---
title: "Baterai, Sel Bahan Bakar, dan Elektrolisis"
book: "Kimia Universitas — Tahun 2"
subject: chemistry
language: id
chapter: 11
exercises: 12
source: https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/11-baterai-sel-bahan-bakar-dan-elektrolisis
license: CC-BY-NC-SA-4.0
credit: "One Chemistry Book, One Course (one-course.com)"
---

# Bab 11 — Baterai, Sel Bahan Bakar, dan Elektrolisis

Setiap kilogram aluminium yang diperoleh dari bijihnya memerlukan sekitar $13\,\mathrm{kW}\,\mathrm{h}$ listrik; melebur satu kilogram skrap, pada prinsipnya, hanya memerlukan $0.3\,\mathrm{kW}\,\mathrm{h}$ untuk memanaskannya sampai titik lebur dan melelehkannya. Selisihnya adalah kerja sederetan panjang sel [elektrolisis](#def-b2-batteries-electrolysis-electrolysis), yang masing-masing mengalirkan ratusan ribu ampere melalui garam cair pada tegangan beberapa volt. Baterai bekerja ke arah sebaliknya: sebuah reaksi spontan menggerakkan arus. Dengan [kurva arus–potensial](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-ie-curve) pada [Bab 10](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#ch-b2-current-potential-curves), keduanya dibaca pada diagram yang sama, demikian pula sepotong seng yang larut dalam asam.

**Yang sudah kamu ketahui.**

[Bab 9](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/9-termodinamika-sel-elektrokimia#ch-b2-cell-thermodynamics): $\Delta_r G = -nFE$, kerja maksimum, [tetapan Faraday](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/9-termodinamika-sel-elektrokimia#def-b2-cell-thermodynamics-faraday). [Bab 10](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#ch-b2-current-potential-curves): [kurva arus–potensial](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-ie-curve), [sistem cepat](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-fast-slow) dan [sistem lambat](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-fast-slow), [overpotensial](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-overpotential), [arus pembatas](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-limiting-current), dinding-dinding air. [Bab 6](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/6-diagram-ellingham-dan-metalurgi#ch-b2-ellingham): mengapa aluminium tidak diperoleh dengan karbon. Jilid sekolah: [elektrolisis](#def-b2-batteries-electrolysis-electrolysis), [akumulator](#def-b2-batteries-electrolysis-battery).

![Ruang sel sebuah peleburan aluminium: sederet sel elektrolisis, ratusan banyaknya, yang dihubungkan seri; derek di atasnya mengganti anode karbon yang habis terbakar.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-batteries-electrolysis/img-036efe992292.jpg)

*Ruang sel sebuah peleburan aluminium: sederet sel [elektrolisis](#def-b2-batteries-electrolysis-electrolysis), ratusan banyaknya, yang dihubungkan seri; derek di atasnya mengganti anode karbon yang habis terbakar.*

## 11.1 Reaksi spontan yang dibaca pada kurva

**Definisi 11.1 (Potensial campuran).**

Yang disebut *potensial campuran* sebuah elektrode tempat dua pasangan berbeda bereaksi, satu dioksidasi dan satu direduksi, adalah potensial yang diambilnya ketika tidak ada arus bersih yang mengalir: [arus anodik](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-ie-curve) satu pasangan lalu sama besar dan berlawanan arah dengan [arus katodik](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-ie-curve) pasangan yang lain.

**Proposisi 11.2 (Logam dalam larutan).**

Logam yang tercelup dalam larutan yang dapat mengoksidasinya menetap pada potensial $E_m$ tempat $i_a(E_m) = -i_c(E_m)$, yaitu [arus anodik](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-ie-curve) oksidasi logam mengimbangi [arus katodik](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-ie-curve) reduksi oksidatornya; logam itu larut dengan laju $i_a(E_m)/(nF)$.

**Bukti.** Sepotong logam yang terisolasi tidak membawa arus bersih. Kedua setengah reaksi berlangsung di permukaannya pada potensial yang sama, sehingga arus-arusnya, yang dibaca pada kurva masing-masing pada potensial itu, berjumlah nol. Menurut [Proposisi 10.3](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#prop-b2-current-potential-curves-current-rate), [arus anodik](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-ie-curve) memberikan laju oksidasi. ∎

![Seng dalam asam (kurva model, ion seng encer; potensial dari -1.1 sampai -0.3\, V). Jika sendirian, seng menetap pada potensial campuran tempat oksidasinya mengimbangi reduksi H+ yang lambat pada seng: arusnya kecil, pelarutannya lambat. Jika menyentuh tembaga, tempat reduksi H+ tidak terlalu lambat, keseimbangannya bergeser ke potensial yang lebih tinggi dan arus yang lebih dari sepuluh kali lebih besar: seng larut dengan cepat, hidrogen menggelembung pada tembaga.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-batteries-electrolysis/fig-c5d392e84dc7.svg)

*Seng dalam asam (kurva model, ion seng encer; potensial dari $-1.1$ sampai $-0.3\,\mathrm{V}$). Jika sendirian, seng menetap pada [potensial campuran](#def-b2-batteries-electrolysis-mixed-potential) tempat oksidasinya mengimbangi reduksi $\ce{H+}$ yang lambat pada seng: arusnya kecil, pelarutannya lambat. Jika menyentuh tembaga, tempat reduksi $\ce{H+}$ tidak terlalu lambat, keseimbangannya bergeser ke potensial yang lebih tinggi dan arus yang lebih dari sepuluh kali lebih besar: seng larut dengan cepat, hidrogen menggelembung pada tembaga.*

Pembacaan yang sama menjelaskan korosi ([Bab 12](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/12-korosi-dan-proteksi#ch-b2-corrosion)): laju korosi sebuah logam adalah arus pada [potensial campurannya](#def-b2-batteries-electrolysis-mixed-potential).

## 11.2 Sel yang memberikan arus

**Definisi 11.3 (Baterai).**

Yang disebut *sel primer* adalah sel elektrokimia yang dipakai sekali, sampai pereaksinya habis. Yang disebut *akumulator* adalah sel yang dapat diisi ulang dengan memaksakan arus melaluinya ke arah sebaliknya, yang membalik reaksinya. Yang disebut *energi spesifik* sebuah sel adalah energi listrik yang diberikannya per satuan massa, biasanya dalam $\mathrm{W}\,\mathrm{h}/\mathrm{kg}$.

**Proposisi 11.4 (Tegangan sel yang memberikan arus).**

Sel yang memberikan arus $I$ mempunyai tegangan

$$
U = E_+ - E_- - \eta_a - |\eta_c| - rI ,
$$

dengan $E_+$ dan $E_-$ potensial kesetimbangan kedua elektrodenya, $\eta_a > 0$ [overpotensial](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-overpotential) oksidasi di elektrode negatif, $\eta_c < 0$ [overpotensial](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-overpotential) reduksi di elektrode positif, dan $r$ hambatan dalam (elektrolit, separator, sambungan).

**Bukti.** Arus $I$ yang sama bersifat anodik di elektrode negatif, yang potensialnya dibaca pada kurva anodiknya, $E_- + \eta_a$, dan katodik di elektrode positif, yang potensialnya $E_+ + \eta_c$. Di antara keduanya, arus melintasi elektrolit, tempat potensial turun sebesar $rI$. Jadi $U = (E_+ + \eta_c) - (E_- +
\eta_a) - rI$. ∎

![Titik kerja sebuah sel (kurva model). Pada arus I, elektrode negatif berada pada kurva anodiknya, elektrode positif pada kurva katodiknya; selisih kedua potensial itu, dikurangi penurunan ohmik rI, adalah tegangan yang diberikan. Tegangan itu turun ketika I bertambah.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-batteries-electrolysis/fig-759ce7a8ce66.svg)

*Titik kerja sebuah sel (kurva model). Pada arus $I$, elektrode negatif berada pada kurva anodiknya, elektrode positif pada kurva katodiknya; selisih kedua potensial itu, dikurangi penurunan ohmik $rI$, adalah tegangan yang diberikan. Tegangan itu turun ketika $I$ bertambah.*

**Metode 11.5 (Titik kerja sel atau elektroliser).**

1. Gambarlah kurva anodik elektrode yang dioksidasi dan kurva katodik elektrode yang direduksi.
2. Untuk arus $I$ , bacalah potensial setiap elektrode pada $+I$ pada kurva anodik dan pada $-I$ pada kurva katodik.
3. Selisih kedua potensial itu, dikoreksi dengan $rI$ (dikurangkan untuk sel, ditambahkan untuk [elektroliser](#def-b2-batteries-electrolysis-electrolysis) ), adalah tegangannya.

**Contoh 11.6 (Aki timbal–asam).**

Di elektrode negatif $\ce{Pb + SO4^2- -> PbSO4 + 2e-}$; di elektrode positif $\ce{PbO2 + 4H+ + SO4^2- + 2e- -> PbSO4 + 2H2O}$. Secara keseluruhan

$$
\ce{Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO4^2- -> 2PbSO4 + 2H2O},
$$

$\Delta_r G^\circ = 2(-813.14) + 2(-237.13) - (-217.33) - 2(-744.53) =
-394.1\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$, $E^\circ = 394\,100/(2 \times 96\,485) = 2.04\,\mathrm{V}$. Kedua elektrode tertutup timbal sulfat ketika sel melepaskan muatan; pengisian membalik reaksinya. Reduksi $\ce{H+}$ pada timbal dan oksidasi air pada timbal dioksida berlangsung lambat: itulah sebabnya sel $2\,\mathrm{V}$ dapat diisi di dalam air, yang jendela termodinamikanya hanya selebar $1.23\,\mathrm{V}$.

![Aki timbal–asam, skematis. Saat pengosongan, timbal dioksidasi dan timbal dioksida direduksi, keduanya menjadi timbal sulfat, dan asamnya terkonsumsi: massa jenis larutan menunjukkan keadaan muatan.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-batteries-electrolysis/fig-d29addd09201.svg)

*Aki timbal–asam, skematis. Saat pengosongan, timbal dioksidasi dan timbal dioksida direduksi, keduanya menjadi timbal sulfat, dan asamnya terkonsumsi: massa jenis larutan menunjukkan keadaan muatan.*

![Sel litium-ion, skematis. Ion-ion litium (titik biru) berada di antara lapisan-lapisan grafit dalam sel yang terisi; saat pengosongan, ion-ion itu melintasi elektrolit untuk menyusup di antara lapisan-lapisan sebuah oksida logam, sementara elektron mengitari rangkaian luar. Tidak ada elektrode yang larut atau mengendap: ion-ion itu bolak-balik di antara dua inang.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-batteries-electrolysis/fig-61476f28182e.svg)

*Sel litium-ion, skematis. Ion-ion litium (titik biru) berada di antara lapisan-lapisan grafit dalam sel yang terisi; saat pengosongan, ion-ion itu melintasi elektrolit untuk menyusup di antara lapisan-lapisan sebuah oksida logam, sementara elektron mengitari rangkaian luar. Tidak ada elektrode yang larut atau mengendap: ion-ion itu bolak-balik di antara dua inang.*

**Sejarah — Tumpukan Volta.**

![](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-batteries-electrolysis/img-5da0e28d927d.jpg)

Pada tahun 1800 Alessandro Volta memerikan sebuah kolom cakram dari dua logam yang berbeda, seng dan tembaga atau perak, yang dipisahkan oleh kain yang dibasahi air garam: sumber arus listrik tetap yang pertama. Dalam beberapa minggu, orang lain memakainya untuk menguraikan air, dan dalam satu dasawarsa Humphry Davy telah mengisolasi natrium dan kalium dengan [elektrolisis](#def-b2-batteries-electrolysis-electrolysis) hidroksidanya yang meleleh memakai tumpukan yang besar. Foto ini menunjukkan salah satu tumpukan buatan Volta sendiri. (Foto: GuidoB, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons.)

## 11.3 Sel bahan bakar

**Definisi 11.7 (Sel bahan bakar).**

Yang disebut *sel bahan bakar* adalah sel yang pereaksinya, sebuah bahan bakar dan sebuah oksidator (biasanya oksigen dari udara), diumpankan terus-menerus ke elektrode-elektrodenya dan yang produknya disingkirkan, sehingga sel itu memberikan arus selama dipasok.

Dalam sel membran penukar proton pada bus di [Bab 9](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/9-termodinamika-sel-elektrokimia#ch-b2-cell-thermodynamics), hidrogen dioksidasi pada katalis platina, $\ce{H2 -> 2H+ + 2e-}$, proton melintasi membran polimer asam yang tipis, dan oksigen direduksi di sisi yang lain, $\ce{O2 + 4H+ + 4e- -> 2H2O}$. Oksidasi hidrogen pada platina adalah [sistem cepat](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-fast-slow); reduksi oksigen lambat pada setiap elektrode. Sebagian besar tegangan yang hilang antara $1.23\,\mathrm{V}$ sel reversibel dan tegangan kerjanya adalah [overpotensial](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-overpotential) elektrode oksigen, sisanya hambatan membran dan, pada arus tinggi, pasokan oksigen ke katalis (sebuah [arus pembatas](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-limiting-current)).

## 11.4 Elektrolisis

**Definisi 11.8 (Elektrolisis).**

Yang disebut *elektrolisis* adalah reaksi redoks tak spontan yang dipaksakan oleh arus yang dipasok oleh generator luar; sel tempat elektrolisis berlangsung disebut *elektroliser*. Anode, tempat oksidasi terjadi, dihubungkan dengan kutub positif generator.

**Proposisi 11.9 (Tegangan minimum termodinamika).**

[Elektrolisis](#def-b2-batteries-electrolysis-electrolysis) yang reaksinya mempunyai $\Delta_r G > 0$ memerlukan tegangan paling sedikit $\Delta_r G/(nF)$.

**Bukti.** Generator memasok kerja $nFU$ per mol reaksi; menurut [Teorema 9.3](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/9-termodinamika-sel-elektrokimia#thm-b2-cell-thermodynamics-delta-g-nfe) yang diterapkan pada reaksi kebalikannya, kerja listrik yang diterima harus paling sedikit $\Delta_r G$. ∎

**Proposisi 11.10 (Tegangan elektroliser).**

[Elektroliser](#def-b2-batteries-electrolysis-electrolysis) yang mengalirkan arus $I$ memerlukan

$$
U = (E_a - E_c) + \eta_a + |\eta_c| + rI ,
$$

dengan $E_a$, $E_c$ potensial kesetimbangan pasangan anode dan katode ($E_a - E_c = \Delta_r G/(nF)$), $\eta_a$, $\eta_c$ [overpotensialnya](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-overpotential) pada arus itu, dan $r$ hambatan di antara kedua elektrode.

**Bukti.** Seperti pada sel, arus yang sama bersifat anodik di anode, pada potensial $E_a +
\eta_a$, dan katodik di katode, pada $E_c + \eta_c$; generator juga harus mendorongnya melalui elektrolit, yang menambahkan $rI$. ∎

**Metode 11.11 (Meramalkan elektrolisis).**

1. Daftarlah setiap spesies yang dapat dioksidasi di anode (termasuk logam anode dan pelarutnya) dan setiap spesies yang dapat direduksi di katode (termasuk pelarutnya).
2. Gambarlah [kurva arus–potensialnya](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-ie-curve) pada bahan-bahan elektrode yang dipakai.
3. Ketika tegangan dinaikkan, kurva anodik pertama dan kurva katodik pertama yang tercapai memberikan reaksinya; pada arus yang lebih besar, kurva-kurva berikutnya menambahkan reaksinya.

**Definisi 11.12 (Efisiensi faraday).**

Yang disebut *efisiensi faraday* $\eta_F$ sebuah [elektrolisis](#def-b2-batteries-electrolysis-electrolysis) adalah fraksi muatan yang dialirkan yang menghasilkan produk yang dikehendaki. Selanjutnya, *konsumsi energi spesifiknya* adalah energi listrik yang dipakai per satuan massa produk.

**Proposisi 11.13 (Hukum Faraday).**

Arus $I$ yang dialirkan selama waktu $t$ dengan [efisiensi faraday](#def-b2-batteries-electrolysis-faradaic-efficiency) $\eta_F$ menghasilkan massa $m = \eta_F MIt/(nF)$ produk bermassa molar $M$ yang dibentuk dengan $n$ elektron per mol.

**Bukti.** Muatan $It$, yang $\eta_F It$ di antaranya membentuk produk, bersesuaian menurut [Proposisi 9.2](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/9-termodinamika-sel-elektrokimia#prop-b2-cell-thermodynamics-charge) dengan $\eta_F It/(nF)$ mol. ∎

**Proposisi 11.14 (Energi per kilogram).**

Pada tegangan $U$ dan [efisiensi faraday](#def-b2-batteries-electrolysis-faradaic-efficiency) $\eta_F$, [konsumsi energi spesifiknya](#def-b2-batteries-electrolysis-faradaic-efficiency) adalah $w = nFU/(\eta_F M)$.

**Bukti.** Energinya adalah $UIt$ dan massanya $\eta_F MIt/(nF)$; bagilah. ∎

## 11.5 Elektrolisis industri

**Seng.** Sebagian besar seng diperoleh dengan [elektrolisis](#def-b2-batteries-electrolysis-electrolysis) larutan seng sulfat yang asam pada [Bab 6](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/6-diagram-ellingham-dan-metalurgi#ch-b2-ellingham). Seng diendapkan di katode walaupun $\ce{H+}$ adalah oksidator yang lebih kuat: pada seng, reduksi $\ce{H+}$ sangat lambat, dan gelombang seng tercapai lebih dahulu; anode melepaskan oksigen.

![Elektrolisis larutan seng sulfat yang asam dengan katode seng (kurva model). Walaupun pasangan H+/H2 (0\, V) terletak di atas Zn2+/Zn (-0.76\, V), reduksi H+ pada seng baru dimulai sekitar -1.1\, V: di antaranya, hanya seng yang diendapkan. Di anode, air dioksidasi menjadi oksigen.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-batteries-electrolysis/fig-71ae0783835a.svg)

*[Elektrolisis](#def-b2-batteries-electrolysis-electrolysis) larutan seng sulfat yang asam dengan katode seng (kurva model). Walaupun pasangan $\ce{H+}$/$\ce{H2}$ ($0\,\mathrm{V}$) terletak di atas $\ce{Zn^2+}$/$\ce{Zn}$ ($-0.76\,\mathrm{V}$), reduksi $\ce{H+}$ pada seng baru dimulai sekitar $-1.1\,\mathrm{V}$: di antaranya, hanya seng yang diendapkan. Di anode, air dioksidasi menjadi oksigen.*

**Klor dan natrium hidroksida.** Air garam pekat dielektrolisis di dalam sel yang dibagi oleh membran yang hanya dapat dilewati kation. Di anode, klorida dioksidasi, $\ce{2Cl- -> Cl2 + 2e-}$; di katode, air direduksi, $\ce{2H2O +
2e- -> H2 + 2OH-}$; ion-ion natrium melintasi membran untuk menyeimbangkan muatan, dan larutan natrium hidroksida yang bebas klorida keluar dari sisi katode. Tegangan minimum termodinamikanya adalah $\Delta_r G/(2F) = 2.19\,\mathrm{V}$ untuk $\ce{2Cl- + 2H2O -> Cl2 +
H2 + 2OH-}$ dalam kondisi standar. Klor terbentuk di anode alih-alih oksigen, walaupun pasangan $\ce{O2}$/$\ce{H2O}$ terletak lebih rendah: oksidasi air adalah yang lebih lambat di antara keduanya pada bahan-bahan anode yang dipakai.

![Sel kloralkali membran, skematis. Hanya ion natrium yang melintasi membran, sehingga hidroksida yang terbentuk di katode tidak bertemu dengan klor.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-batteries-electrolysis/fig-f80e6dec8e75.svg)

*Sel kloralkali membran, skematis. Hanya ion natrium yang melintasi membran, sehingga hidroksida yang terbentuk di katode tidak bertemu dengan klor.*

**Aluminium.** Aluminium oksida dilarutkan dalam kriolit cair, $\ce{Na3AlF6}$, yang melebur jauh lebih rendah daripada alumina, lalu dielektrolisis di antara katode karbon, tempat aluminium cair terkumpul, dan anode-anode karbon yang terbakar habis menjadi karbon dioksida (proses Hall–Héroult):

$$
\ce{2Al2O3 + 3C -> 4Al + 3CO2} .
$$

Tegangan minimum termodinamikanya di dekat $1250\,\mathrm{K}$ sekitar $1.18\,\mathrm{V}$ ([Soal 11.1](#pb-b2-batteries-electrolysis-1)); sel pada soal itu bekerja pada tiga setengah kali nilai itu, dan kelebihannya diubah menjadi kalor yang menjaga bak tetap cair.

![Sel Hall–Héroult, penampang, skematis. Aluminium direduksi di permukaan kolam logam cair, yang berperan sebagai katode; ion-ion oksida dilepaskan pada anode-anode karbon, yang dibakarnya menjadi karbon dioksida.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-batteries-electrolysis/fig-ff48d6f1f1cf.svg)

*Sel Hall–Héroult, penampang, skematis. Aluminium direduksi di permukaan kolam logam cair, yang berperan sebagai katode; ion-ion oksida dilepaskan pada anode-anode karbon, yang dibakarnya menjadi karbon dioksida.*

**Sejarah — Hall dan Héroult, 1886.**

![](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-batteries-electrolysis/img-bb830a30b118.jpg)

![](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-3/b2-batteries-electrolysis/img-eca4684dace4.jpg)

Pada tahun 1886, pada usia dua puluh dua atau dua puluh tiga tahun, Charles Martin Hall dan Paul Héroult, di dua sisi Samudra Atlantik, menemukan secara terpisah bahwa alumina larut dalam kriolit cair dan dapat dielektrolisis di sana. Aluminium, yang sampai saat itu merupakan logam berharga yang dibuat dengan mereduksi kloridanya dengan natrium, menjadi logam ringan yang paling murah begitu listrik dapat dibangkitkan dalam jumlah besar. (Potret: Hall, sekitar tahun 1880-an, penulis tidak diketahui, domain publik; Héroult, domain publik; Wikimedia Commons.)

**Natrium.** Natrium tidak dapat diendapkan dari air, yang direduksinya. Natrium dibuat dengan [elektrolisis](#def-b2-batteries-electrolysis-electrolysis) natrium klorida cair, yang titik leburnya diturunkan oleh garam tambahan ([campuran eutektik](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/8-diagram-biner-padatcair#def-b2-solid-liquid-diagrams-eutectic), [Bab 8](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/8-diagram-biner-padatcair#ch-b2-solid-liquid-diagrams)), dengan klor sebagai produk samping. Pada $1100\,\mathrm{K}$, $\Delta_f G^\circ(\ce{NaCl}, \text{l}) =
-310.7\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$: tegangan minimumnya $3.22\,\mathrm{V}$.

## 11.6 Latihan

**Latihan 11.1 ★.**

Pada gambar seng dalam asam, bacalah [potensial campuran](#def-b2-batteries-electrolysis-mixed-potential) dan arus seng sendirian dan seng yang menyentuh tembaga (satuan model), lalu nyatakan mana yang larut lebih cepat.

**Solusi Latihan 11.1.**

Seng sendirian: sekitar $-0.82\,\mathrm{V}$ dan arus 0.15 (satuan model). Menyentuh tembaga: sekitar $-0.74\,\mathrm{V}$ dan 2.4. Arusnya, dan dengan demikian laju pelarutannya, sekitar enam belas kali lebih besar jika bersentuhan dengan tembaga.

**Latihan 11.2 ★.**

Berapa massa seng yang diendapkan dalam satu jam oleh arus $500\,\mathrm{A}$ dengan [efisiensi faraday](#def-b2-batteries-electrolysis-faradaic-efficiency) 100 %?

**Solusi Latihan 11.2.**

$m = 500 \times 3600 \times 65.38/(2 \times 96\,485) = 610\,\mathrm{g}$.

**Latihan 11.3 ★.**

Hitunglah tegangan standar aki timbal–asam dari [energi Gibbs](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/2-entropi-dan-energi-bebas-reaksi#def-b2-reaction-free-energy-gibbs-energy) pembentukan yang diberikan dalam bab ini, serta jumlah sel dalam aki mobil $12\,\mathrm{V}$.

**Solusi Latihan 11.3.**

$E^\circ = 2.04\,\mathrm{V}$ (seperti dalam bab ini); enam sel yang dipasang seri memberikan $12\,\mathrm{V}$.

**Latihan 11.4 ★.**

Berapa muatan, dalam ampere-jam, yang dapat diberikan oleh satu gram litium jika seluruhnya dioksidasi menjadi $\ce{Li+}$?

**Solusi Latihan 11.4.**

$1/6.94 = 0.144\,\mathrm{mol}$; $0.144 \times 96\,485 = 1.39 \times 10^{4}\,\mathrm{C}$, yaitu $3.86\,\mathrm{A}\,\mathrm{h}$.

**Latihan 11.5 ★★.**

Sebuah sel pemurnian tembaga mengalirkan $200\,\mathrm{A}$ selama $24\,\mathrm{h}$ dan mengendapkan $5.50\,\mathrm{kg}$ tembaga. Hitunglah [efisiensi faraday-nya](#def-b2-batteries-electrolysis-faradaic-efficiency).

**Solusi Latihan 11.5.**

Pada 100 %: $200 \times 86\,400 \times 63.546/(2 \times 96\,485) = 5.69\,\mathrm{kg}$; $\eta_F = 5.50/5.69 = 0.967$.

**Latihan 11.6 ★★.**

Sebuah sel [elektrolisis](#def-b2-batteries-electrolysis-electrolysis) pengambilan seng bekerja pada $3.3\,\mathrm{V}$ dengan [efisiensi faraday](#def-b2-batteries-electrolysis-faradaic-efficiency) 90 % (data latihan). Hitunglah energi listrik per kilogram seng.

**Solusi Latihan 11.6.**

$w = 2 \times 96\,485 \times 3.3/(0.90 \times 0.06538) = 1.08 \times 10^{7}\,\mathrm{J}/\mathrm{kg}$, yaitu $3.0\,\mathrm{kW}\,\mathrm{h}/\mathrm{kg}$.

**Latihan 11.7 ★★.**

Sebuah baterai memberikan $1.55\,\mathrm{V}$ pada $0.10\,\mathrm{A}$ dan $1.40\,\mathrm{V}$ pada $0.60\,\mathrm{A}$. Dengan menganggap [overpotensialnya](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-overpotential) dapat diabaikan, tentukan hambatan dalamnya dan tegangannya tanpa arus.

**Solusi Latihan 11.7.**

$U = E - rI$: $r = (1.55 - 1.40)/(0.60 - 0.10) = 0.30\,\Omega$; $E = 1.55 + 0.30
\times 0.10 = 1.58\,\mathrm{V}$.

**Latihan 11.8 ★★.**

Air garam pekat dielektrolisis di dalam sel membran. Tuliskan reaksi-reaksi elektrodenya, hitunglah tegangan minimumnya, lalu jelaskan mengapa produk-produknya harus dijaga terpisah.

**Solusi Latihan 11.8.**

Anode $\ce{2Cl- -> Cl2 + 2e-}$; katode $\ce{2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-}$. $\Delta_r G^\circ =
2(-157.24) - 2(-131.23) - 2(-237.13) = 422.2\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$, $U_{\min} =
2.19\,\mathrm{V}$. Klor akan bereaksi dengan hidroksida ($\ce{Cl2 + 2OH- -> Cl- +
ClO- + H2O}$), merusak kedua produk, dan campuran klor dan hidrogen dapat meledak.

**Latihan 11.9 ★★.**

Hitunglah tegangan minimum [elektrolisis](#def-b2-batteries-electrolysis-electrolysis) natrium klorida cair pada $1100\,\mathrm{K}$ dan energi minimum per kilogram natrium.

**Solusi Latihan 11.9.**

$\ce{NaCl -> Na + 1/2Cl2}$, $n = 1$: $U_{\min} = 310\,674/96\,485 = 3.22\,\mathrm{V}$. Per kilogram natrium: $96\,485 \times 3.22/0.02299 = 1.35 \times 10^{7}\,\mathrm{J}$, yaitu $3.75\,\mathrm{kW}\,\mathrm{h}$.

**Latihan 11.10 ★★★.**

Dengan [kurva arus–potensial](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-ie-curve), jelaskan mengapa seng dapat dilapiskan dari bak asam pada katode seng, lalu ramalkan apa yang akan terjadi pada katode platina pada awal pelapisan.

**Solusi Latihan 11.10.**

Pada katode seng, reduksi $\ce{H+}$ lambat dan dindingnya terletak di bawah gelombang seng: ketika potensial diturunkan, seng diendapkan lebih dahulu, dengan sedikit hidrogen. Pada platina, reduksi $\ce{H+}$ cepat dan dimulai di dekat $0\,\mathrm{V}$: mula-mula hanya hidrogen yang dilepaskan. Begitu platina tertutup seng, katode itu berperilaku sebagai katode seng dan seng pun mengendap.

**Latihan 11.11 ★★★.**

Dari $\Delta_f G^\circ$ pada $1100\,\mathrm{K}$ dan $1300\,\mathrm{K}$ ($\ce{Al2O3}$: $-1328.3$ dan $-1262.3$; $\ce{CO2}$: $-396.0$ dan $-396.2$ $\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$), hitunglah tegangan minimum sel Hall–Héroult pada $1250\,\mathrm{K}$, lalu bandingkan dengan anode inert tempat oksigen akan dilepaskan.

**Solusi Latihan 11.11.**

Pada $1250\,\mathrm{K}$ diperoleh $\Delta_f G^\circ(\ce{Al2O3}) = -1328.3 + 0.75 \times 66.0 =
-1278.8\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$, $\Delta_f G^\circ(\ce{CO2}) = -396.1\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$. $\Delta_r G^\circ =
3(-396.1) - 2(-1278.8) = 1369\,\mathrm{kJ}$, $n = 12$: $U_{\min} = 1.18\,\mathrm{V}$. Anode inert: $\Delta_r G^\circ = 2557.5\,\mathrm{kJ}$, $U_{\min} = 2.21\,\mathrm{V}$; karbon yang terbakar memasok sekitar $1.03\,\mathrm{V}$ dari kerja itu.

**Latihan 11.12 ★★★.**

Listrik disimpan dengan mengelektrolisis air pada $1.80\,\mathrm{V}$ dan diperoleh kembali dalam [sel bahan bakar](#def-b2-batteries-electrolysis-fuel-cell) pada $0.70\,\mathrm{V}$, keduanya dengan [efisiensi faraday](#def-b2-batteries-electrolysis-faradaic-efficiency) 100 %. Hitunglah efisiensi bolak-baliknya dan jelaskan ke mana energinya pergi.

**Solusi Latihan 11.12.**

Per mol air, muatan $2F$ sama ke kedua arah: efisiensinya $0.70/1.80 =
0.39$. Sisanya menjadi kalor: [overpotensial](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-overpotential) kedua elektrode oksigen (lambat ke kedua arah), [overpotensial](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-overpotential) elektrode hidrogen, dan kerugian ohmik.

## 11.7 Soal: Satu Ton Aluminium

**Soal 11.1.**

Soal akhir pekan — reaksi sel Hall–Héroult dan tegangan minimumnya, muatan dan waktu untuk membuat satu ton aluminium, energi yang dipakai, dan karbon yang terbakar

Data: [energi Gibbs](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/2-entropi-dan-energi-bebas-reaksi#def-b2-reaction-free-energy-gibbs-energy) pembentukan JANAF pada $1100\,\mathrm{K}$ dan $1300\,\mathrm{K}$ ($\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$): $\ce{Al2O3}$ $-1328.3$, $-1262.3$; $\ce{CO2}$ $-396.0$, $-396.2$. Sel (data latihan): arus $300\,\mathrm{kA}$, tegangan $4.1\,\mathrm{V}$, [efisiensi faraday](#def-b2-batteries-electrolysis-faradaic-efficiency) 94 %, bak di dekat $1250\,\mathrm{K}$. Massa molar ($\mathrm{g}/\mathrm{mol}$): Al 26.982, C 12.011, O 15.999. Kalor untuk membawa aluminium dari $298\,\mathrm{K}$ sampai cair pada titik leburnya: $28.69\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$.

**Bagian I — Tegangan minimum.**

1. Berikan bilangan oksidasi aluminium, oksigen, dan karbon dalam pereaksi dan produk.
2. Tuliskan setengah reaksi katode dan anode, dengan ion oksida $\ce{O^2-}$ yang dibawa oleh bak cair.
3. Tuliskan reaksi keseluruhan dan jumlah $n$ elektron yang dipertukarkan.
4. Interpolasikan $\Delta_f G^\circ$ $\ce{Al2O3}$ dan $\ce{CO2}$ pada $1250\,\mathrm{K}$ .
5. Hitunglah $\Delta_r G^\circ$ pada $1250\,\mathrm{K}$ .
6. Simpulkan tegangan minimumnya.
7. Hitunglah tegangan minimum dengan anode inert, $\ce{2Al2O3 -> 4Al + 3O2}$ , lalu jelaskan peran karbon.

**Bagian II — Muatan dan waktu.**

8. Berapa jumlah zat aluminium dalam satu ton?
9. Berapa muatan yang diperlukan dengan [efisiensi faraday](#def-b2-batteries-electrolysis-faradaic-efficiency) 100 %?
10. Berapa muatan yang sebenarnya dialirkan?
11. Berapa lama waktu yang diperlukan satu sel untuk membuat satu ton?
12. Berapa massa aluminium yang dibuat satu sel per hari?
13. Usulkan ke mana perginya 6 % muatan yang hilang.

**Bagian III — Energi.**

14. Hitunglah energi listrik per ton.
15. Nyatakan energi itu dalam $\mathrm{kW}\,\mathrm{h}$ per kilogram.
16. Hitunglah energi minimum per kilogram, pada tegangan minimum dan efisiensi 100 %.
17. Ke mana perginya sisa energi itu, dan mengapa energi itu tidak sepenuhnya terbuang?
18. Hitunglah daya listrik satu sel.
19. Hitunglah kalor yang diperlukan untuk melebur kembali satu kilogram skrap, dalam $\mathrm{kW}\,\mathrm{h}$ , lalu bandingkan.
20. Berapa bagian tegangan kerja yang merupakan minimum termodinamika?

**Bagian IV — Karbon.**

21. Hitunglah massa karbon yang terbakar per ton aluminium menurut persamaannya.
22. Hitunglah massa karbon dioksida yang dilepaskan oleh anode per ton.
23. Sel nyata membakar lebih banyak karbon daripada itu. Usulkan dua alasannya.
24. Nyatakan $\ce{CO2}$ dari anode per kilogram aluminium.
25. Apa yang akan diubah oleh anode inert pada tegangan dan pada gas yang dilepaskan?
26. Nyatakan energi listrik per kilogram aluminium.

**Solusi Soal 11.1.**

**1.** Aluminium $+3 \to 0$; oksigen tetap $-2$; karbon $0 \to +4$. **2.** Katode $\ce{Al^3+ + 3e- -> Al}$; anode $\ce{C + 2O^2- -> CO2 + 4e-}$. **3.** $\ce{2Al2O3 + 3C -> 4Al + 3CO2}$, $n = 12$. **4.** $\ce{Al2O3}$: $-1328.3 + 0.75 \times (1328.3 - 1262.3) = -1278.8\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$; $\ce{CO2}$: $-396.1\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$. **5.** $3(-396.1) - 2(-1278.8) = +1369\,\mathrm{kJ}$. **6.** $1\,369\,000/(12 \times 96\,485) = 1.18\,\mathrm{V}$. **7.** $2 \times 1278.8/(12 \times 96.485) = 2.21\,\mathrm{V}$: oksidasi karbon, yang sendiri bersifat [eksergonik](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/2-entropi-dan-energi-bebas-reaksi#def-b2-reaction-free-energy-exergonic), membayar hampir separuh kerja penguraian oksida. **8.** $10^6/26.982 = 3.706 \times 10^{4}\,\mathrm{mol}$. **9.** $3 \times 96\,485 \times 3.706 \times 10^4 = 1.073 \times 10^{10}\,\mathrm{C}$. **10.** $1.073 \times 10^{10}/0.94 = 1.141 \times 10^{10}\,\mathrm{C}$. **11.** $1.141 \times 10^{10}/3.0 \times 10^5 = 3.80 \times 10^{4}\,\mathrm{s}$, $10.6\,\mathrm{h}$. **12.** $24/10.6 = 2.27$: $2.27\,\mathrm{t}$ per hari. **13.** Sebagian aluminium yang larut dalam bak mencapai gas anode dan teroksidasi kembali oleh karbon dioksida, sehingga muatannya terpakai dua kali; sebagian arus juga bocor melalui bak tanpa mengelektrolisisnya. **14.** $1.141 \times 10^{10} \times 4.1 = 4.68 \times 10^{10}\,\mathrm{J}$, $13.0\,\mathrm{MW}\,\mathrm{h}$. **15.** $13.0\,\mathrm{kW}\,\mathrm{h}/\mathrm{kg}$. **16.** $3 \times 96\,485 \times 1.18/0.026982 = 1.27 \times 10^{7}\,\mathrm{J}/\mathrm{kg}$, $3.5\,\mathrm{kW}\,\mathrm{h}/\mathrm{kg}$. **17.** Menjadi kalor: [overpotensial](https://one-course.com/books/chemistry/3/id/chapter/10-kurva-aruspotensial#def-b2-current-potential-curves-overpotential) elektrode dan, sebagian besar, penurunan ohmik di dalam bak. Kalor itu menjaga bak tetap cair pada sekitar $1250\,\mathrm{K}$, yang jika tidak demikian akan memerlukan bahan bakar. **18.** $4.1 \times 3.0 \times 10^5 = 1.23\,\mathrm{MW}$. **19.** $28\,690/0.026982 = 1.06 \times 10^{6}\,\mathrm{J}/\mathrm{kg}$, $0.30\,\mathrm{kW}\,\mathrm{h}/\mathrm{kg}$: sekitar 2 % energi [elektrolisis](#def-b2-batteries-electrolysis-electrolysis). **20.** $1.18/4.1 = 0.29$. **21.** $3.706 \times 10^4 \times 3/4 \times 12.011 = 334\,\mathrm{kg}$. **22.** $3.706 \times 10^4 \times 3/4 \times 44.009 = 1.22 \times 10^{3}\,\mathrm{kg}$. **23.** Bagian atas anode yang panas terbakar di udara; sebagian karbon keluar sebagai karbon monoksida ($\ce{C + CO2 -> 2CO}$ pada suhu itu), yang memerlukan karbon dua kali lebih banyak per atom oksigen. **24.** $1.22\,\mathrm{kg}$ $\ce{CO2}$ per kilogram aluminium. **25.** Tegangan minimumnya akan naik sekitar $1.03\,\mathrm{V}$, tetapi anode itu akan melepaskan oksigen alih-alih karbon dioksida dan tidak akan habis terpakai. **26.** Sel itu memakai $\boldsymbol{\approx 13\,\mathrm{kW}\,\mathrm{h}}$ energi listrik per kilogram aluminium.