Praktikum Kimia Fisika (Elektrolisis)

 Yo what's up, genki desu ka

Pada kesempatan ini minzo akan berbagi mengenai praktikum kimia fisika, praktikum yang dilakukan pada semester II setelah melalui 3 praktikum pada semseter I. Mengingatnya sungguh nostalgia haha, tidur larut ngerjain laporan, matkul yang padat, menentukan jadwal asistensi, waduh kalau diingat sangat menyenangkan rutinitas seperti itu dan bersyukur bisa melewatinya. Buat yang lagi berjuang pada semester awal, jangan pernah menyerah nikmati prosesnya hehe

Untuk praktikum kimia fisika minzo mulai dari BAB Elektrolisis, check it out...

 1.1.        Tujuan Percobaan

-       Memahami sel volta (sel galvani) dan pembuktian teori elektrolisis

1.2.       Tinjauan Pustaka

Elektrokimia merupakan bagian dari ilmu kimia yang mempelajari hubungan antara reaksi kimia dengan arus listrik. Elektrokimia dapat diaplikasikan dalam berbagai keperluan manusia, seperti keperluan sehari-hari dalam skala rumah tangga dan industri-industri besar seperti industri yang memproduksi bahan-bahan kimia baik organik maupun anorganik, farmasi, polimer, otomotif, perhiasan, pertambangan, pengolahan limbah dan bidang analisis (Riyanto, 2013).

Elektrolisis adalah suatu proses dimana reaksi kimia terjadi pada elektroda yang tercelup dalam elektrolit, ketika tegangan diterapkan terhadap elektroda itu. Elektroda yang bermuatan positif disebut anoda, dan elektroda yang bermuatan negatif disebut katoda. Selama elektrolisis, terjadi reduksi pada katoda dan oksidasi pada anoda (Keenan, 1992).

Elektroda adalah konduktor yang digunakan untuk bersentuhan dengan bagian atau media non-logam dari sebuah sirkuit (misal semikonduktor, elektrolit atau vakum). Elektroda dalam sel elektrokimia dapat disebut sebagai anoda atau katoda, kata-kata yang juga diciptakan oleh Faraday. Anoda ini didefinisikan sebagai elektroda di mana elektron datang dari sel elektrokimia dan oksidasi terjadi, dan katoda didefinisikan sebagai elektroda di mana elektron memasuki sel elektrokimia dan reduksi terjadi. Setiap elektroda dapat menjadi sebuah anode atau katode tergantung dari tegangan listrik yang diberikan ke sel elektrokimia tersebut (Wikipedia, 2015).

Reduksi menjelaskan penambahan elektron oleh sebuah molekul, atom, atau ion. Oksidasi menjelaskan pelepasan elektron oleh sebuah molekul, atom, atau ion (Suyuty, 2006).

Elektrolit adalah suatu zat yang larut atau terurai ke dalam bentuk ion-ion dan selanjutnya larutan menjadi konduktor. Elektrolit bisa berupa air, asam, basa atau berupa senyawa kimia lainnya. Elektrolit umumnya berbentuk asam, basa atau garam (Wikipedia, 2015).

Akibat aliran arus listrik searah ke dalam larutan elektrolit akan terjadi perubahan kimia dalam larutan tersebut. Menurut Michael Faraday (1834) lewatnya arus 1 F mengakibatkan oksidasi 1 massa ekivalen suatu zat pada suatu elektroda (anoda) dan reduksi 1 massa ekivalen suatu zat pada elektroda yang lain (katoda).

Hukum Faraday I : Massa zat yang timbul pada elektroda karena elektrolisis berbanding lurus dengan jumlah listrik yang mengalir melalui larutan.

                        W = Ar.I.t / n.F 

Keterangan:

W   = massa zat yang diendapkan (gr)

I      =  kuat arus listrik (A)

t      = waktu (s)

Ar   = massa atom relatif

n     = valensi ion

F     = bilangan Faraday (96500 C) (Romdhoni, 2007).

A.  Jenis-jenis sel elektrokimia:

-       Sel Galvani

Sel galvani adalah sel dimana energi bebas dari reaksi kimia diubah menjadi energi listrik. Disebut juga sebagai sel elektrokimia. Hubungan antara energi bebas dari reaksi kimia dengan tegangan sel dinyatakan dengan persamaan

                                DG = -nFE

Dimana F adalah Faraday, E adalah e.m.f sel (dalam volt) dan n adalah jumlah molekul elektron yang berperan pada reaksi kesetimbangan.

Anoda pada sel galvani, bermuatan negatif disebabkan oleh reaksi kimia yang spontan, elektron akan dilepaskan oleh elektroda ini. Pada sel galvani, katoda bermuatan positif bila dihubungkan dengan anoda. Ion bermuatan positif mengalir ke elektroda ini untuk direduksi oleh elektron-elektron yang datang dari anoda.

Gambar 1.1.  Sel Galvani

-       Sel Elektrolisis

Sel elektrolisis adalah sel dimana energi listrik digunakan untuk berlangsungnya suatu reaksi kimia. Sel ini merupakan kebalikan dari sel galvani. E.m.f yang diperlukan untuk berlangsungnya proses ini akan sedikit lebih tinggi daripada e.m.f. yang dihasilkan oleh reaksi kimia, dan ini didapat dari lingkungannya.

Reaksi kimia spontan menghendaki DG menjadi negatif. Apabila e.m.f. sel adalah positif, maka ini adalah sel galvani. Kesetimbangan akan terjadi bila DG dan E sama dengan nol. Reaksi dengan nilai E yang lebih positif akan terjadi lebih dahulu daripada reaksi-reaksi dengan e.m.f. yang kepositifannya lebih rendah.

Pada sel elektrolisis, sumber eksternal tegangan didapat dari luar, sehingga anoda bermuatan positif apabila dihubungkan dengan katoda. Dengan demikian ion-ion bermuatan negatif menglir ke anoda untuk dioksidasi.

Pada sel elektrolisis, katoda adalah elektroda yang bermuatan negatif. Ion-ion bermuatan positif (kation) mengalir ke elektroda ini untuk direduksi. Dengan demikian, di sel galvani elektron bergerak dari anoda ke katoda dalam sirkuit eksternal. Sedangkan di sel elektrolisis, elektron didapat dari aki/baterai eksternal, masuk melalui katoda dan keluar lewat anoda (Dogra, 1990).

Gambar 1.2. Sel Elektrolisis

B.  Jenis-jenis elektroda

Elektroda ada 2 macam yaitu :

-       inert (tidak mudah bereaksi, ada 3 macam zat yaitu platina (Pt), emas (Aurum/Au), dan karbon (C))

-       tak inert (mudah bereaksi, zat lainnya selain Pt, C, dan Au) (Wikibooks,2015).

Faktor yang berpengaruh pada elektrolisis adalah konsentrasi elektrolit, sirkulasi elektrolit, rapat arus, tegangan, jarak anoda-katoda, rasio dan bentuk anoda-katoda, temperatur, daya tembus, aditif, dan kontaminasi (Sopiah, 2008).

Ada berbagai macam reaksi pada sel elektrolisis, yaitu:

a.    Reaksi yang terjadi pada katoda

-   Jika kation merupakan logam golongan IA (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), IIA (Be, Mg, Cr, Sr, Ba, Ra), Al, dan Mn, maka reaksi yang terjadi adalah

     2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^-

-       Jika kationnya berupa H⁺, maka reaksinya 2H⁺ + 2e → H₂

-       Jika kation berupa logam lain, maka reaksinya (nama logam)^x+ + xe → (nama logam)

b.    Reaksi yang terjadi pada anoda

-       Jika elektroda inert (Pt, C, dan Au), ada 3 macam reaksi:

-       Jika anionnya sisa asam oksi (misalnya NO₃^-, SO₄^2-), maka reaksinya 

2H₂O → 4H⁺ + O₂ + 4e

-       Jika anionnya OH^-, maka reaksinya 4OH^- → 2H₂O + O₂ + 4e

-       Jika anionnya berupa halida (F^-, Cl^-, Br^-), maka reaksinya adalah 

2X(halida) → X(halida)₂ + 2e

-       Jika elektroda tak inert (selain 3 macam di atas), maka reaksinya L^x+ + xe (Wikibooks, 2015).

Apabila harga E° atom-atom logam diurutkan dari E° yang terkecil sampai E° yang terbesar, maka akan kita peroleh suatu deret kereaktifan logam yang disebut deret volta. Di antara anggota deret volta tersebut adalah:

Li–K–Ba–Ca–Na–Mg–Al–Mn–Zn–Fe–Ni–Sn–Pb–H–Sb–Bi–Cu–Hg–Ag–Pt–Au

               E=0

- Dari kiri ke kanan, harga E° makin besar (makin mudah mengalami reduksi)

- Dari kiri ke kanan kereaktifan logam makin berkurang, sehingga logam yang letaknya di sebelah kiri pada deret volta, dalam reaksi kimia dapat mendesak logam di sebelah kanannya (Winarti, 2006).

Jika sumber tegangan luar diatur tepat 1,10 V dan menutup kunci saklar, jarum amperemeter tidak akan menunjukkan arus. Hal ini disebabkan sumber tegangan luar (DC) dan sel galvani yang saling dihubungkan berlawanan tepat setimbang. Akibatnya tidak satupun ada aliran elektron yang dapat mengalir melalui sistem ini. Tetapi jika kita memberikan tegangan luar lebih kecil dari 1,00 V, elektron akan mengalir dari elektroda seng menuju elektroda tembaga melalui rangkaian luar. Hal ini berarti reaksi sel sedang berlangsung spontan dari kiri ke kanan dan sistemnya disebut sel galvani. Sebaliknya, jika pada sel elektrokimia tersebut diberikan suatu voltase yang lebih besar dari 1,00 V, maka aliran arus akan mengalir tetapi arah aliran akan berlawanan dengan arah sel galvani, yaitu arah aliran elektron akan bergerak dari kutub negatif sumber tegangan DC masuk ke dalam elektroda seng dan elektroda akan mengalir keluar dari elektroda tembaga menuju ke dalam rangkaian luar sumber tegangan DC yang berkutub positif (Soebagio, 2007).

Aplikasi elektrolisis antara lain adalah :

-       Pembuatan Gas di Laboratorium

Sel elektrolisis banyak digunakan dalam industri pembuatan gas misalnya pembuatan gas oksigen, gas hidrogen, atau gas klorin. Untuk menghasilkan gas oksigen dan hidrogen, Anda dapat menggunakan larutan elektrolit dari kation golongan utama (K⁺, Na⁺) dan anion yang mengandung oksigen (SO₄^2-, NO^3-) dengan elektrode Pt atau karbon. Reaksi elektrolisis yang menghasilkan gas, misalnya elektrolisis larutan Na₂SO₄ menggunakan elektroda karbon.

Reaksi yang terjadi : Na₂SO_4(aq)       →           2Na⁺_(aq)   + SO₄^2-

    →Katode (C)              : 2H₂O_(l) + 2e^-                   2OH^-_(aq)   + H_2(g)

    →Anode (C)               : 2H₂O_(l)                      4e^- + 4H⁺ + O_2(g)

Karena pada katoda dan anoda yang bereaksi adalah air, semakin lama air semakin berkurang sehingga perlu ditambahkan. Perlu diingat bahwa walaupun yang bereaksi air, tidak berarti elektrolit Na₂SO₄ tidak diperlukan. Elektrolit ini berguna sebagai penghantar arus listrik.

-       Proses penyepuhan

Penyepuhan suatu logam emas, perak, atau nikel, bertujuan menutupi logam yang penampilannya kurang baik atau menutupi logam yang mudah berkarat. Logam-logam ini dilapiasi dengan logam lain yang penampilan dan daya tahannya lebih baik agar tidak berkarat. Misalnya mesin kendaraan bermotor yang terbuat dari baja umumya dilapisi kromium agar terhindar dari korosi . Beberapa alat rumah tangga juga disepuh dengan perak sehingga lebih awet dan penampilannya tampak lebih baik. Badan sepeda titanium dilapisi titanium oksida (TiO₂) yang bersifat keras dan tidak dapat ditembus oleh oksigen atau uap air sehingga terhindar dari reaksi oksida yang menyebabkan korosi. Korosi adalah reaksi redoks yang terjadi pada logam, sehingga membentuk senyawa logam tersebut. Peristiwa korosi ini dipengaruhi oleh lingkungan, seperti udara, uap air, dan beberapa gas yang bersifat korosif. Faktor-faktor lain yang dapat mempercepat perkaratan adalah pH larutan, adanya suatu garam, atau kontak dengan logam lain yang mempunyai E° lebih besar (Winarti, 2006).

Prinsip kerja proses penyepuhan adalah penggunaan sel dengan elektrolit larutan dan elektroda reaktif. Contoh jika logam atau cincin dari besi akan dilapisi emas digunakan larutan elektrolit AuCl_3(aq). Logam besi (Fe) dijadikan sebagai katoda, sedangkan logam emasnya (Au) sebagai anoda. Reaksi yang berlangsung dalam proses penyepuhan besi dengan emas yaitu :

            AuCl_3(aq)            →        Au³⁺_(aq) + 3Cl^-_(aq)

Katode (cincin Fe) :    Au³⁺_(aq) + 3e^-  →                 Au_(s)

→Anode (Au)            :    Au_(s)                           Au³⁺_(aq) + 3e^-

Proses yang terjadi yaitu oksidasi logam emas (anoda) menjadi Au³⁺(aq). Kation ini akan bergerak ke katoda menggantikan kation Au³⁺ yang direduksi di katoda. Kation Au³⁺ di katoda direduksi membentuk endapan logam emas yang melapisi logam atau cincin besi. Proses ini cukup murah karena emas yang melapisi besihanya berupa lapisan tipis.

-       Proses Pemurnian logam kotor

Proses pemurnian logam kotor banyak dilakukan dalam pertambangan. Logam transisi yang kotor dapat dimurnikan dengan cara menempatkannya sebagai anoda dan logam murni sebagai katoda. Elektrolit yang digunkan adalah elektrolit yang mengandung kation logam yang dimurnikan. Contoh : proses pemurnian nikel menggunakan larutan NiSO₄, nikel murni digunkan sebagai katoda, sedangkan nikel kotor (logam yang dimurnikan) digunakan sebagai anoda. Reaksi yang terjadi, yaitu:

         NiSO_4(aq)           →         Ni²⁺_(aq) + SO₄^2-_(aq)

Katode (Ni murni) : Ni²⁺_(aq) + 2e^-  →             Ni_(s)

Anode ( Ni kotor) :  Ni_(s)               →             Ni²⁺_(aq) + 2e^-

Logam nikel yang kotor pada anoda dioksidasi menjdi ion Ni²⁺. Kemudian, ion Ni²⁺ pada katoda direduksi membentuk logam Ni dan bergabung dengan katoda yang merupakan logam murni. Kation Ni²⁺ di anoda bergerak ke daerah katoda menggantikan kation yang direduksi. Untuk mendapatkan logam nikel murni (di katoda) harus ada penyaringan sehinggga kotoran (tanah, pasir dan lain-lain) hanya berada di anoda dan tidak berpindah ke katoda sehingga daerah di katoda merupakan daerah yang bersih (Wikipedia, 2015).

1.3.       Tinjauan Bahan

A.       Aquadest

-        rumus molekul          : H₂O

-        bentuk fisik               : cairan tak berwarna dan tidak berbau

-        berat molekul            : 18,02 gram/mol

-        densitas                     : 1 g/cm³

-        pH                             : 7

-        titik didih                  : 100 ^oC (212 ^oF)

B.        Natrium Klorida

-        rumus molekul          : NaCl

-        bau                            : sedikit berbau

-        bentuk                       : bubuk kristal padat

-        berat molekul            : 58,44 g/mol

-        pH                             : 7 (netral)

-        titik leleh                   : 801 ^oC (1473,8 ^oF)

-        titik didih                  : 1413 ^oC (2575 ^oF)

-        warna                        : putih

C.        Seng Sulfat Heptahidrat

-        rumus molekul          : ZnSO_4.7H₂O

-        bentuk                       : Kristal

-        berat molekul            : 287.55 g/mol

-        densitas                     : 3.54 g/cm³

-        pH                             : 4,4-6

-        titik leleh                   : 100 ^oC (212 ^oF)

-        warna                        : putih

D.        Tembaga Sulfat Pentahidrat

-        rumus molekul          : CuSO4.5H₂O

-        bau                            : tidak berbau

-        bentuk                       : padat

-        berat molekul            :  249,69 gram/mol

-        densitas                     : 2,28 g/cm³

-        titik leleh                   : 110 ^oC (230 ^oF)

-        titik didih                  : 150 ^oC (302 ^oF)

         -    warna                        : biru

1.4.    Alat dan Bahan

A.       Alat-alat yang digunakan:

-       batang pengaduk

-       Beakerglass 200 mL

-       botol aquadest

-       corong kaca

-       kabel penjepit

-       penggaris

-       pipa u

-       voltmeter

B.       Bahan-bahan yang digunakan:

-       agar-agar

-       Aquadest

-       elektroda (Zn,Cu)

-       natrium klorida (NaCl)

-       seng sulfat heptahidrat (ZnSO_4.7H₂O)

-       tembaga sulfat pentahidrat (CuSO_4.5H₂O)

1.5.       Pembahasan

-       Dari hasil praktikum terdapat perbedaan pada larutan elektrolit dengan elektroda sebelum dan sesudah proses elektrolisis, yaitu larutan ZnSO₄  menjadi keruh dan larutan CuSO₄ yang timbul gelembung. Serta elektroda Zn yang lebih mengkilat sedangkan eletroda Cu mengalami karat (korosi).

-       Dari percobaan, arus listrik yang dihasilkan larutan ZnSO₄ dan CuSO₄ kemudian dimasukkan elektroda Zn dan Cu adalah sebesar 1,10 Volt. Hal ini terbukti sama dengan teori yang mengatakan potensial yang dihasilkan adalah 1,10 Volt.

1.6.       Kesimpulan

Pada percobaan elektrolisis, energi listrik yang dihasilkan adalah 1,10 Volt dengan menggunakan larutan CuSO₄ dan ZnSO₄ serta elektroda logam Zn dan Cu. Hal ini terbukti dengan teori yang yang mengatakan potensial yang dihasilkan adalah 1,10 Volt.

Jika ada yang mau berdiskusi dipersilahkan, keep healthy and safety. Semangat terus pejuang sarjana...