30/65.4 = 1.99 \times 10^{-2}\,\mathrm{mol}$ . Satu atom tembaga mengendap untuk setiap atom seng yang dioksidasi, jadi $n(\ce{Cu}) = 1.99 \times 10^{-2}\,\mathrm{mol}$ dan $m(\ce{Cu}) = 1.99\times 10^{-2} \times 63.5 = 1.26\,\mathrm{g}$ .

Latihan 35.13 ★★★

Tuliskan persamaan oksidasi ion besi(II) oleh ion dikromat dalam larutan asam. Berapa jumlah $\ce{Fe^{2+}}$ yang dioksidasi oleh $0.010\,\mathrm{mol}$ ion dikromat?

Solusi

Solusi Latihan 35.13.

$\ce{Cr2O7^{2-} + 14H+ + 6e- -> 2Cr^{3+} + 7H2O}$ dan $6\times$ ( $\ce{Fe^{2+} -> Fe^{3+} + e-}$ ): $\ce{Cr2O7^{2-} + 14H+ + 6Fe^{2+} -> 2Cr^{3+} + 6Fe^{3+} + 7H2O}$ . Enam $\ce{Fe^{2+}}$ per ion dikromat: $6 \times 0.010 = 0.060\,\mathrm{mol}$ .

Latihan 35.14 ★★★

Pemutih mengandung ion hipoklorit $\ce{ClO-}$ dan ion klorida $\ce{Cl-}$ . Dengan pasangan $\ce{ClO-}$ / $\ce{Cl2}$ dan $\ce{Cl2}$ / $\ce{Cl-}$ , tuliskan persamaan reaksi yang terjadi ketika pemutih bertemu asam, dan jelaskan mengapa label pemutih maupun label produk pembersih kerak yang asam sama-sama memperingatkan agar keduanya tidak pernah dicampur.

Solusi

Solusi Latihan 35.14.

$\ce{2ClO- + 4H+ + 2e- -> Cl2 + 2H2O}$ dan $\ce{2Cl- -> Cl2 + 2e-}$ ; dijumlahkan lalu dibagi 2: $\ce{ClO- + Cl- + 2H+ -> Cl2 + H2O}$ . Asam menyediakan ion-ion $\ce{H+}$ , dan reaksi itu melepaskan klorin, gas yang beracun: itulah sebabnya ada peringatan agar kedua produk itu tidak pernah dicampur.

Latihan 35.15 ★★★

Pada gambar permukaan seng, elektron-elektron bergerak melalui logam, bukan melalui larutan. Dengan Proposisi 35.8, jelaskan mengapa tembaga mengendap pada keping seng itu sendiri dan bukan di tempat lain di dalam gelas kimia.

Solusi

Solusi Latihan 35.15.

Elektron tidak dapat bergerak bebas melalui larutan (Proposisi 35.8): elektron yang dilepaskan atom seng hanya dapat diambil oleh ion $\ce{Cu^{2+}}$ yang menyentuh logam itu. Karena itu atom tembaga terbentuk di permukaan keping itu, dan tetap di sana.

35.6 Soal: Tes Napas

Soal 35.1

Soal akhir pekan — kimia tabung tes alkohol napas: dua pasangan, perubahan warna jingga ke hijau, massa etanol yang dapat dideteksi sebuah tabung, dan sel bahan bakar yang menggantikannya

Tes alkohol napas yang pertama memakai tabung kaca berisi butiran silika yang dilapisi kalium dikromat berwarna jingga, $\ce{K2Cr2O7}$ , dalam suasana asam. Etanol, $\ce{CH3CH2OH}$ , dalam napas yang diembuskan melalui tabung itu mereduksi ion-ion dikromat menjadi ion $\ce{Cr^{3+}}$ yang hijau dan dioksidasi menjadi asam etanoat, $\ce{CH3COOH}$ ; panjang daerah hijau itu mengukur etanolnya. Anggaplah sebuah tabung mengandung $2.0\,\mathrm{mg}$ kalium dikromat. Pakailah $M(\ce{K}) = 39.1$ , $M(\ce{Cr}) = 52.0$ , $M(\ce{O}) = 16.0$ , $M(\ce{C}) = 12.0$ , $M(\ce{H}) = 1.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , $N_A = 6.02 \times 10^{23}\,\mathrm{mol}^{-1}$ , dan $e = 1.60 \times 10^{-19}\,\mathrm{C}$ .

Bagian I — Dua pasangan.

Sebutkan kedua pasangan redoks yang terlibat, oksidator di depan.
Apakah etanol dioksidasi atau direduksi? Apakah etanol oksidator atau reduktor?
Tuliskan setengah reaksi pasangan $\ce{Cr2O7^{2-}}$ / $\ce{Cr^{3+}}$ dalam larutan asam.
Tuliskan setengah reaksi pasangan $\ce{CH3COOH}$ / $\ce{CH3CH2OH}$ dalam larutan asam.
Simpulkan persamaan reaksi di dalam tabung.

Bagian II — Yang dapat diukur satu tabung.

Jelaskan perubahan warna butiran-butiran itu.
Hitung massa molar kalium dikromat.
Hitung jumlah ion dikromat di dalam tabung.
Berapa jumlah etanol yang diperlukan untuk membuat seluruh tabung menjadi hijau?
Simpulkan massa etanol terbesar yang dapat diukur satu tabung.

Bagian III — Dari napas ke darah. Seseorang mengembuskan $1.0\,\mathrm{L}$ napas melalui tabung itu; daerah hijaunya bertambah panjang sebanding dengan massa etanol yang mencapainya.

Napas itu mengandung $0.25\,\mathrm{mg}$ etanol per liter. Berapa bagian dikromat yang terpakai?
Tabung itu panjangnya $10\,\mathrm{cm}$ . Berapa panjang daerah hijaunya?
Alat analisis napas menganggap bahwa $2100\,\mathrm{L}$ napas membawa etanol sebanyak $1\,\mathrm{L}$ darah. Perkirakan massa etanol per liter darah, dalam gram.
Mengapa daerah hijau itu mulai dari lubang masuk tabung dan bertambah ke arah lubang keluar, alih-alih seluruh tabung menjadi sedikit hijau?
Mengapa sebuah tabung hanya dapat dipakai sekali?

Bagian IV — Sel bahan bakar. Kalium dikromat memuat piktogram . Alat-alat modern memakai sel bahan bakar sebagai gantinya, tempat etanol dalam napas dioksidasi oleh oksigen pada sebuah elektrode, dan elektron yang dilepaskan mengalir melalui kawat.

Berikan dua alasan, yang dibaca dari piktogram-piktogram itu, mengapa tabung dikromat ditinggalkan.
Tuliskan persamaan oksidasi etanol oleh oksigen, dengan memakai pasangan $\ce{O2}$ / $\ce{H2O}$ .
Berapa elektron yang dilepaskan satu molekul etanol ketika dioksidasi menjadi asam etanoat?
Untuk $0.25\,\mathrm{mg}$ etanol, hitung jumlah etanolnya, lalu banyaknya elektron yang dilepaskan.
Simpulkan muatan listrik yang mengalir melalui sel bahan bakar itu. Mengapa muatan ini merupakan ukuran yang baik untuk etanol dalam napas?

Solusi

Solusi Soal 35.1.

1. $\ce{Cr2O7^{2-}}$ / $\ce{Cr^{3+}}$ dan $\ce{CH3COOH}$ / $\ce{CH3CH2OH}$ .

2. Etanol dioksidasi: etanol adalah reduktornya.

3. $\ce{Cr2O7^{2-} + 14H+ + 6e- <=> 2Cr^{3+} + 7H2O}$ .

4. Karbon sudah setara (dua di setiap ruas). Oksigen: dua di kiri, satu di kanan, jadi $\ce{H2O}$ di kanan. Hidrogen: empat di kiri, $6 + 2 = 8$ di kanan, jadi $\ce{4H+}$ di kiri. Muatan: $+4$ di kiri, 0 di kanan, jadi empat elektron di kiri: $\ce{CH3COOH + 4H+ + 4e- <=> CH3CH2OH + H2O}$ .

5. Dua belas elektron: $2\times$ yang pertama, $3\times$ yang kedua dibalik: $\ce{2Cr2O7^{2-} + 3CH3CH2OH + 16H+ -> 4Cr^{3+} + 3CH3COOH + 11H2O}$ .

6. Ion-ion $\ce{Cr2O7^{2-}}$ yang jingga direduksi menjadi ion $\ce{Cr^{3+}}$ yang hijau di mana pun etanol mencapainya.

7. $M = 2\times 39.1 + 2\times 52.0 + 7\times 16.0 = 294.2\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

8. $n = 2.0\times 10^{-3}/294.2 = 6.8 \times 10^{-6}\,\mathrm{mol}$ .

9. Tiga molekul etanol per dua ion dikromat: $n = \tfrac{3}{2}\times 6.8\times 10^{-6} = 1.0 \times 10^{-5}\,\mathrm{mol}$ .

10. $M(\ce{C2H6O}) = 46.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , jadi $m = 1.02\times 10^{-5}\times 46.0 = 4.7 \times 10^{-4}\,\mathrm{g}$ , sekitar $0.47\,\mathrm{mg}$ .

11. $0.25/0.47 \approx 0.53$ : sekitar $53\,\%$ dikromatnya.

12. $0.53 \times 10 \approx 5.3\,\mathrm{cm}$ .

13. $0.25\,\mathrm{mg} \times 2100 = 525\,\mathrm{mg}$ per liter darah, sekitar $0.53\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ .

14. Napas itu lebih dulu bertemu butiran-butiran di lubang masuk; dikromat di sana berlebih dan menghabiskan seluruh etanol, sehingga reaksinya tuntas di bagian pertama tabung, yang menjadi hijau sepenuhnya, sebelum etanol mencapai bagian yang lebih jauh.

15. Reaksi itu tuntas: ion-ion $\ce{Cr^{3+}}$ yang hijau tidak kembali menjadi dikromat, sehingga tabung yang sudah terpakai tidak dapat mengukur lagi.

16. Zat itu sangat beracun (GHS06) dan sangat berbahaya bagi kesehatan (GHS08: pernyataan bahayanya mencakup “dapat menyebabkan kanker”), selain korosif dan beracun bagi kehidupan akuatik; alat yang dipakai masyarakat umum tidak boleh mengandungnya.

17. $\ce{O2 + 4H+ + 4e- -> 2H2O}$ dan $\ce{CH3CH2OH + H2O -> CH3COOH + 4H+ + 4e-}$ : $\ce{CH3CH2OH + O2 -> CH3COOH + H2O}$ .

18. Empat elektron.

19. $n = 0.25\times 10^{-3}/46.0 = 5.4 \times 10^{-6}\,\mathrm{mol}$ etanol; elektronnya $4n = 2.2 \times 10^{-5}\,\mathrm{mol}$ , yaitu $2.2\times 10^{-5}\times 6.02\times 10^{23} = 1.3 \times 10^{19}$ elektron.

20. $Q = 1.3\times 10^{19}\times 1.60\times 10^{-19} \approx 2.1\,\mathrm{C}$ . Setiap molekul etanol mengirimkan tepat empat elektron melalui kawat, sehingga muatannya sebanding dengan jumlah etanol: mengukur muatan itu berarti mengukur etanolnya.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium