Elektrokimia

Elektrolisis air merupakan proses untuk menghasilkan gas H2 dan O2 murni dengan pemanfaatan energi listrik pada sistem. Proses ini lebih ditujukan pada produksi H2. Selama ini produksi H2 dengan elektrolisis air kurang populer dalam skala industri. Elektrolisis merupakan proses kimia yang mengubah energi listrik menjadi energi kimia. Elektrolisis adalah peristiwa penguraian elektrolit oleh arus listrik searah dengan menggunakan dua macam elektroda. Elektroda tersebut adalah katoda (elektroda yang dihubungkan dengan kutub negatif) dan anoda (elektroda yang dihubungkan dengan kutub positif).Komponen yang terpenting dari proses elektrolisis ini adalah elektrode dan larutan elektrolit.

Elektroda yang digunakan dalam proses elektolisis dapat digolongkan menjadi dua, yaitu:

• Elektroda inert, seperti kalsium (Ca), potasium, grafit (C), Platina (Pt), dan emas (Au).
• Elektroda aktif, seperti seng (Zn), tembaga (Cu), dan perak (Ag).

Elektrolitnya dapat berupa larutan berupa asam, basa, atau garam, dapat pula leburan garam halida atau leburan oksida. Kombinasi antara larutan elektrolit dan elektrode menghasilkan tiga kategori penting elektrolisis, yaitu:

1. Elektrolisis larutan dengan elektrode inert
2. Elektrolisis larutan dengan elektrode aktif
3. Elektrolisis leburan dengan elektrode inert

Pada elektrolisis, katode merupakan kutub negatif dan anode merupakan kutub positif. Pada katode akan terjadi reaksi reduksi dan pada anode terjadi reaksi oksidasi.

Pada anoda terjadi reaksi oksidasi, yaitu anion (ion negatif) ditarik oleh anoda dan jumlah

elektronnya berkurang sehingga bilangan oksidasinya bertambah.

a. Ion OH dioksidasi menjadi H2O dan O2. Reaksinya:

4OH (aq) ¾® 2H2O ( l ) + O2 (g) + 4e

b. Ion sisa asam yang mengandung oksigen (misalnya NO3, SO4) tidak dioksidasi, yang

dioksidasi air. Reaksinya:

2H2O ( l ) ¾® 4H+ (aq) + O2 (g) + 4e

c. Ion sisa asam yang lain dioksidasi menjadi molekul. Contoh:

2Cl (aq) ¾® Cl2 (g) + 2e

Pada katoda terjadi reaksi reduksi, yaitu kation (ion positif) ditarik oleh katoda dan

menerima tambahan elektron, sehingga bilangan oksidasinya berkurang.

a. Ion H+ direduksi menjadi H2. Reaksinya:

2H+ (aq) + 2e  ¾® H2 (g)

b. Ion logam alkali (IA) dan alkali tanah (IIA) tidak direduksi, yang direduksi air.

2H2O (aq) + 2e  ¾® H2 (g) + 2OH  (aq)

c. Ion logam lain (misalnya Al3+, Ni2+, Ag+ dan lainnya) direduksi. Contoh:

Al3+ (aq) + 3e  ¾® Al (s)

Ni2+ (aq) + 2e  ¾® Ni (s)

Ag+ (aq) + e ¾® Ag (s)

Contoh elektrolisis:

a. Elektrolisis larutan HCl dengan elektroda Pt, reaksinya:

2HCl (aq) ¾® 2H+ (aq) + 2Cl  (aq)

Anoda:      2Cl  (aq) ¾® Cl2 (g) + 2e (Oksidasi)

Katoda:     2H+ (aq) + 2e  ¾® H2 (g) (Reduksi)

——————————————————————— +

                 2HCl (aq) ¾® H2 (g) + Cl2 (g) (Redoks)

Sel Galvani

Pada elektrolisis, energi listrik diubah menjadi energi kimia. Pada sel galvani terjadi sebaliknya, yaitu energi kimia diubah menjadi energi listrik. Sel Galvani disebut juga sel kimia. Sel Galvani dipakai sebagai sumber listrik untuk penerangan, pemanasan, menjalankan motor, dan sebagainya. Sel Galvani atau sel kimia dapat dibedakan menjadi sel kimia dengan transference dan sel kimia tanpa transference.

Reaksi Redoks

a.       Reaksi spontan

Reaksi kimia yang dapat menghasilkan arus listrik.

Esell          = positive (+) (potensial)

∆G             = negative (-) (Energi bebas Gibbs)

Nilai k > 1 (k= tetapan kesetimbangan)

b.      Reaksi Non Spontan

Arus listrik dapat menghasilkan /menyebabkan reaksi kimia.

Esell          = negative (-)

∆G             = positive (-)

Nilai k < 1

Energy dimana ketika sebuah bahan –bahan bertemu / disatukan dalam sebuah system.

Contoh : - baterai

               -aki

               -Fuel cell

Sel kimia tanpa transference

Sel kimia tanpa transference contohnya sel accu, sel Leclanche, dan sel bahan bakar.

1). Sel Accu

Pada sel accu, sebagai kutub negatif adalah logam Pb, kutub positif adalah logam Pb

dilapis PbO2 dan elektrolitnya adalah larutan H2SO4. Setiap pasang sel menghasilkan voltage (E)

sebesar } 2 volt.

Pb(s) + SO4^2- (aq) ¾® PbSO4 (s) + 2e￣

PbO2 (s) + SO4^2- (aq) + 4H+ (aq) + 2e￣ ¾® PbSO4 (aq) + 2H2O ( l )

——————————————————————— +

Pb (s) + PbO2 (s) + 2H2SO4 (aq) ¾® 2PbSO4 (s) + 2H2O ( l )

2). Sel Leclanche (sel kering)

Sel Leclance contohnya batu baterai. Pada batu baterai biasa, sebagai kutub negatif adalah

logam Zn, kutub positif adalah batang grafit (C) dibungkus MnO2 dan elektrolitnya adalah pasta

NH4Cl dan ZnCl2. Potensial listrik (Voltage) yang dihasilkan } 1,5 volt. Reaksi oksidasi dan

reduksi yang terjadi adalah:

Zn (s) ¾® Zn2+ (aq) + 2e￣

2MnO2 (s) + H2O ( l ) + 2e￣ ¾® Mn2O3 (s) + 2OH ￣(aq)

————————————————————————————————— +

Zn (s) + 2MnO2 (aq) + H2O ( l ) ¾® Zn2+ (aq) + 2OH ￣ (aq) + Mn2O3 (s)

Terjadi juga reaksi lain, yaitu OH￣ yang terbentuk bereaksi dengan NH4Cl menghasilkan NH3,

selanjutnya NH3 yang terjadi diikat Zn2+

2NH4Cl (aq) + 2OH ￣ (aq) ¾® 2NH3 (aq) + 2Cl ￣ (aq) + 2H2O ( l )

Zn 2+ (aq) + 4NH3 (g) + 4Cl ￣ (aq) ¾® [Zn(NH3)4]Cl2 (s)

Pada batu baterai biasa yang menggunakan anoda logam Zn, katoda batang C, dan elektrolitnya

pasta berair dari campuran NH4Cl, MnO2, dan serbuk C, reaksi oksidasi dan reduksi yang terjadi

adalah:

Zn (s) ¾® Zn2+ (aq) + 2e￣

2MnO2 (s) + 2H2O ( l) + 2e￣ ¾® 2MnO(OH) (s) + 2OH ￣(aq)

————————————————————————————————— +

Zn (s) + 2MnO2 (aq) + 2H2O ( l ) ¾® Zn2+ (aq) + 2MnO(OH) (s) + 2OH ￣ (aq)

Reaksi lainnya yaitu OH ￣ yang terbentuk bereaksi dengan NH4

+ menghasilkan NH3, selanjutnya NH3 yang terjadi diikat Zn2+

2NH4+ (aq) + 2OH ￣ (aq) ¾® 2NH3 (aq) + 2H2O ( l )

Zn 2+ (aq) + 2NH3 (g) + 2Cl ￣ (aq) ¾® [Zn(NH3)2]Cl2 (s)

Elektrokimia

Pada batu baterai alkaline, sebagai anoda digunakan Zn, sebagai katoda MnO2, dan sebagai

elektrolitnya KOH. Potensial listrik yang dihasilkan } 1,5 volt. Reaksi oksidasi reduksi yang

terjadi adalah:

Zn2+(aq) + 2OH ￣ (aq) ¾® Zn(OH)2 (s) + 2e￣

2MnO2 (s) + 2H2O ( l ) + 2e￣ ¾® 2MnO(OH) (s) + 2OH ￣(aq)

————————————————————————————————— +

Zn (s) + 2MnO2 (aq) + 2H2O ( l ) ¾® Zn(OH)2 (s) + 2MnO(OH) (s)

Pada baterai perak oksida - zink seperti yang biasa digunakan pada arloji, sebagai anoda

digunakan Zn, sebagai katoda digunakan Ag2O, dan sebagai elektrolitnya KOH. Potensial listrik

yang dihasilkan } 1,5 volt. Reaksi oksidasi dan reduksi yang terjadi adalah:

Zn

(s) + 2OH ￣ (aq) ¾® Zn(OH)2 (s) + 2e￣

Ag2O (s) + H2O (l ) + 2e￣¾® 2Ag (s) + 2OH ￣(aq)

——————————————————————————— +

Zn (s) + Ag2O (s) + H2O (l ) ¾® Zn(OH)2 (s) + 2Ag (s)

Pada baterai nikel - kadmium yang dapat dicas ulang, potensial listrik yang dihasilkan } 1,35 volt.

Reaksinya dapat berlangsung bolak-balik, yaitu:

Cd (s) + 2Ni(OH)3 (s) ¾® CdO (s) + 2NI(OH)2 (s) + H2O (l)

3). Sel bahan bakar (fuel cell)

Sel bahan bakar biasanya menggunakan oksigen pada kotoda dan suatu gas yang dapat

dioksidasi pada anoda, biasanya gas hidrogen. Reaksinya adalah:

H2 (g) + 2OH ￣ (aq) ¾® 2H2O (g) + 2e￣

O2 (g) + H2O (g) + 2e￣ ¾® HO2￣ (aq) + OH ￣(aq)

HO2￣ (aq) ¾® 1/2 O2 (g) + OH ￣(aq)

———————————————————————————— +

H2 (g) + 1/2 O2 (g) ¾® H2O (g)

Sel bahan bakar sudah banyak dikembangkan sebagai sumber penghasil listrik yang sangat bersih, ramah lingkungan, aman dan mempunyai resiko yang sangat kecil. Penggunaannya antara

lain untuk keperluan di rumah sakit, rumah perawatan, hotel, perkantoran, sekolah, bandar udara,

dan penyedia tenaga listrik, misalnya pembangkit tenaga listrik dalam pesawat ruang angkasa. Di Amerika, Eropa, dan Jepang sudah dikembangkan mobil ramah lingkungan yang menggunakan sel bahan bakar. Sebagai bahan bakar utamanya adalah gas hidrogen yang disimpan dalam tangki bahan bakar dan diberi tekanan yang tinggi sehingga mencair. Gas hidrogen dialirkan ke anoda dan pada katoda dialirkan gas oksigen yang diperoleh dari udara.