Elektrokimia adalah cabang ilmu yang mempelajari hubungan antara energi listrik dengan reaksi kimia dalam larutan atau cairan menggunakan alat khusus yang disebut sel elektrokimia. Ada dua macam sel elektrokimia yaitu sel Volta (sel Galvani) dan sel elektrolisis. Sel Volta (sel Galvani) adalah sel yang mengubah reaksi kimia menjadi energi listrik, sedangkan sel elektrolisis sebaliknya, yaitu mengubah energi listrik menjadi reaksi kimia. Prinsip dasar dari elektrokimia adalah reaksi redoks, maka yang terlebih dahulu dibahas disini adalah mengenai reaksi redoks.
1. Sel Volta (sel Galvani)
Reaksi redoks ditandai dengan serah terima elektron dari satu partikel kepada partikel lain. Partikel yang melepaskan elektron disebut teroksidasi, dan yang menerima elektron disebut tereduksi. Reaksi redoks dapat terjadi dalam satu wadah, sehingga serah terima elektron secara langsung dari satu partikel ke partikel lain. Sebagai contoh dari reaksi redoks adalah reaksi antara logam Zn dengan larutan CuSO4. Lempeng logam Zn jika dicelupkan ke dalam larutan CuSO4 yang berwarna biru akan bereaksi, sehingga lama-kelamaan larutan CuSO4 menjadi tidak berwarna. Berarti ion Cu2+ telah menangkap elektron dan berubah menjadi Cu padat yang terkumpul di sekitar logam Zn yang tercelup.
Reaksi : Cu2+ (aq) + 2e- → Cu (s)
Sementara, lempeng logam Zn sebagian telah larut. Berarti logam Zn telah melepaskan elektron dan berubah menjadi Zn2+.
Reaksi : Zn (s) → Zn2+(aq) + 2e-
Persamaan reaksi reduksi-oksidasi (redoks) sebagai berikut :
Oksidasi : Zn (s) → Zn2+(aq) + 2e-
Reduksi : Cu2+ (aq) + 2e- → Cu (s)
Redoks : Zn (s) + Cu2+ (aq) → Zn2+ (aq) + Cu (s)
(biru) (tidak berwarna)
Jadi, ada perpindahan elektron dari Zn ke Cu.
Pada sel Volta (sel Galvani), perpindahan elektron dibuat mengalir melalui sebuah kawat, sehingga elektron dapat dimanfaatkan sebagai energi listrik. Logam Zn dan larutan CuSO4 dipisahkan ke dalam dua wadah. Logam Zn dicelupkan ke dalam larutan elektrolit yang sesuai, yaitu larutan ZnSO4 dan larutan CuSO4 dicelupkan ke dalamnya logam yang sesuai yaitu logam Cu. Kedua logam dihubungkan dengan kawat dan kedua larutan dihubungkan dengan jembatan garam. Logam Zn sebagai anode (elektrode negatif) mengalami reaksi oksidasi berubah menjadi Zn2+, dan melepaskan elektron yang kemudian mengalir melalui kawat, menimbulkan arus listrik. Elektron diteruskan ke logam Cu sebagai katode (elektrode positif) dan disini akan terjadi reaksi reduksi, Cu2+ menangkap elektron tersebut dan berubah menjadi Cu yang terkumpul di permukaan katode. Kelebihan ion positif di sebelah kiri dan kelebihan ion negatif disebelah kanan dapat dinetralkan dengan memasang jembatan garam, yakni campuran agar-agar dengan suatu elektrolit (misal, KNO3). Ion-ion negatif dari jembatan garam (NO3-) akan masuk ke dalam bejana kiri dan pada saat yang sama ion-ion positif (K+) masuk ke bejana kanan. Dengan demikian, reaksi oksidasi dan reaksi reduksi dapat berlangsung lagi dan aliran elektron berjalan terus.
Cara menyatakan sel Volta ini dinamakan diagram (notasi) sel Volta, sebagai berikut :
Sel Volta (sel Galvani) menghasilkan arus listrik karena adanya perbedaan daya tarik kedua elektrode terhadap elektron, sehingga elektron mengalir dari yang lemah ke yang kuat daya tariknya. Jika daya tarik itu disebut potensial elektrode, maka perbedaan potensial kedua elektrode disebut potensial sel, dalam satuan Volt.
Suatu elektrode mempunyai potensial tertentu (potensial elektrode), yang nilainya tidak sama antara satu elektrode dengan yang lainnya. Harga potensial suatu elektrode (berkonsentrasi 1 M, suhu 25oC) tidak dapat diukur. Oleh karena itu diperlukan suatu elektrode yang dapat dipakai sebagai standar, yaitu elektrode hidrogen dengan konsentrasi 1 M dan tekanan gasnya 1 atm. Gas hidrogen ini dialirkan melalui sekeping logam Pt, tujuannya agar diperoleh luas permukaan sebesar mungkin untuk mengadsorpsi gas H2. Berdasarkan perjanjian, elektrode hidrogen diberi harga 0,00 Volt. Maka, misalkan elektrode Zn dihubungkan dengan elektrode H2, besarnya potensial yang terukur adalah potensial elektrode Zn itu sendiri.
Sedangkan potensial sel Volta dapat ditentukan dengan percobaan menggunakan voltmeter atau secara teoretis. Secara teorites, potensial sel dapat dihitung berdasarkan perbedaan potensial antara potensial oksidasi anode dan potensial reduksi katode.
Dalam ilmu kimia, sel Volta (sel Galvani) dapat dipakai untuk penentuan kespontanan reaksi redoks, konstanta kesetimbangan, hasil kali kelarutan dan pH larutan. Di samping itu, sel Galvani juga dapat sebagai sumber listrik yang dikenal sebagai batere dan aki. Sel ini dapat terjadi secara alami di permukaan logam yang menimbulkan korosi. Korosi dapat diatasi dengan melapisi logam atau memberi logam pelindung.
2. Sel Elektrolisis
Elektrolisis merupakan kebalikan dari proses sel Volta. Elektrolisis berarti penguraian senyawa oleh arus listrik, dan alatnya disebut sel elektrolisis. Reaksi pada sel elektrolisis sebenarnya merupakan reaksi redoks yang tidak spontan, tetapi dapat terjadi karena diberi energi listrik dari luar. Energi listrik akan memompa elektron, sehingga akan ada partikel yang dapat menerima elektron dan yang melepaskan elektron. Sel elektrolisis terdiri dari dua elektroda yang dicelupkan ke dalam sebuah wadah berisi leburan atau larutan elektrolit. Kedua elektroda masing-masing dihubungkan dengan kutub sumber arus. Elektroda yang dihubungkan dengan kutub negatif akan kelebihan elektron dan disebut katoda, sedangkan yang lain akan bermuatan positif disebut anoda.
Reaksi di katode tergantung pada jenis kation. Disini akan terjadi persaingan antara beberapa kation dengan air sebagai pelarut untuk tereduksi. Yang menang adalah yang berpotensial reduksi lebih besar. Sedangkan reaksi di anode tergantung pada jenis anode dan anion. Jika anode yang digunakan adalah anode inert maka akan terdapat persaingan antara beberapa anion dengan air untuk teroksidasi. Yang menang adalah yang berpotensial oksidasi lebih besar. Tetapi, jika yang digunakan adalah anode tak inert maka anode tersebut yang akan teroksidasi.
Reaksi reduksi pada katoda atau oksidasi pada anoda selalu melibatkan elektron. Jumlah elektron itu setara dengan perubahan kimianya. Dengan kata lain, jumlah listrik (muatan) yang terpakai ada hubungannya dengan jumlah perubahan zat yang terjadi. Hubungan ini dirumuskan dalam hukum Faraday I dan II. Pembahasan mengenai ini dinamakan aspek kuantitatif dalam elektrolisis.
a. Hukum Faraday I
”Jumlah zat yang dihasilkan pada katode atau anode berbanding lurus dengan jumlah listrik yang digunakan selama elektrolisis.”
Keterangan :
m = berat zat (endapan) yang terjadi (gram)
F = konstanta Faraday
i = kuat arus (ampere)
e = berat ekuivalen zat
t = waktu (detik)
b. Hukum Faraday II
”Jika arus listrik dialirkan ke dalam beberapa sel elektrolisis yang dihubungkan seri, maka jumlah berat zat-zat yang dihasilkan pada tiap-tiap elektrode sebanding dengan berat ekuivalen tiap-tiap zat tersebut.”
m1 : m2 = e1 : e2
Keterangan :
m1 dan m2 = berat endapan 1 dan 2 (gram)
e1 dan e2 = berat ekuivalen zat 1 dan 2
Reaksi yang terjadi pada elektrode sel elektrolisis dapat dipakai untuk membuat unsur dan senyawa tertentu, seperti gas klor, oksigen dan hidrogen. Beberapa logam dapat dibuat dari larutan garamnya melalui cara elektrolisis, seperti natrium, aluminium, dan magnesium. Suatu logam dapat dilapisi dengan logam lain agar lebih tahan, kuat dan indah dengan cara elektrolisis. Teknik ini dikenal dengan penyepuhan (electroplating).
0 komentar:
Posting Komentar