SEL ELEKTROLISIS

Sel Elektrolisis

Tujuan Pembelajaran

Setelah membaca dan melakukan kegiatan pembelajaran peserta didik dapat:

1. Dapat menuliskan reaksi pada katoda dan anoda pada sel elektrolisis.
2. Merancang dan menyajikan hasil suatu percobaan elektrolisis larutan garam dapur secara mandiri. 

A.       Uraian Materi

Apakah yang terpikirkan oleh kalian setelah menyimak dan memperhatikan gambar di bawah ini?

Figure 1. Hydrogen Fuel

Figure 2. Fosil Fuel

Sepintas baik Gambar 1 maupun Gambar 2 nampak sama, yakni mobil sedang mengisi Bahan Bakar. Namun apakah bahan bakarnya sama? Berbeda bukan? Pada Gambar 1 sedang mengisi bahan bakar berupa gas hidrogen (Mobil berbahan bakar hidrogen),  sedangkan Gambar 2 mengisi bahan bakar jenis Pertamax atau Pertalite (mobil berbahan bakar minyak /BBM).

Tahukah kalian bahwa saat ini sudah banyak mobil menggunakan bahan bakar gas hidrogen? Juga tahukah kalian bahwa air (H₂O) adalah sumber gas hidrogen yang melimpah? Lantas bagaimana memprodeuksi gas hidrogen dari air? Apakah ada sumber gas hidrogen selain air? Untuk menjawab pertanyaan tersebut, pada pembahasan kali ini akan menjelaskan tentang Sel Elektrolisis. 

a.       Arus listrik

Setiap aliran muatan listrik adalah arus listrik. Arus ini terdiri dari pergerakan elektron valensi suatu atom logam. Ini disebut konduksi logam. Ini terjadi dalam suatu rangkaian listrik, seperti dalam jaringan kabel-kabel listrik rumah tangga, dan dalam banyak peralatan listrik dan lampu listrik. Aliran elektron ini tidak terbatas pada logam saja. Dapat juga terjadi dalam semua perangkat elektronik seperti tabung vakum dan transistor.

Arus listrik juga dapat terjadi ketika ion positif dan ion negatif bergerak di sepanjang rangkaian tertutup. Arus seperti ini disebut konduksi ionik. Baik elektron dan ion membawa arus. Dalam topik elektrolisis, topik ini, aliran arus listrik terjadi oleh keduanya (elektron dalam logam dan ion dalam larutan).

Gambar 3. Rangkaian Listrik dengan baterai yang terhubung ke bola lampu

Baik elektron maupun ion tidak mengalir melalui konduktor secara spontan. Musti diberikan daya listrik salah satu caranya adalah dengan baterai. Gambar 1 menunjukkan baterai yang terhubung ke bola lampu. Baterai memiliki dua terminal yang ditandai - dan +. Terminal yang ditandai -, disebut terminal negatif, memiliki kelebihan muatan negatif. Terminal yang ditandai +, yang disebut terminal positif memiliki kelebihan muatan positif. Muatan negatif di terminal negatif baterai melepas elektron dan mendorong menuju ke salah satu ujung filamen bola lampu. Muatan positif pada terminal positif menerima elektron dan menariknya keluar dari ujung filamen lainnya. Hasilnya adalah arus elektron yang terus menerus, atau arus listrik, melalui filamen. Arus yang diproduksi oleh baterai adalah arus langsung. Rangkaian listrik ini berjalan melalui penghantar (kawat/konduktor/kabel) namun hanya satu arah saja. (Berbeda dengan arus listrik dalam rumah tangga yang diproduksi PLN.)

Arus listrik yang melewati filamen bohlam / lampu menyebabkan filamen tersebut bersinar terang. Energi untuk mendorong arus listrik dan menghasilkan cahaya dan panas dalam filamen berasal dari reaksi kimia dalam baterai. (Telah dibahas dalam bab sebelumnya bagaimana rekasi kimia melepaskan energi listrik / Sel Volta).

b.       Elektrolit dan Arus listrik

Misalkan kita sekarang menghubungkan baterai ke larutan elektrolit, menggunakan dua elektroda yang terbenam dalam larutan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. (Ingat dari Bab Larutan elektrolit dan non elektrolit) bahwa larutan elektrolit dapat menghantar arus listrik. Di sini, terminal negatif dari baterai mendorong elektron menuju ke salah satu elektroda (membuatnya elektroda negatif). Sedangkan Terminal positif menarik elektron dari elektroda lainnya, menjadikannya elektroda positif.

Gambar 4. Rangkaian listrik melalui larutan elektrolit

Kita tahu bahwa jika kita memiliki bohlam (seperti telah dibahas di kelas X; larutan Elektrolit dan Non Elektrolit), maka akan menyala atau redup dan ada gelembung pada elektroda. Hal ini memperlihatkan bahwa ada arus listrik yang terus-menerus mengalir melalui larutan. Anda mungkin berpikir, kemudian, bahwa elektron memasuki larutan melalui elektroda negatif terus mengalir melalui larutan menuju ke elektroda bermuatan positif. Namun, bukan ini yang sebenarnya terjadi. Sebaliknya, reaksi kimia terjadi di setiap elektroda.

Pada elektroda negatif, elektron diterima oleh molekul atau ion. (Ingat: bahwa suatu zat yang menerima elektron disebut reduksi). Dengan demikian, reaksi reduksi terjadi di elektroda negatif. Pada elektroda positif, terjadi reaksi oksidasi. Di sini, sebuah molekul atau ion menyerahkan elektron ke elektrode.

Coba lihat Gambar 4, elektron yang mengalir ke elektroda negatif dari baterai diambil oleh reaksi reduksi. Elektron yang ditarik dari elektroda positif digantikan oleh elektron yang diserahkan oleh reaksi oksidasi. Dengan menghapus elektron pada katoda dan menggantinya di anoda, reaksi dalam larutan menjaga elektron mengalir di sirkuit eksternal.

Ada juga aliran arus internal. Ion positif ditolak oleh elektroda positif dan tertarik ke elektroda negatif. Ion ini oleh karena itu bergerak dari positif ke elektroda negatif. Pada saat yang sama, ion negatif bergerak, untuk alasan yang sama, dari negatif ke elektroda positif. Pergerakan ion ini melalui larutan adalah arus listrik. Jalur ini melengkapi jalur listrik, atau sirkuit, dari satu terminal baterai ke terminal lainnya.

Ketika arus mengalir melalui elektrolit, larutan elektrolit disebut sirkuit internal. Arus yang bergerak melalui sirkuit internal terdiri dari ion dalam larutan. Kabel yang menghubungkan elektroda ke sumber arus, dan sumber arus itu sendiri — disebut sirkuit eksternal. Arus yang bergerak melalui elektroda dan kabel yang terpasang terdiri dari elektron yang bergerak. Sirkuit internal dan eksternal bukan dua sirkuit yang berbeda. Mereka adalah dua bagian dari sirkuit yang sama.

c.       Elektrolisis

Baru saja kita melihat bahwa ketika arus listrik mengalir melalui larutan elektrolit, reaksi reduksi terjadi pada elektroda negatif dan reaksi oksidasi terjadi pada elektroda positif. Reaksi ini sebenarnya adalah dua bagian dari reaksi redoks tunggal. Namun, dua bagian itu terjadi di berbagai tempat, satu di katoda dan yang lain di anode. Proses ini, dimana arus listrik membawa reaksi redoks dalam wujud cairan atau larutan, disebut elektrolisis.

Reaksi Redoks yang dihasilkan oleh elektrolisis tidak akan terjadi secara spontan dalam cairan atau larutan elektrolit. Reaksi terjadi karena energi dipasok oleh sumber arus listrik-dalam hal ini, reaksi kimia dalam baterai. Dalam beberapa bagian berikutnya, reaksi elektrolisis khas akan disajikan secara rinci. Diskusi dengan teman-temanmu akan membantu memahami prosesnya lebih lengkap. 

d.      Elektrolisis Natrium Klorida Cair (Electrolysis of molten Sodium Chloride)

Seperti yang kita ketahui bahwa natrium klorida padat terdiri dari ion natrium dan ion klorida dalam kisi-kisi kristal yang kaku. Ketika natrium klorida dipanaskan dengan suhu yang cukup tinggi, ia meleleh. Dalam bentuk cair, ion menjadi bebas untuk bergerak. Cairan natrium klorida kemudian dapat elektrolisasi. (hati-hati: ini adalah prosedur yang berbahaya dan hendaknya tidak dicoba.) Segera setelah arus dialirkan, ion positif natrium, Na⁺, tertarik ke elektroda negatif. Ion negatif klorida, Cl^-, bergerak ke arah berlawanan menuju elektroda positif. Lihat gambar 5. 

Figure 5. Electrolysis Molten Sodium Chlorida

Ketika ion natrium melakukan kontak dengan elektrodea negatif, mereka mengambil elektron dari elektroda. Elektron mereduksi ion natrium membentuk logam natrium. Logam natrium mengendap pada elektroda (melapisi elektroda). Perubahan kimianya dapat ditunjukkan melalui persamaan di bawah ini:

Na⁺        +        e^-    -->    Na (s)   ----> (Eq.1)

Ion natrium + elektron   --> atom logam natrium

Perhatikan bahwa persamaan 1 (Eq. 1) menyetarakan kedua atom natrium dengan perubahannya. Muatan negatif dari elektron menyeimbangkan muatan positif dari natrium, sehingga muatan bersih nol di kedua sisi panah.

Sementara ion natrium bergerak menuju elektroda negatif, ion klorida bergerak ke arah berlawanan menuju elektroda positif. Ketika ion klorida mencapai elektroda positif, mereka menyerahkan elektron ke elektroda. Setiap klorida menyerahkan satu elektron, sehingga teroksidasi menjadi atom klorin netral. Pasangan atom-atom kemudian bergabung membentuk molekul gas klorin. Perubahan kimia dapat diwakili oleh persamaan:

Perubahan kimia dapat diwakili oleh persamaan:

2Cl^-       ---->    Cl_{2 (g)}      +      2e^-   --- (Eq.2)

Ion kloride   ---->  molekul gas klorin + 2 elektron

Persamaan 1 adalah reduksi sedangkan persamaan 2 adalah oksidasi, seperti yang ditunjukkan oleh penurunan dan kenaikan jumlah bilangan oksidasi:

Na⁺      +       e^-   --->    Na (s)  ----- (Eq.1)

+1      turun     ---->      0

2Cl^-    -->    Cl_{2 (g)}      +    2e^-   ----- (Eq.2)

-1  naik  ---->  0

Persamaan 1 dan 2 mungkin tampak seperti 2 persamaan reaksi yang berbeda, tetapi sebenarnya keduanya adalah dua bagian dari reaksi yang sama - dekomposisi NaCl. (ingat bahwa oksidasi dan reduksi itu terjadi bersamaan. Suatu zat yang memberikan elektron harus dipasangkan oleh zat lain yang menerima elektron.) Karena persamaan 1 dan 2 adalah dua bagian reaksi yang sama, sehingga masing-masing reaksi disebut setengah reaksi. Reaksi lengkap dapat diperoleh dengan menambahkan dua setengah reaksi. Jadi, setengah-reaksi adalah oksidasi atau reduksi yang merupakan bagian dari reaksi redoks.

Sebelum kita dapat menambahkan persamaan 1 dan persamaan 2, kita perlu memodifikasi salah satu dari reaksi 1. Perhatikan bahwa hanya 1 elektron yang diperoleh dalam persamaan 1 (reduksi) sementara 2 elektron hilang dalam persamaan 2 (oksidasi). Jumlah elektron harus sama dalam setengah reaksi sebelum dapat ditambahkan. Jumlahnya dapat disetarakan dengan menggandakan semua unit dalam persamaan 1.

2(Na⁺    +     e^-  -->   Na)     ---- (Eq.3)

Atau

2Na⁺   +    2 e^-  --> 2Na       ---- (Eq.3)

Sekarang setengah reaksi dari persamaan 3 dapat ditambahkan ke setengah reaksi persamaan 2 untuk menghasilkan persamaan untuk reaksi.

2Na⁺      +   2 e^-   --> 2Na     ---- (Eq.3)

2Cl^-   ---->    Cl₂    +    2e^-     --- (Eq.2)

____________________________________

2Na⁺  + 2 Cl^-  --> 2Na  + Cl₂  --- (Eq.4)

Ion NaCl cair

Dalam membahas elektrolisis, sangat membantu untuk dapat membedakan antara kedua elektroda. Elektroda tempat oksidasi terjadi disebut anode. Elektroda tempat reduksi terjadi disebut katoda. Salah satu cara untuk menggabungkan istilah-istilah ini dengan benar adalah dengan mengingat bahwa dalam reaksi sederhana, anion dioksidasi pada anode dan kation direduksi pada katoda.

Pertanyaan untuk pemahaman:

Mengacu lagi pada elektrolit natrium klorida cair, (a) mengapa reaksi pada elektroda negatif yang disebut reduksi, (b) mengapa reaksi pada elektroda positif adalah oksidasi, (c) mengapa elektroda negatif adalah katoda, (d) mengapa elektroda positif adalah elektroda?

e.       Elektrolisis Air (Electrolysis of Water)

Jika anda menempatkan elektroda dari alat elektrolisis ke air murni, tidak ada yang terjadi. Ini tidak mengejutkan. Agar elektrolisis terjadi, harus ada ion yang tersedia untuk membawa muatan listrik melalui cairan. Meskipun air sedikit terionisasi menjadi ion H⁺ dan ion OH^-, konsentrasi ion ini terlalu kecil untuk menghasilkan perubahan yang terlihat di elektroda. Akan tetapi, jika hanya sedikit natrium sulfat yang larut dalam air, suatu perubahan yang dramatis dapat diamati. Gelembung gas hidrogen dilepaskan pada elektroda negatif dan gelembung gas oksigen di elektroda positif. Penambahan banyak elektrolit lainnya untuk air akan memiliki efek yang sama. Lihat gambar 6.

Figure 6. Electrolysis of Water

Ada perubahan yang jelas terjadi selama reaksi-reaksi ini, jika sebuah indikator, seperti litmus, ditambahkan pada larutannya, dan elektroda dimasukkan ke dalam ruang-ruang terpisah. Lihat gambar 6. Litmus memberi larutan warna ungu khas larutan netral. Setelah arus ini berjalan selama beberapa waktu, larutan di dalam ruang tempat hidrogen dibentuk menjadi biru.

Perubahan ini menunjukkan bahwa larutannya telah mengumpulkan kelebihan ion OH^-, di kompartemen ini. Larutan di kompartemen lain berubah merah, menunjukkan kelebihan ion H⁺. Ketika arus dimatikan setelah berjalan untuk sementara waktu, akan ditemukan bahwa massa natrium sulfat yang ada dalam larutan itu sama dengan pada mulanya. Dengan kata lain, sodium sulfat tidak dikonsumsi selama reaksi kita menyimpulkan bahwa hidrogen dan oksigen yang dilepaskan oleh elektrolisis berasal dari air.

Dari pengamatan bahwa hidrogen bebas dilepaskan pada elektroda negatif (katoda) dan ion OH^- terbentuk di sana, kita dapat menulis pengurangan setengah reaksi berikut:

Setengah reaksi di katoda (reduksi)

4H₂O + 4e^- ---> 2H_{2 (g)} + 4 OH^- --(Eq. 5)

(Ion OH^-  yang dihasilkan menunjukan sifat basa pada kompartemen)

Demikian pula, kita bisa menjelaskan gas oksigen dan ion H⁺ pada elektroda positif (anode) oleh oksidasi setengah reaksi berikut:

2 H₂O  ---> O_{2 (g)} + 4 H⁺    ---(Eq. 6)

(Ion H⁺  yang dihasilkan menunjukan sifat asam pada kompartemen) 

Reaksi lengkap dapat diperoleh dengan menambahkan dua setengah reaksi:

6H₂O ---> 2H_2(g) + O_2(g) + 4H⁺ + 4OH^-  --(Eq. 7)

Pada akhir reaksi, jika larutan dalam ruang anoda dan katoda dicampur, ion hidrogen dan ion hidroksida berpadu membentuk molekul air menurut rumus:

4H⁺  +   4OH^- ---> 4H₂O  ----(Eq. 8)

Jika elektrolisis dilakukan dengan kedua elektroda dalam kompartemen yang sama (yaitu. Tanpa kompartemen terpisah untuk elektroda), ion hidrogen dan ion hidrooksida membentuk molekul air segera setelah terbentuk. Kemudian, persamaan untuk reaksi lengkap hanya yang diperoleh dengan menambahkan persamaan 7 dan 8:

6H₂O ---> 2H_{2 (g)} + O_{2 (g)} + 4H⁺ + 4OH^-  --(Eq. 7)

4 H⁺  +   4 OH^-   ---> 4 H₂O      ---(Eq. 8)

_____________________________________

2H₂O   --> 2H_{2 (g)} + O_{2 (g)}     ---- (Eq. 9)

Jika reaksi elektrolisis hanya melibatkan air, mengapa natrium sulfat diperlukan untuk proses elektrolisis? Alasannya adalah bahwa ketika elektrolisis air mulai, ion hidroksida negatif dengan cepat menumpuk di dekat elektroda negatif (lihat Eq. 5) dan ion hidrogen positif terakumulasi di dekat elektroda positif (lihat Eq.6). Sejumlah besar seperti muatan di dekat setiap elektrode bertindak untuk mencegah aliran elektron lebih jauh dari baterai ke sekuen dan dari anode ke baterai. Yaitu, arus berhenti mengalir hampir segera setelah dimulai, dan reaksi berhenti, atau berlangsung sangat lambat. Namun, ketika ada ion lain yang ada dalam larutan, mereka dapat dengan cepat bergeser posisi untuk menetralkan kelebihan muatan listrik. Ion natrium yang positif tertarik pada muatan negatif katoda, dan ion sulfat negatif tertarik pada muatan positif anoda. Seperti yang telah kita perhatikan, pergerakan ion ini merupakan arus listrik. Ini melengkapi sirkuit listrik melalui larutan dan memungkinkan reaksi untuk berlangsung dengan cepat.

Natium sulfat bukan satu-satunya elektrolit yang mempercepat elektrolisis air. Setiap elektrolit akan memiliki efek yang sama jika ion tidak bereaksi sendiri di salah satu elektroda. Asam sulfat sering digunakan. Namun, natrium klorida tidak cocok. Seperti yang akan kita lihat di bagian berikutnya, ion klorida, Cl^-, lebih mudah teroksidasi di anode daripada air. Gas klorida akan dibentuk di sana bukan oksigen. Apakah ada elektrolit lain selain sodium sulfat? apakah amonia? tuliskan komentar kalian di bagian kolom komentar.

f.    Elektrolisis larutan natrium klorida (Electrolysis of Concentrated Sodium Chloride Solution)

Sebuah larutan natrium klorida mengandung ion natrium, Na+, ion klorida, CI^-, dan molekul air. H₂O. (konsentrasi yang sangat rendah dari ion hidrogen dan ion hidroksida juga hadir dari ionisasi air.) Molekul air lebih mudah direduksi daripada ion natrium. Oleh karena itu, reaksi yang terjadi di katoda sama dengan reaksi yang terjadi dalam elektrolisis air. Gelembung gas hidrogen dari katoda dihasilkan.

Akan tetapi, ion klorida dalam konsentrasi sedang lebih mudah teroksidasi daripada molekul air. Oleh karena itu, gas klorin, bukan gas oksigen dibentuk di anode.

Tantangan / Tugas!

Gabungkan potongan-potongan kata dalam tautan ini menjadi kalimat yang bermakna tepat

https://bit.ly/belajardarirumahsaja atau 

https://drive.google.com/file/d/11SY6ck4b3-WQ-L9TiV6A7G0j2rFeNoOF/view?usp=sharing

Kuis Akhir Belajar

Menunggu tautan di posting....

Referensi:

Dorin, Henry. (1987). Chemistry: The Study of Matter (2nd ed). New York: Allyn and Bacon, Inc.

Wiyati, Arni. (2020). Sel Elektrolisis (Modul Pembelajaran SMA Kimia Kelas XII). Direktorat SMA, Direktorat Jenderal PAUD, DIKDAS dan DIKMEN: Jakarta

To be Continue