reaksi redoks dan elektrokimia

REDOKS DAN ELEKTROKIMIA

A. REAKSI REDOKS

Reaksi redoks merupakan reaksi kimia yang disertai perubahan bilangan oksidasi. Reaksi

redoks ini terdiri dari setengah reaksi reduksi dan setengah reaksi oksidasi. Reaksi reduksi ialah

reaksi yang disertai penurunan bilangan oksidasi (BO), sedangakan reaksi oksidasi ialah reaksi

yang disertai kenaikan bilangan oksidasi(BO).

Contoh :

Reduksi : (BO Cl dari 0 menjadi -1)

Oksidasi : (BO Na dari 0 menjadi +1)

Reaksi autoredoks adalah reaksi redoks yang reduktor dan oksidatornya merupakan unsure

unsure yang sama. Jadi, sebagai zat yang mengalami reduksi dan sebagian lagi mengalami

oksidasi. Reaksi ini disebut reaksi dispropersionasi. Diman Oksidator (pengoksidasi) adalah zat

yang mengalami reaksi reduksi, Sedangkan reduktor (pereduksi) merupakan zat yang mengalami

reasi oksidasi

Suatu reaksi redoks dikatakan setara bilamana hal-hal di bawah ini :

Jumlah atom yang sejenis di ruas kiri sama dengan ruas kanan

Jumlah muatan di ruas kiri sama dengan ruas kanan

Ada 2 metode dalam penyetaraan reaksi redoks yaitu :

Metode Setengah Reaksi

Metoda ini didasarkan pada jumlah electron yang dilepaskan pada setengah reaksi oksidasi

dan reaksi reduksi. Sebagai contoh penyetaraan reaksi sulfit dan permanganate dalam

larutan asam.

Langkah 1. Identifikasi spesies yang terlibat dalam perubahan bilangan oksidasi dan

tulislah persamaan setengah reaksi. Kalau dibandingkan bilangan oksidasi S

dalam adalah +4, sedangkan bilangan oksidasi S pada adalah +6.

Oksidasi setengah reaksi melibatkan perubahan ion sulfit menjadi ion sulfat.

Reaksi reduksi dalam reaksi tersebut ialah Mn dimana bilangan oksidasi Mn

Syefli Ewimia Darza

menurun dari +7 menjadi +2. Perubahan menjadi terjadi pada

setengah reaksi reduksi.

Oksidasi :

Reduksi :

Langkah 2. Seimbangkan ‘jumlah atom” dari tiap persamaan setengah reaksi. Untuk

mendapatkan jumlah atom yang sama dari persamaan setengah reaksi maka

sering ditambahkan dan (untuk larutan bersifat asam) atau OH –(untuk

larutan bersifat basa). Untuk larutan bersuasana asam tambahkan satu molekul

untuk tiap atom O yang diperlukan pada sisiyang kekurangan aton O.

Pada sisi lainnya dari persamaan setengah reaksi tambahkan dua H+ untuk tiap

molekul yang digunakan.

Oksidasi :

Reduksi :

Langkah 3. Seimbangkan “muatan listrik” dari setiap persamaan setengah reaksi. Pada sisi

kanan persamaan reaksi oksidasi tambahkan sejumlah electron agar kedua sisi

persamaan setengah reaksi mempunyai muatan keseluruhan yang sama.

Lakukan hal yang sama pada persamaan reaksi reduksi dengan penambahan

electron pada sisi kiri.

Oksidasi : (muatan tiap sisi, -2)

Reduksi : (muatan tiap sisi, +2)

Langkah 4. Dapatkan persamaan oksidasi-reduksi keseluruhan dengan mengabungkan

kedua persamaan setengah reaksi.

x 5

x 2

Syefli Ewimia Darza

Langkah 5. Sederhanakan. Bila persamaan keseluruhan mengandung senyawa yang sama

pada kedua sisinya, maka hapuskan senyawa tersebut pada sisi jumlahnya lebih

sedikit.

Langkah 6. Cek kembali. Pastikan bahwa persamaan reaksi tersebut seimbang baik jumlah

atom atau muatan.dimana pada reaksi diatas mempunyai muatan pada tiap sisi

persamaan adalah -6.

Metode Bilangan Oksidasi

Jumlah pertambahan bilangan oksidasi reduktor sama dengan jumlah penurunan bilangan

oksidasi pada oksidasi.

Langkah 1. Menentukan unsure yang mengalami perubahan bilangan oksidasi.

Contoh :

Langkah 2. Menyetarakan koefisien unsure yang mengalami perubahan bilangan oksidasi

Langkah 3. Menentukan jumlah pertambahan BO dan penurunan BO

∆BO = 5+

∆BO = 2-

Syefli Ewimia Darza

+2 +7+4 +2

Oksidasi : ∆BO = 5+

Reduksi : ∆BO = 2-

Sudah setara

Langkah 4. Menyamakan pertambahan dan penurunan BO

x 2

x 5

Langkah 5. Menyetarakan unsure lain

B. ELEKTROKIMIA

Dalam sel eltrokimia, reaksi redoks spontan yang menghasilkan listrik. Pada reaksi redoks

terjadi perpindahan aliran electron. Reduktor melepaskan electron ke oksidator sehingga adanya

perpindahan electron yang mengakibatkan adanya arus listrik.

Macam sel elektrokimia

1. Sel Galvani Atau Sel Volt

Sel volta ditemukan oleh ahli kimia italia, Alessandro Giusepper Volta(1745 – 1827) dan

Luigi Galvani(1737 – 1798). Dimana pada

percobaannya memperlihatkan komponen penting

dari sel galvani tersebut. Sebatang seng dicelupkan ke

dalam larutan dan sebatang tembaga

dicelupkan ke dalam larutan . Sel berkerja

berdasarkan asas bahwa oksidasi Zn menjadi Zn2+ dan

reduksi Cu2+ menjadi Cu. Batang seng dan batang

tembaga dinamakan elektroda. Berdasarkan definiso,

Anoda dalam sel galvani ialah elktroda tempat terjadinya oksidasi sedangkan Katoda ialah

elektroda tempat terjadinya reduksi.

Syefli Ewimia Darza

Elektroda Zn(Anoda) :

Eletroda Cu (Katoda) :

Untuk melengkapi rangkaian listriknya, kedua larutan harus dihubungkan oleh jembatan

garam yang berisi larutan elektrolit inert seperti KCl atau agar kation dan anion

dapat bergerang dari anoda ke katoda.

Arus listrik mengalir dari anoda ke katoda karema ada selisih eneri potensial listrik di

antara kedua elektroda. Dalam pembacaan arus listrik menunjukkan ada perbedaan

potensial diantara sel, karena perbedaan potensial ini merupakan “daya dorong” electron

maka sering disebut daya elektromotif(electromotive force/ emf) atau potensia sel(cell

potential) satuan yang digunakan untuk mengukur potensial listrik adalah volt, jadi

potential sel disebut juga voltase sel(cell voltage). Notasi konvensional untuk menyatakan

sel galvani ialah diagram sel. Jika diasumsikan bahwa konsentrasi ion Zn2+ dan ion Cu2+

masing-masing 1 M, maka digram selnya ialah

Dimana gatis tunggal menyatakan batas fasa, garis tegak ganda menyatakan jembatan

garam. Berdasarkan konvensi, anoda di tulis terlebih dahulu di sebelah kiri garis ganda

dan di ikuti secara berurut seiring dengan pergerakkannya (anoda ke katoda).

Potensial elektroda Standar

Andaikan kita mempunyai cara untuk memberikan harga kombinasi atau pasangan ion

logam-logam maka ada kemungkinan kita dapat menghitung potensial sel. Cara untuk

melakukan hal ini adalah memilih satu pasang tertentu dan memberikan harganya nol.

Pasanagn lainnya kemudian dapat dibandingkan terhadap elektrode acuan ini. Elektron

acuan untuk mengukur potensial ini di pilih elektrode hidrogen standar/ S.H.E (gambar

3). S.H.E melibatkan ion H+ dalam larutan dengan

aktivitas satu (a=1); untuk lebih sederhana diambil

1M H+. molekul H2 dalam keadaan gas mempunyai

tekanan 1 atm. Bentuk hidrogen teroksidasi (H+) dan

Syefli Ewimia Darza

tereduksi (H2) membuat kontak dengan permukaan logam platina mulia (inert) dan

memberikan suatu potensial yang karakteristik pada permukaan tersebut. Suhu yang

digunakan tepat 250C. Bentuk persamaanya adalah

E0 = 0 V

Untuk menentukan harga E0 perlu mengukur perbedaan potensial antara kedua elektrode,

dimana salah satu elektrode adalah S.H.E, sedangkan elektrode lainnya dari pengukuran.

Perbedaan potensial yang diukur adalah 0,337 V, dimana elektron mengalir dari H2

menuju elektrode Cu. Karena hal ini merupakan emf sel yang tersusun dari dua elektrode

standar maka disebut potensial sel standar(standar cell potential), E0sel

Reaksi yang terjadi dalam sel volta adalah

Oksidasi :

Reduksi :

Keseluruhan : E0sel = 0,337 V

Berdasarkan reaksi diatas maka Cu2+ (1 M) harus lebih mudah untuk tereduksi

dibandingkan H+(1M). standar potensial elektrode reduksi Cu2+(aq) manjadi Cu(p) adalah

+0,337 V.

E0 = +0,337 V

Bila elektrode hidrogen digabungkan dengan elektrode seng ternyata arah elektron

mengalir berlawanan dengan arah yaitu dari elektrode seng ke elektrode hidrogen. S.H.E

betindak sebagai katode sedangkan elektrode seng sebagai anode dengan harga E0sel

terukur adalah 0,760 V.

Oksidasi :

Reduksi :

Keseluruhan : E0sel = 0,760V

Syefli Ewimia Darza

Reduksi lebih sulit terjadi dibandingkan dari H+ (1 M), karena oksidasi yang

terjadi pada elektrode seng. Bila mempertimbangkan kecenderungan reduksi merupakan

lawan dari kecenderungan oksidasi, maka dapat ditulis :

E0 = - 0,760 V

Tabel potensial reduksi standar

Syefli Ewimia Darza

Kespontanan Reaksi Redoks

Syarat untuk perubahan spontan dalam reaksi redoks ialah ∆G < 0. Tetapi berdasarkan

eneri bebas hal ini dapat dinyatakan sebagai Esel > 0, dimana Esel harus positif bila ∆G

besarnya negatif. Bila dihadapkan dengan pereaksi dan hasil dalam keadaan standar maka

untuk perubahan spontan, E0sel > 0. Untuk meramalkan arah perubahan spontan dalam

suatu reaksi redoks harus diperhatikan:

Bila E0sel positif,maka reaksi akan terjadi secara spontan ke depan. Bila E0

sel

negatif maka reaksi akan terjadi spontan dengan arh sebaliknya.

Bila suatu reaksi sel dibalik maka E0sel berubah tanda.

Langkah berikutnya ialah melihat bagaiman E0sel dihubungkan ∆G dan K. dalam sel

galvani, energi kimia diubah menjadi energi listrik. Dimana energi listrik ini merupakan

hasil aki dari emf dengan muatan listrik total (dalam coulomb) yang melewati sel. Emf

terukurnya ialah voltase yang dapat dicapai oleh sel. Nilai ini digunakan untuk

menghitung jumlah maksimum energi listrik yang dapat diperoleh dari reaksi kimia.

Energi ini digunakan untuk melakukan kerja listrik (Wele).

Tanda negatif pada sisi kanan menyatakan bahwa kerja listrik dilakukan oleh sisitem pada

lingkungan. Maka dapat didefenisikan energi bebas(∆G) sebagai energi yang tersedia

untuk melakukan kerja.

∆G = - nFEsel

∆G negatif jika proses spontan, maka Esel harus positif. Untuk reaksi yang reakstan dan

produk standar maka persamaannya adalah

∆G = - nFE0sel

Hubungannya dengan konstanta keseimbangan (K) ialah

Syefli Ewimia Darza

∆G = - RT ln K

- nFE0sel = - RT ln K

atau

Tabel hubungan antara ∆G, K dan E0sel

∆G K E0sel reaksi pada

keadaan standar

Negatif

0

Positif

>1

=1

<1

Positif

0

Negatif

Spontan

Kesetimbangan

nonspontan

Efek konsentrasi pada emf sel

Hubungan matematis antara emf sel dan konsentrasi dari reaktan dan produk dalam reaksi

redoks dalam keadaan tidak standar. Hubungan ini mula-mula dipelajari oleh Waltern

Nernst (1864 – 1941).

Persamaan Nernst

Reaksi redoks dengan jenis

∆G = ∆G0 + RT ln Q

-nFE= - nFE0 + RT ln Q

E = E0 -

Syefli Ewimia Darza

E = E0 -

E = E0 -

Pada kesetimbangan, tidak terdapat transfer bersih elektron, sehingga E=0 dan Q = K,

dimana K adalah konstanta kesetimbangan.

Persamaan nernst memungkinkan kita untuk menghitung E sebagai fungsi dari konsentrasi

reaktan produk dalam reaksi redoks.

Contoh :

Persamaan Nernst untuk sel ini pada suhu 250C dapat ditulis :

E = 1,10 V -

Baterai

Baterai adalah sel galvani atau beberapa sel galvani yang disatukan, yang dapat digunakan

sebagai sumber arus listrik searah pada voltase tetap. Cara kerja baterai pada dasarnya

sama dengan sel galvani tetepi baterai memiliki keunggulan karena sifatnya yang berdiri

sendiri dan tidak memerlukan komponen tambahan seperti jembatan garam. Akan dibahas

bebrapa jenis baterai yang sering digunakan

a. Baterai sel kering

Sel kering yaitu sel tanpa komponen cairan,

yang paling lazim ialah sel leclanche yang

digunakan di lampu senter dan radio transistor.

Anoda sel terbuat dari kaleng atau wadah seng

yang bersentuhan dengan mangan dioksida

(MnO2) dan sebuah elektrolit. Elektrolit ini

terdiri atas amonium klorida dan seng klorida

dalam air yang ditambahkan pati sebagai pengental agar larutan menyerupai pasta

Syefli Ewimia Darza

sehingga tidak mudah bocor. Sebatang karbon berfungsi sebagai katoda, yang

direndam didalam elektrolit ini pada bagian tengah dari sel. Reaksi selnya adalah

Anoda :

Katoda :

Keseluruhan :

b. Baterai Merkuri

Baterai merkuri banyak digunakan

dalam dunia pengobatan dan industri

elektronik. Ditempatkan di

dalamsebuah silinder baja antikarat,

baterai merkuri terdiri atas anoda

seng (diamalgamkan dengan

merkuri) yang bersentuhan dengan elektrolit alkali kuat yang mengandung seng

oksida dan merkuri (II) oksida. Reaksi selnya adalah

Anoda :

Katoda :

Keseluruhan :

Voltase yang dihasilkan baterai merkuri ini ialah 1,35 V, sehingga kapasitasnya

jauh lebih tinggi dan lebih awet.

c. Baterai bertimbal (Aki)

Aki terdiri atas enam sel

identik yang tersusun secara

seri. Setiap sel mempunyai

anoda timbal dan katoda yang

terbuat dari timbal

dioksida(PbO2) yang dikemas

Syefli Ewimia Darza

pada sebuah plat logam. Baik katoda maupun anoda dicelupkan dalam

larutan asam sulfat yang berfungsi sebagai elektrolit. Reaksi selnya

ialah :

Anoda :

Katoda :

Keseluruhan :

d. Sel bahan bakar

Sel bahan bakar (Fuel cell) yaitu sel galvani

yang memerlukan pasokan reaktan yang

kontinu agar tetap berfungsi. Dalam bentuk

yang paling sederhana digunakan sel bahan

bakar hidrogen-oksigen yang terdiri atas

larutan elektrolit. Gas hidrogen dan oksigen

dihembuskan lewat kompartemen anoda dan katoda, dimana reaksi-reaksi yang

terjadi :

Anoda :

Katoda :

Keseluruhan :

Korosi

Korosi adalah istilah yang biasa digunakan untuk ekrusakan logam akibat proses

elektrokimia. Contoh dalam kehidupan sehari-hari ialah karat pada besi, noda pada perak,

dan “patina” hijau yang berbentuk tembaga dan kuningan. Contoh yang paling lazim dari

korosi ialah pembentukan karat pada besi oleh gas oksigen dan air. Reaksinya ialah

Syefli Ewimia Darza

Oksidasi :

Reduksi :

Keseluruhan :

Diperoleh emf standar untuk proses ini :

E0sel = E0

katoda – E0anoda

E0sel = 1,23 V – ( - 0,04 V)

E0sel = 1,67 V

Reaksi ini terjadi padda medium asam; ion H+ dipasok sebagian oleh reaksi karbon

dioksida di atmosfer dengan air membentuk H2CO3

Ion Fe2+ yang terbentuk pada anoda dioksida lagi oleh oksigen:

Cara pencagahan atau perlambatan korosi

a. Melindungi permukaan logam dengan cat.

b. Perlindungan katodik yang merupakan peroses perlindungan logam

dari korosi dangan membuatnya sebagai katoda dalam sel galvani.

2. Elektrolisis

Elektrolisis ialah proses yang menggunakan energi listrik agar reaksi

kimia nonspontan dapat terjadi. Sel elektrolitik ialah alat untuk melaksanakan elektrolisis.

Elektrolisis Lelehan Natrium Klorida

Dalam keadaan meleleh natrium klorida merupakan senyawa ionik yang dapat dielktrolisis

agar membentuk logam natrium dan klorin.

Diagram sel Downs yang digunakan untuk

elektrolisis NaCl. Sel elektrolitik

mempunyai sepasang elektroda yang

dihubungkan ke baterai, dimana baterai

Syefli Ewimia Darza

Karat

berfungsi sebagai pompa elektron yang menggerakan elektron ke katoda(tempat terjadinya

reduksi) dan menarik elektron dari anoda (tempat terjadinya oksidasi). Reaksi pada katoda

ialah

Anoda (oksidasi) :

Katoda (reduksi) :

Keseluruhan :

Perkiraan teoritis menunjukkan bahwa nilai E0 untuk ekseluruhan proses adalah sekitar -4V,

yang berarti bahwa ini termasuk proses nonspontan.

Elektrolisis Air

Air dalam beker pada kondisi atmosfer (1 atm dan 250) tidak akan terurai secara spontan

membentuk gas hidrogen dan oksigen sebab perubahan energi-bebas standar untuk reaksi

positif dan besar.

∆G0 = 474,4 kJ

Namun reaksi ini dapat dibuat terjadi didalam sel seperti pada gambar. Sel elktrolitik ini

terdiri atas sepasang elektron yang

terbuat dari logam nonreaktif, seperti

platina yang direndam dalam air.

Ketika elektrode dihubungkan

dengan baterai, tidak terjadi sesuatu

karena tidak cukup ion dalam air

murni untuk membawa arus listrik. Tetapi reaksi akan mudah terjadi dalam larutan H2SO4

0,1M sebab terdapat cukup ion untuk menghantarkan listrik. Reaksi keseluruhanya ialah :

Anoda(oksidasi) :

Katoda(reduksi) :

Keseluruhan :

Syefli Ewimia Darza

Elektrolisis Larutan Berair Natrium Klorida

Reaksi oksidasi yang mungkin terjadi pada anoda ialah :

(1) E0 = 1,36 V

(2) E0 = 1,23 V

Reaksi reduksi yang mungkin terjadi pada katoda ialah :

(1) E0 = 0,00 V

(2) E0 = -0,83 V

(3) E0 = -2,71 V

Reaksi setengah-sel dalam elektrolisis natrium klorida berair adalah

Anoda (oksidasi) :

Katoda (reduksi) :

Keseluruhan :

Metoda elektrolisis berguna untuk memperoleh logam murni dari bijihnya atau pemurnian logam.

Secara keseluruhan proses ini disebut sebagai elektrometalurgi. Contohnya ialah :

Produksi Logam Alumunium

Alumunium biasanya dibuat dari bijih bauksit (Al2O3. H2O). pertama-tama bijihnya diolah untuk

menyingkirkan berbagai pengotor dan kemudian dipanaskan untuk memperoleh Al2O3 tanpa air.

Oksidasi ini di larutkan dalam lelehan kriolit (Na3AlF6) dalam suatu sel elektrolitik hall. Sel ini berisi

serangkaian anoda karbon; katodanya terbuat dari karbon dan menjadi pelapis di dalam sel. Larutan

elektrolisis untuk menghasilkan alumunium dan gas oksigen.

Anoda :

Syefli Ewimia Darza

Katoda :

Keseluruhan :

Pemurnian Logam Tembaga

Logam tembaga yang diperoleh dari bijihnya biasanya mengandung sejumlah pengotor seperti seng,

besi, perak, dan emas. Logam yang lain lebih elektropositif diambil dengan proses elektrolisis dimana

pada proses ini tembaga tak murni bertindak sebagai anoda dan tembaga murni bertindak sebagai

katoda dalam larutan asam sulfat yang berisi ion Cu2+. Reaksi setengah selnya ialah

Anoda:

Katoda :

Logam reaktif dalam anoda tembaga seperti besi dan seng, juga teroksidasi pada anoda dan memasuki

larutan sebagai ion Fe2+ dan Zn2+. Namun keduanya tidak tereduksi pada katoda. Kemurnian tembaga

yang dihasilkan dari proses elektrolisis ini ialah 99,5 persen.

Penyepuhan (elektroplating)

Penyepuhan adalah proses melapisi permukaan logam dengan logam lain. Misalnya tembaga disepuh

atau dilapisi dengan emas, dengan menggunakan elektrolit larutan emas(AuCl3)

Emas (anode) :

Tembaga (katode):

Sehingga Au atau endapan emas menempel pada tembaga.

Syefli Ewimia Darza

reaksi redoks dan elektrokimia

Documents