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

47Sel Elektrokimia dan Elektrolisis

Sebuah ponsel menunjukkan 1 % pada suatu malam di musim dingin, lalu mati. Setelah diisi semalaman, ponsel itu penuh lagi pada pagi harinya. Di dalam baterainya, reaksi kimia yang sama berlangsung ke satu arah pada siang hari, sambil melepaskan energi listrik, dan dipaksa ke arah sebaliknya pada malam hari oleh pengisi daya. Sebuah reaksi redoks menjadi sumber listrik jika elektron-elektronnya dipaksa berjalan melalui kawat; dan listrik, yang didorong melalui larutan, dapat memaksakan reaksi redoks yang tidak akan pernah terjadi dengan sendirinya.

Yang sudah kamu ketahui

Oksidator menerima elektron, reduktor melepaskannya; setengah reaksi, pasangan redoks, dan reaksi redoks (Bab 35). Sebuah sistem berubah sampai $Q = K$ (Bab 43). Larutan ion menghantarkan listrik (Bab 17); mol dan tetapan Avogadro (Bab 25).

Mengisi daya ponsel: sebuah reaksi yang dipaksa berbalik arah semalaman.

47.1 Reaksi redoks yang dibelah dua

Jika sebilah seng dicelupkan ke dalam larutan tembaga sulfat, seng teroksidasi dan ion-ion tembaga tereduksi di permukaan bilah itu, $\ce{Zn + Cu^{2+} -> Zn^{2+} + Cu}$ : elektron-elektron berpindah langsung dari logam ke ion, dan energinya hilang sebagai sedikit panas. Pisahkanlah kedua bagian itu, lalu hubungkan dengan kawat: elektron kini harus berjalan melalui kawat, dan dapat menyalakan lampu di perjalanannya.

Definisi 47.1 (Sel elektrokimia, setengah sel, jembatan garam)

Sebuah sel elektrokimia menghasilkan energi listrik dari reaksi redoks yang oksidasi dan reduksinya berlangsung di dua ruang yang terpisah. Setiap ruang, yaitu sebuah elektrode logam yang dicelupkan ke dalam larutan ion-ionnya, disebut setengah sel. Sebuah jembatan garam, berupa tabung atau secarik kertas yang dibasahi larutan ion, menghubungkan kedua larutan dan menutup rangkaian sambil menjaga keduanya tetap terpisah.

Definisi 47.2 (Anode, katode)

Elektrode tempat terjadinya oksidasi disebut anode; elektrode tempat terjadinya reduksi disebut katode.

Sel Daniell. Elektron meninggalkan anode seng melalui kawat dan memasuki katode tembaga; di dalam jembatan garam, ion-ion bergerak untuk menjaga setiap larutan tetap netral.

Proposisi 47.3 (Ke mana elektron pergi)

Dalam sel yang mengalirkan arus, elektron meninggalkan sel melalui anode, tempat elektron dilepaskan oleh oksidasi, berjalan melalui rangkaian luar, dan masuk melalui katode, tempat elektron diterima oleh reduksi. Anode adalah kutub negatif, katode kutub positif. Di dalam sel, arus dibawa oleh ion: kation bergerak menuju katode, anion menuju anode.

Bukti. Oksidasi menghasilkan elektron di anode; reduksi menghabiskannya di katode; kawat adalah satu-satunya jalan di antara keduanya. Kalau tidak, setiap larutan akan menjadi bermuatan, dan hal itu dicegah oleh ion-ion jembatan garam. ∎

Metode 47.4 (Menguraikan sebuah sel)

Tuliskan reaksi redoks keseluruhan yang berlangsung spontan.
Pecahlah reaksi itu menjadi dua setengah reaksi: oksidasi (anode) dan reduksi (katode).
Tandai kutubnya: anode $-$ , katode $+$ ; arah elektron di dalam kawat (dari anode ke katode) dan arah arus (dari katode ke anode).
Uraikan gerakan ion-ion di dalam jembatan garam.

Sejarah — Tumpukan Volta, 1800

Pada tahun 1800 fisikawan Alessandro Volta menumpuk cakram-cakram dari dua logam yang berbeda, seng dan tembaga atau perak, yang dipisahkan oleh potongan kain yang dibasahi air garam, dan memperoleh arus listrik yang tetap: baterai pertama. Baterai itu memberi para fisikawan sumber listrik kontinu yang pertama, dan para ahli kimia sebuah alat baru: dalam beberapa tahun, elektrolisis telah memisahkan natrium dan kalium untuk pertama kalinya.

Tumpukan Volta di sebuah museum. Foto: GuidoB, CC BY-SA 3.0.

47.2 Tegangan sel

Definisi 47.5 (Tegangan sel)

Yang disebut tegangan sel adalah tegangan yang diukur di antara kutub-kutub sebuah sel yang tidak mengalirkan arus (rangkaian terbuka), dengan voltmeter; nilainya positif jika kutub positif voltmeter berada pada katode.

Contoh 47.6 (Sel Daniell)

Dengan kedua larutan pada $1\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ , sel Daniell memberikan $1.10\,\mathrm{V}$ . Cara meramalkan tegangan semacam itu dari tabel potensial elektrode diperlihatkan dalam buku Tahun Pertama universitas.

Catatan 47.7 (Mengapa sel menjadi habis)

Reaksi sel itu, $\ce{Zn + Cu^{2+} -> Zn^{2+} + Cu}$ , memiliki tetapan $K$ yang sangat besar. Selama sel bekerja, $Q = [\ce{Zn^{2+}}]/[\ce{Cu^{2+}}]$ bertambah, dan reaksinya terus berlangsung selama $Q < K$ . Jika sebuah pereaksi habis (seng, atau ion tembaga), arusnya berhenti: sel itu “habis”.

47.3 Muatan dan kapasitas

Definisi 47.8 (Tetapan Faraday, kapasitas)

Yang disebut tetapan Faraday $F$ adalah muatan listrik satu mol elektron, $F = N_A e = 96\,485\,\mathrm{C}/\mathrm{mol}$ . Yang disebut kapasitas sebuah sel adalah muatan listrik terbesar yang dapat dialirkannya, sering dinyatakan dalam ampere-jam: $1\,\mathrm{A}\,\mathrm{h} = 3600\,\mathrm{C}$ .

Proposisi 47.9 (Muatan dan jumlah elektron)

Arus $I$ yang mengalir selama waktu $\Delta t$ membawa muatan $Q = I\,\Delta t$ , yaitu jumlah elektron

n(e^-) = \frac{Q}{F} = \frac{I\,\Delta t}{F} .

Bukti. Setiap elektron membawa muatan elementer $e$ ; $n$ mol elektron membawa $n N_A e = n F$ . ∎

Contoh 47.10 (Kapasitas sel Daniell)

Elektrode seng mengandung $6.5\,\mathrm{g}$ seng yang dapat bereaksi, yaitu $6.5/65.4 = 0.099\,\mathrm{mol}$ . Setiap atom seng melepaskan dua elektron: $n(e^-) = 0.199\,\mathrm{mol}$ , jadi $Q = 0.199 \times 96485 = 1.9 \times 10^{4}\,\mathrm{C}$ , sekitar $1.9 \times 10^{4}\,/3600 = 5.3\,\mathrm{A}\,\mathrm{h}$ , jika ion-ion tembaga tidak habis lebih dahulu.

47.4 Elektrolisis

Definisi 47.11 (Elektrolisis, akumulator)

Yang disebut elektrolisis adalah reaksi redoks yang dipaksa oleh sebuah generator listrik, ke arah yang berlawanan dengan arah yang akan diambilnya dengan sendirinya. Yang disebut akumulator adalah sel yang dapat diisi ulang: selama pengisian, generator memaksa reaksinya berbalik arah, sebagai sebuah elektrolisis.

Di laboratorium — Elektrolisis air

Dua elektrode dicelupkan ke dalam air yang dibuat dapat menghantarkan listrik dengan sedikit natrium sulfat, masing-masing di bawah sebuah tabung reaksi terbalik yang penuh berisi larutan itu. Dengan generator beberapa volt, gelembung-gelembung naik dari kedua elektrode: di katode (yang terhubung ke kutub $-$ ) gas hidrogen, di anode gas oksigen, dengan gas yang pertama dua kali lebih banyak daripada yang kedua. Bilah kayu yang menyala menimbulkan letupan dalam gas pertama; bilah kayu berbara menyala kembali dalam gas kedua.

Elektrolisis air: gas hidrogen yang terkumpul di atas elektrode dua kali lebih banyak daripada gas oksigen.

Contoh 47.12 (Air yang dipecah)

Di katode: $\ce{2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-}$ ; di anode: $\ce{6H2O -> O2 + 4H3O+ + 4e-}$ . Untuk empat elektron, terbentuk dua molekul hidrogen dan satu molekul oksigen, sementara ion $\ce{H3O+}$ dan $\ce{OH-}$ yang terbentuk di kedua elektrode bergabung kembali menjadi air: secara keseluruhan $\ce{2H2O -> 2H2 + O2}$ , kebalikan dari pembakaran hidrogen, yang memerlukan energi agar dapat terjadi.

Metode 47.13 (Massa yang diendapkan elektrolisis)

Tuliskan setengah reaksi di elektrode tempat logam terbentuk, misalnya $\ce{Cu^{2+} + 2e- -> Cu}$ .
Hitung muatan $Q = I \Delta t$ dan $n(e^-) = Q/F$ .
Bagilah dengan jumlah elektron per atom: $n(\ce{Cu}) = n(e^-)/2$ ; lalu $m = n \times M$ .

Contoh 47.14 (Pemurnian tembaga)

Tembaga tak murni dari tanur peleburan dijadikan anode sebuah sel elektrolisis dalam larutan tembaga sulfat, dan selembar tipis tembaga murni dijadikan katodenya. Di anode, tembaga larut, $\ce{Cu -> Cu^{2+} + 2e-}$ ; di katode, tembaga murni diendapkan, $\ce{Cu^{2+} + 2e- -> Cu}$ ; pengotornya jatuh ke dasar atau tetap dalam larutan. Arus $100\,\mathrm{A}$ selama $24\,\mathrm{h}$ membawa $Q = 100 \times 86400 = 8.64 \times 10^{6}\,\mathrm{C}$ , yaitu $n(e^-) = 89.5\,\mathrm{mol}$ , yang mengendapkan $89.5/2 = 44.8\,\mathrm{mol}$ tembaga: $2.84\,\mathrm{kg}$ .

Pemurnian tembaga dengan elektrolisis: tembaga berpindah dari anode yang tak murni ke katode yang murni melalui larutan.

47.5 Baterai, akumulator, dan sel bahan bakar

Setiap baterai adalah sel, setiap baterai isi ulang adalah akumulator. Aki timbal–asam pada mobil bekerja dengan timbal, timbal oksida, dan asam sulfat; akumulator litium-ion pada ponsel memindahkan ion-ion litium di antara dua elektrode, yang satu dari grafit dan yang lain dari oksida logam, melalui elektrolit cair atau polimer, sementara elektron-elektronnya berputar melalui rangkaian luar. Sel bahan bakar adalah sel yang pereaksinya dimasukkan terus-menerus: sel bahan bakar hidrogen menjalankan reaksi $\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}$ , kebalikan dari elektrolisis air, dan menghasilkan listrik dan air. Gas hidrogen yang dibuat dengan elektrolisis memakai listrik dari angin atau matahari, lalu dipakai dalam sel bahan bakar, adalah salah satu cara menyimpan listrik itu.

Aula elektroliser: air dipecah menjadi gas hidrogen dan gas oksigen.

47.6 Latihan

Latihan 47.1 ★

Pada sel Daniell, elektrode mana yang menjadi anode? Katode? Tuliskan setengah reaksi pada masing-masing elektrode.

Solusi

Solusi Latihan 47.1.

Elektrode seng adalah anode, $\ce{Zn -> Zn^{2+} + 2e-}$ ; elektrode tembaga adalah katode, $\ce{Cu^{2+} + 2e- -> Cu}$ .

Latihan 47.2 ★

Arus $0.20\,\mathrm{A}$ mengalir selama $30\,\mathrm{min}$ . Hitung muatan yang dibawa dan jumlah elektronnya.

Solusi

Solusi Latihan 47.2.

$Q = 0.20 \times 1800 = 360\,\mathrm{C}$ ; $n(e^-) = 360/96485 = 3.7 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}$ .

Latihan 47.3 ★

Apa peran jembatan garam? Apa yang terjadi jika jembatan itu dilepas?

Solusi

Solusi Latihan 47.3.

Jembatan garam menutup rangkaian dan menjaga setiap larutan tetap netral secara listrik, dengan ion-ionnya bergerak ke dalam ruang-ruang itu. Tanpanya, rangkaiannya terbuka: tidak ada arus yang mengalir, voltmeter menunjukkan nol, dan lampu tetap padam.

Latihan 47.4 ★

Ubahlah kapasitas $2.5\,\mathrm{A}\,\mathrm{h}$ menjadi coulomb.

Solusi

Solusi Latihan 47.4.

$2.5 \times 3600 = 9000\,\mathrm{C}$ .

Latihan 47.5 ★

Dalam elektrolisis, apakah reaksinya spontan? Apa yang memasok energinya?

Solusi

Solusi Latihan 47.5.

Tidak: reaksinya berlangsung ke arah yang berlawanan dengan arah spontannya. Generator memasok energinya.

Latihan 47.6 ★★

Sebuah sel dibuat dari elektrode perak dalam perak nitrat dan elektrode tembaga dalam tembaga sulfat. Voltmeter menunjukkan bahwa elektron meninggalkan sel melalui tembaga. Tuliskan setengah reaksinya, sebutkan anode dan katodenya, dan berikan reaksi keseluruhannya.

Solusi

Solusi Latihan 47.6.

Anode (tembaga, $-$ ): $\ce{Cu -> Cu^{2+} + 2e-}$ . Katode (perak, $+$ ): $\ce{Ag+ + e- -> Ag}$ . Keseluruhan: $\ce{Cu + 2Ag+ -> Cu^{2+} + 2Ag}$ .

Latihan 47.7 ★★

Sebuah baterai jam tangan mengalirkan $10\,\text{µ}\mathrm{A}$ terus-menerus selama tiga tahun. Berapa kapasitasnya dalam $\mathrm{mA}\,\mathrm{h}$ ?

Solusi

Solusi Latihan 47.7.

Tiga tahun sama dengan $3 \times 365 \times 24 = 26\,280\,\mathrm{h}$ ; $0.010 \times 26280 = 263\,\mathrm{mA}\,\mathrm{h}$ .

Latihan 47.8 ★★

Sebuah sendok dilapisi perak dengan arus $0.50\,\mathrm{A}$ selama $40\,\mathrm{min}$ , $\ce{Ag+ + e- -> Ag}$ . Berapa massa perak yang diendapkan?

Solusi

Solusi Latihan 47.8.

$Q = 0.50 \times 2400 = 1200\,\mathrm{C}$ ; $n(e^-) = n(\ce{Ag}) = 1200/96485 = 0.0124\,\mathrm{mol}$ ; $m = 0.0124 \times 107.9 = 1.34\,\mathrm{g}$ .

Latihan 47.9 ★★

Pada gambar sel Daniell, tentukan arah arus di dalam kawat, dan arah gerak ion-ion $\ce{K+}$ dan $\ce{NO3-}$ di dalam jembatan garam.

Solusi

Solusi Latihan 47.9.

Arus di dalam kawat mengalir dari tembaga ( $+$ ) ke seng ( $-$ ), berlawanan dengan elektron. Ion $\ce{K+}$ bergerak menuju ruang tembaga, yang kehilangan $\ce{Cu^{2+}}$ ; ion $\ce{NO3-}$ menuju ruang seng, yang mendapat tambahan $\ce{Zn^{2+}}$ .

Latihan 47.10 ★★

Bandingkan sel dan elektrolisis: tanda anode, arah reaksi, dan perubahan bentuk energinya.

Solusi

Solusi Latihan 47.10.

Pada keduanya, anode adalah tempat terjadinya oksidasi. Pada sel, anode bertanda $-$ , reaksinya spontan, dan energi kimia berubah menjadi energi listrik; pada elektrolisis, anode dihubungkan ke kutub $+$ generator, reaksinya dipaksakan, dan energi listrik berubah menjadi energi kimia.

Latihan 47.11 ★★

Dalam elektrolisis air, $24\,\mathrm{mL}$ gas hidrogen terkumpul. Berapa volume gas oksigen yang terkumpul pada waktu yang sama? Mengapa?

Solusi

Solusi Latihan 47.11.

$12\,\mathrm{mL}$ : persamaan $\ce{2H2O -> 2H2 + O2}$ memberikan dua molekul hidrogen untuk satu molekul oksigen, dan jumlah gas yang sama menempati volume yang sama.

Latihan 47.12 ★★★

Sebuah sel Daniell mengandung $5.0\,\mathrm{g}$ seng dan $100\,\mathrm{mL}$ tembaga sulfat $0.50\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ . Pereaksi mana yang habis lebih dahulu? Berapa kapasitas sel itu? Berapa lama sel itu dapat mengalirkan $50\,\mathrm{mA}$ ?

Solusi

Solusi Latihan 47.12.

$n(\ce{Zn}) = 5.0/65.4 = 0.076\,\mathrm{mol}$ ; $n(\ce{Cu^{2+}}) = 0.100 \times 0.50 = 0.050\,\mathrm{mol}$ ; keduanya bereaksi satu banding satu, jadi ion-ion tembaga habis lebih dahulu. $n(e^-) = 2 \times 0.050 = 0.100\,\mathrm{mol}$ , $Q = 9.65 \times 10^{3}\,\mathrm{C} = 2.68\,\mathrm{A}\,\mathrm{h}$ . Pada $50\,\mathrm{mA}$ : $2.68/0.050 = 54\,\mathrm{h}$ .

Latihan 47.13 ★★★

Sebuah baterai $1.5\,\mathrm{V}$ mengalirkan $2.0\,\mathrm{A}\,\mathrm{h}$ . Hitung energi yang disimpannya ( $E = Q U$ ), dalam joule dan dalam watt-jam.

Solusi

Solusi Latihan 47.13.

$Q = 2.0 \times 3600 = 7200\,\mathrm{C}$ ; $E = 7200 \times 1.5 = 1.08 \times 10^{4}\,\mathrm{J}$ , yaitu $1.5 \times 2.0 = 3.0\,\mathrm{W}\,\mathrm{h}$ .

Latihan 47.14 ★★★

Air dielektrolisis dengan $2.0\,\mathrm{A}$ selama $1.0\,\mathrm{h}$ . Hitung jumlah, lalu volume pada $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ( $V_m = 24.1\,\mathrm{L}/\mathrm{mol}$ ), gas hidrogen dan gas oksigen yang dihasilkan.

Solusi

Solusi Latihan 47.14.

$Q = 7200\,\mathrm{C}$ , $n(e^-) = 0.0746\,\mathrm{mol}$ . Dua elektron per $\ce{H2}$ : $n(\ce{H2}) = 0.0373\,\mathrm{mol}$ , $V = 0.90\,\mathrm{L}$ . Empat per $\ce{O2}$ : $n(\ce{O2}) = 0.0187\,\mathrm{mol}$ , $V = 0.45\,\mathrm{L}$ .

Latihan 47.15 ★★★

Pada pemurnian tembaga, anode kehilangan $3.00\,\mathrm{kg}$ bahan sementara katode bertambah $2.84\,\mathrm{kg}$ tembaga. Berapa persentase tembaga dalam anode yang tak murni itu, dengan menganggap bahwa hanya tembaga yang teroksidasi di anode dan pengotornya hanya berjatuhan?

Solusi

Solusi Latihan 47.15.

Tembaga yang larut di anode sama dengan tembaga yang diendapkan, karena elektron yang sama melewati keduanya: $2.84/3.00 = 94.7\,\%$ tembaga.

47.7 Soal: Baterai Ponsel

Soal 47.1

Soal akhir pekan — berapa massa litium yang bolak-balik di antara elektrode-elektrode baterai ponsel $4000\,\mathrm{mA}\,\mathrm{h}$ ?

Sebuah baterai ponsel berlabel “ $3.7\,\mathrm{V}$ , $4000\,\mathrm{mA}\,\mathrm{h}$ ”. Dalam gambaran yang disederhanakan, selama pengosongan setiap atom litium yang tersimpan dalam elektrode grafit melepaskan satu elektron dan keluar sebagai ion litium, $\ce{Li -> Li+ + e-}$ ; ion itu menyeberangi elektrolit dan diterima oleh elektrode oksida logam, yang pada saat yang sama menerima sebuah elektron.

Bagian I — Selnya.

Selama pengosongan, apakah elektrode grafit merupakan anode atau katode? Mengapa?
Kutub mana yang negatif?
Ke arah mana elektron berjalan melalui ponsel? Dan ion-ion litium di dalam baterai?
Mengapa sel ini merupakan akumulator?

Bagian II — Muatannya.

Ubahlah $4000\,\mathrm{mA}\,\mathrm{h}$ menjadi ampere-jam, lalu menjadi coulomb.
Hitung jumlah elektron yang diwakili muatan ini.
Berapa banyak elektron itu?
Ponsel itu rata-rata menarik arus $0.25\,\mathrm{A}$ . Berapa lama baterai yang penuh dapat bertahan?
Layarnya menunjukkan 20 %. Berapa muatan, dalam coulomb, yang tersisa?

Bagian III — Energinya.

Hitung energi yang tersimpan, $E = Q U$ , dalam joule.
Ubahlah menjadi watt-jam.
Bandingkan dengan energi yang dilepaskan oleh pembakaran $1\,\mathrm{g}$ metana ( $55.7\,\mathrm{kJ}$ ).
Berapa kali pengisian penuh yang diberikan $1\,\mathrm{kW}\,\mathrm{h}$ listrik, jika tidak ada energi yang hilang?

Bagian IV — Pengisian ulang.

Selama pengisian, reaksi apa yang terjadi di elektrode grafit? Apakah reaksi itu oksidasi atau reduksi?
Mengapa pengisian ulang merupakan elektrolisis?
Pengisi dayanya mengalirkan $2.0\,\mathrm{A}$ . Paling cepat berapa lama pengisian ulang penuh berlangsung?
Berapa jumlah ion litium yang menyeberangi elektrolit selama satu pengisian penuh?
Hitung massanya.
Nyatakan jawaban akhirnya: berapa massa litium yang bolak-balik di antara elektrode-elektrode dalam satu pengisian penuh?

Solusi

Solusi Soal 47.1.

1. Anode: litium teroksidasi di sana.

2. Elektrode grafit, yaitu anode.

3. Elektron berjalan melalui ponsel dari elektrode grafit ke elektrode oksida; ion-ion litium menyeberangi elektrolit ke arah yang sama, dari grafit ke oksida.

4. Reaksinya dapat dipaksa berbalik arah oleh pengisi daya.

5. $4.000\,\mathrm{A}\,\mathrm{h}$ , yaitu $4.000 \times 3600 = 14\,400\,\mathrm{C}$ .

6. $14400/96485 = 0.1492\,\mathrm{mol}$ .

7. $0.1492 \times 6.022 \times 10^{23} = 8.99 \times 10^{22}$ elektron.

8. $4.000/0.25 = 16\,\mathrm{h}$ .

9. $0.20 \times 14400 = 2880\,\mathrm{C}$ .

10. $E = 14400 \times 3.7 = 5.3 \times 10^{4}\,\mathrm{J}$ , sekitar $53\,\mathrm{kJ}$ .

11. $53280/3600 = 14.8\,\mathrm{W}\,\mathrm{h}$ .

12. Pembakaran $1\,\mathrm{g}$ metana melepaskan energi sedikit lebih banyak ( $55.7\,\mathrm{kJ}$ ) daripada yang disimpan baterai ponsel yang penuh.

13. $1000/14.8 = 67.6$ : 67 kali pengisian penuh.

14. $\ce{Li+ + e- -> Li}$ : sebuah reduksi.

15. Pengisi daya memaksa reaksinya ke arah yang berlawanan dengan arah spontannya.

16. $14400/2.0 = 7200\,\mathrm{s}$ , $2.0\,\mathrm{h}$ .

17. Satu ion litium per elektron: $0.1492\,\mathrm{mol}$ .

18. $0.1492 \times 6.9 = 1.03\,\mathrm{g}$ .

19. Sekitar $1.03\,\mathrm{g}$ litium bolak-balik di antara elektrode-elektrode dalam satu pengisian penuh.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 852 istilah di glosarium