Sel Elektrolisis

Nama  : Eva Nawangwulan

NIM    : 14640034

                                      

SEL ELEKTROLISIS

Elektrolisis adalah suatu proses reaksi kimia yang terjadi pada elektroda yang tercelup dalam elektrolit ketika dialiri arus listrik dari suatu sumber potensial luar (Dogra, 1990). Komponen terpenting dari proses elektrolisis adalah elektroda dan elektrolit. Sedangkan sel elektrolisis adalah sebuah sel elektrokimia yang menggunakan sumber energi listrik dari luar untuk menjalankan suatu reaksi yang tidak spontan. Energi listrik berfungsi sebagai pompa elektron yang menggerakkan elektron ke katoda, dan menarik elektron dari anoda (Chang, 2005). Elektron mengalir dari anoda ke katoda dalam rangkaian luar seperti pada Gambar 1.

Gambar 1. Aliran elektron pada sel elektrolisis.

Adanya aliran elektron dalam sel elektrolisis menyebabkan di katoda terjadi reaksi reduksi dan di anoda terjadi reaksi oksidasi. Pada sel elektrolisis, katoda merupakan kutub negatif karena dihubungkan dengan kutub negatif sumber arus dan merupakan target bermigrasinya ion positif, sedangkan anoda merupakan kutub positif karena dihubungkan dengan kutub positif sumber arus dan merupakan target bermigrasinya ion negatif. Proses elektrolisis berhubungan dengan besarnya potensial yang digunakan (Basset, 1994).  Besarnya potensial yang digunakan dalam elektrolisis bergantung pada:

(1) Potensial Penguraian

Potensial penguraian adalah tegangan luar terkecil yang harus dikenakan untuk menimbulkan elektrolisis kontinu. Pada sel elektrolisis, potensial yang digunakan harus mampu mengatasi potensial sel galvani yang dihasilkan dan harus pula mengatasi tahanan larutan terhadap aliran arus (Basset, 1994).

(2) Potensial Lebih atau Polarisasi Kinetika

Potensial lebih adalah potensial pada anoda atau katoda yang nilainya lebih tinggi dari potensial penguraian akibat terbentuknya gas di sekitar elektroda. Potensial lebih menyebabkan harga potensial menjadi lebih negatif pada katoda dan menjadi lebih positif pada anoda. Potensial lebih timbul akibat adanya tahanan dari larutan. Besarnya potensial lebih pada  anoda atau katoda dipengaruhi oleh (Petrucci, 1999):

a. Sifat dan keadaan fisik dari logam yang dipakai sebagai elektroda.

b. Keadaan fisik dari zat yang diendapkan.

c. Rapat arus yang dipakai.

d. Perubahan konsentrasi di sekitar elektroda.

(3) Polarisasi Konsentrasi

Reaksi pada permukaan elektroda berlangsung seketika, kecepatan tercapainya kesetimbangan antara elektroda dengan larutan tergantung dari besarnya arus yang mengalir. Kurang cepatnya migrasi ion ke permukaan elektroda disebut polarisasi konsentrasi. Polarisasi konsentrasi timbul apabila gaya difusi, gaya tarik menarik elektrostatik dan pengadukan mekanik tidak cukup untuk mengangkut pereaksi menuju atau dari permukaan elektroda. Polarisasi konsentrasi dapat diperkecil dengan cara pengadukan dan menggunakan rapat arus kecil  (Petrucci, 1999).

(4) Potensial Ohmik atau Potensial Jatuh

Potensial ohmik atau potensial jatuh adalah potensial listrik yang dihasilkan pada saat arus listrik dilewatkan dalam sel elektrolisis. Potensial ohmik terjadi karena adanya tahanan dalam larutan yang dialami oleh ion-ion yang bergerak menuju anoda atau katoda. Besarnya potensial ohmik sebanding dengan arus yang lewat dan tahanan larutan. Pengaruh potensial ohmik menyebabkan potensial yang dibutuhkan pada sel elektrolisis lebih besar dibanding potensial teoretisnya. Untuk menentukan jenis zat yang dihasilkan pada anoda dan katoda, maka harus diketahui: jenis kation dan anion dalam larutan, keadaan ionnya yaitu bentuk cairan (lelehan) atau larutan, jenis elektrodanya tidak bereaksi (inert) atau ikut bereaksi (aktif) dalam larutan, dan konsentrasi larutan elektrolitnya pekat atau sangat encer (Achmad, 2001).

Reaksi Pada Elektroda

Pada permukaan elektroda terjadi persaingan reaksi antara ion-ion dari elektrolit dan ion dari air. Yang akan bereaksi pada permukaan elektroda ditentukan dari nilai potensial elektrodanya. Contohnya:

Dalam larutan yang mengandung ion      dan ion dengan konsentrasi yang sama, maka ion          akan lebih dahulu mengalami reduksi karena memiliki nilai potensial elektroda yang lebih positif. Jadi reaksi dengan potensial elektroda lebih positif akan lebih mudah mengalami reduksi. Sebaliknya, reaksi oksidasi akan mudah terjadi jika potensial elektrodanya lebih negatif (Achmad, 2001).

Elektrolisis Dengan Elektroda Tidak aktif (Innert)

Elektroda tidak aktif adalah elektroda yang tidak ikut bereaksi dalam elektrolisis. Yang termasuk elektroda tidak aktif adalah platina (Pt) dan karbon (C).  

Sel elektrolisis bentuk lelehan atau cairan hanya berlaku untuk senyawa ion. Sel elektrolisis bentuk cairan tidak mengandung zat pelarut atau air, yang ada hanya kation dan anion dari senyawa ion tersebut. Pada reaksi elektrolisis, senyawa ion bentuk cairan akan terurai menjadi ion-ionnya. Ion positif atau kation akan tertarik ke katoda dan mengalami reduksi. Sedangkan ion negatif atau anion akan tertarik ke anoda dan mengalami reaksi oksidasi. Yang dapat bertindak sebagai kation adalah ion logam, baik golongan utama maupun golongan transisi, sedangkan anion dapat berupa ion monoatom

atau ion poliatom

Contoh reaksi elektrolisis lelehan NaCl dengan elektroda platina (Chang, 2005).

Elektrolisis Larutan Elektrolit

Dalam sel elektrolisis bentuk larutan dengan elektroda tidak aktif, pengaruh elektroda tidak ada, hanya di samping kation dan anion yang ada perlu diperhitungkan juga adanya zat pelarut yaitu air. Molekul air yang terdapat pada larutan dapat tereduksi di katoda atau teroksidasi di anoda dengan reaksi masing-masing:

Kation yang tereduksi di katoda adalah yang berpotensial reduksi lebih besar dari -0,83 volt, sedangkan anion yang teroksidasi di anoda adalah yang berpotensial oksidasi lebih besar dari -1,23 volt (Syukri, 1999).

Contoh reaksi elektrolisis larutan  dengan elektroda platina (Syukri, 1999):

Reaksi keseluruhan (Syukri, 1999):

Elektrolisis Dengan Elektroda Bereaksi atau Elektroda Aktif

Elektroda aktif adalah elektroda yang turut bereaksi pada saat elektrolisis. Elektroda aktif contohnya adalah logam tembaga (Cu), perak (Ag), nikel (Ni), besi (Fe), dan sebagainya. Elektroda logam mempengaruhi reaksi oksidasi di anoda. Jadi elektroda aktif hanya bereaksi di anoda, sedangkan di katoda tidak akan bereaksi (Achmad, 2001).

Contoh reaksi elektrolisis larutan  dengan elektroda perak.

Hukum Faraday

Proses elektrolisis merupakan proses yang tidak spontan. Untuk berlangsungnya  reaksi elektrolisis digunakan arus listrik dari luar. Besarnya potensial listrik yang digunakan harus melebihi potensial yang terpasang sehingga arus akan mengalir yang menyebabkan terjadinya reaksi. Hubungan antara besarnya energi listrik yang dialirkan dengan banyaknya zat yang dihasilkan dalam sel elektrolisis dirumuskan oleh Michael Faraday (Petrucci,1999).

Hukum Faraday I berbunyi: “ Jumlah perubahan kimia yang dihasilkan sebanding  dengan besarnya muatan listrik yang melewati suatu sel elektrolisis .“

Dengan:            W = massa zat yang dihasilkan (gram).

e = bobot ekivalen = Ar atau Mr / n.

n = jumlah elektron yang diikat atau dilepaskan.

                        i = arus dalam amper.

t = waktu dalam satuan detik.

                        F = tetapan Faraday, 1F = 96500 C.

i.t/F = arus dalam satuan Faraday.

Hukum Faraday II berbunyi: “ Sejumlah tertentu arus listrik menghasilkan jumlah ekivalen yang sama dari benda apa saja dalam suatu elektrolisis.”

Kegunaan Sel Elektrolisis

Sel elektrolisis banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari seperti pada proses penyepuhan, pemurnian logam, dan produksi zat-zat kimia penting. Contoh zat-zat kimia yang dihasilkan dalam elektrolisis adalah natrium hidroksida, logam aluminium, magnesium, tembaga, natrium, dan gas klor (Syukri, 1999):

a. Pelapisan Logam

Proses penyepuhan atau pelapisan logam merupakan suatu reaksi redoks untuk mengendapkan logam pada permukaan katoda. Pelapisan logam dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan suatu sifat khusus pada permukaan logam agar diperoleh hasil yang lebih baik misalnya lebih menarik dan tahan terhadap korosi. Contoh proses pelapisan logam adalah, sendok dilapisi dengan tembaga. Sendok yang akan dilapisi dipasang sebagai katoda dan tembaganya dipasang sebagai anoda.

b. Pemurnian Logam

Pemurnian logam, contohnya adalah proses pemurnian tembaga. Logam tembaga yang diperoleh dari bijih tembaga biasanya mengandung pengotor seperti seng, besi, perak, dan emas. Pemurnian tembaga dilakukan dengan cara menempatkan logam tembaga tidak murni sebagai anoda dan tembaga murninya sebagai katoda (Chang, 2005). Kedua lempeng tembaga tersebut dicelupkan ke dalam gelas kimia besar yang berisi larutan elektrolit .

Elektroda tembaga sebagai anoda mengalami oksidasi menurut reaksi:

Elektroda tembaga yang lain, sebagai katoda mengalami reduksi:

Reaksi keseluruhan:

Pada saat elektrolisis, logam aktif yang terdapat dalam anoda, seperti besi dan seng, juga teroksidasi pada anoda dan memasuki larutan sebagai  Namun, keduanya tidak teroksidasi pada anoda karena nilai potensial reduksinya lebih negatif.

Logam yang kurang elektropositif, seperti emas dan perak, tidak teroksidasi pada anoda tetapi mengendap pada dasar tangki elektrolisis. Skema proses pemurnian tembaga ditunjukkan pada Gambar 2

Gambar 2. Skema proses pemurnian tembaga

c.  Pembuatan Klor dan Natrium

Gas klor dan logam natrium dibuat dengan mengelektrolisis NaCl cair menggunakan elektroda inert. Pada katoda dihasilkan logam natrium dan di anoda dihasilkan gas klor.

d. Pembuatan Natrium Hidroksida

            Natrium hidroksida dapat dibuat dengan mengelektrolisis larutan NaCl. Reaksi keseluruhan elektrolisis larutan NaCl:

Elektrolisis larutan NaCl, di samping menghasilkan larutan NaOH juga dihasilkan gas  .

e. Pembuatan Aluminium dan Magnesium

Aluminium diperoleh dengan cara mengelektrolisis biji aluminium (campuran ) dengan mineral kreolit . Mineral ini dapat menurunkan titik cair campuran dari 2000°C menjadi 1000°C. Campuran cair itu dielektrolisis dalam keadaan panas. Senyawa  dalam kreolit terion menjadi:

Logam magnesium dapat dibuat dengan mengelektrolisis lelehan senyawanya, misalnya . Hasil elektrolisisnya adalah di katoda dihasilkan logam Mg dan di anoda dihasilkan gas . Reaksi keseluruhan elektrolisis lelehan : Selain itu penerapan dari sel elektrolisis yaitu penyepuhan dapat juga digunakan untuk menentukan bilangan Avogadro (NA) dan tetapan Faraday (F ).

Elektrolisis Larutan Tembaga Sulfat Dengan Elektroda Tembaga

Elektrolisis larutan tembaga sulfat menggunakan elektroda tembaga dapat digunakan untuk membuktikan kesesuaian hukum faraday pada elektrolisis dan dapat dimanfaatkan untuk memurnikan tenbaga. Pada elektrolisis ini elektroda tembaga yang digunakan harus bersih dari kotoran. Kotoran dibersihkan menggunakan asam lemah seperti asam asetat (Seiglie, 2003). Untuk memperbaiki kualitas endapan tembaga yang dihasilkan maka pada proses elektrolisis ini ditambahkan asam nitrat dan urea (Day, 1988).

Penambahan asam nitrat ini akan mengurangi terjadinya pembentukan gelembung gas hidrogen dan juga bertindak sebagai pendepolarisasi katode. Reaksi ion nitrat pada katoda tembaga adalah:

Asam nitrat yang digunakan harus terbebas dari ion nitrit. Ion nitrit terbentuk dari reaksi:

Ion nitrit mencegah pengendapan sempurna dari tembaga dan dihilangkan dengan penambahan urea atau dengan cara dipanaskan.

Selain penambahan ion nitrat, untuk memperbaiki kualitas endapan dapat juga dilakukan dengan pengadukan mekanis karena dengan ini terjadinya polarisasi konsentrasi dapat diminimalkan, peningkatan suhu elektrolisis, dan penggunaan rapat arus listrik yang kecil (Basset, 1994). Endapan yang baik kualitasnya adalah endapan yang melekat dengan baik, rapat, dan halus.

Sumber:

Dogra, S.K. 1990. Kimia Fisika dan Soal-Soal. Jakarta: UI-Press.

Chang, Raymond. 2005. Kimia Dasar: Konsep-Konsep Inti Jilid 1. Jakarta: Erlangga.

Basset,dkk. 1994. Buku Ajar Vogel; Kimia Analisis Kuantitatif Anorganik. Jakarta: EGC.

Petrucci, Ralph H. 1999. Kimia Dasar Prinsin dan Terapan Modern. Jakarta: Erlangga.

Achmad, H. 2001. Kimia Larutan. Bandung: PT Citra Aditya Bakti.

Syukri, S. 1999. Kimia Dasar 1. Bandung: ITB Press.

Day, R.A. dan A.L. Underwood. 1998. Analisis Kimia Kuantitatif. Jakarta: Erlangga.