Oleh: DR. ATIKAH, MSi LABORATORIUM KIMIA ANALITIK JURUSAN KIMIA FMIPA UNIVERSITAS BRAWIJAYA MALANG 2010
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
1
Metoda elektroanalisis elektroanalisis lebih disukai karena : Cepat Murah Spesifik terhadap bentuk kmia analit k onsentrasi analit Merespon terhadap aktivitas, bukan konsentrasi Dapat digunakan secara insitu Memberikan informasi tentang: Tingkat
oksidasi Mengungkapkan reaksi secara stoichiometri Kecepatan transfer muatan Konstanta kesetimbangan reaksi 3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
2
Gambaran Frekuansi penggunaan teknik analisa dalam laboratorium ± laboratorium analisis
Metoda Potensiometri Polarografi (voltametri) 30% Elektroda ion selektif Spektroskopi Uv-Vis AAS atau FES (Flame-ICP)
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
3
Kimia
elektroanalisis merupakan kelompok metoda analisis kuantitatif berdasarkan peng pe nguk ukur uran an sifat sifat listr listrik ik larut larutan an anali analitt (seb (sebag agai ai bagian dari sel elektrokimia) elektrokimia) Sistem Pengukuran Terdiri : Elektrolit,
sistem kimia yang mampu menghantarkan arus
listrik Alat ukur (rangkaian luar), untuk mengukur sinyal listrik Elektroda, konduktor yang berfungsi menghubungkan sistem alat ukur dengan elektrolit
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
4
KOMPONEN SEL ELEKTROKIMIA
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
5
Electroanalytical methods
Interfacial methods
Static methods i=0
potentiometry E
dynamic methods i > 0
3/1/2011
Conductometry G=1/R
Conductometric titrations
Potentiometric titrations volume Controlled potential
Constant electrode potential coulometry Q = i dt
Voltammetry I=f(E)
bulk methods
Amperometric titrations volume
Electrogravimetry (wt)
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
Constant current
Coulometric titrations Q=it
Electrogravimetry (wt) 6
POKOK BAHASAN :
Konsep dasar elektrokimia Proses elektroda Hubungan Arus- Potensial & Termodinamika elektrokimia Kinetika reaksi elektroda Lapis rangkap listrik Metoda elektrometri:
3/1/2011
Potensiometri Voltametri Koulometri Impedansi KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
7
Buku Referensi: 1.A,J.,Bard and L.R. Faulkner, Electrochemical Methods: Fundamentals and, Application,2 nd Ed., john Wiley & Sons, New York,2001 2. Joseph Wang, Analytical Electrochemistry,VHC Publisher,Inc,1994 3. Christian & O.Relly,1986, Instrumental Analysis 4. Kennedy,JH,Analytical Chemistry,1990
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
8
Elektrokimia merupakan
disiplin ilmu yang mengembangkan sistem hubungan antara sifat listrik dengan efek kimia Reaksi si yang yang terj terjad adii me meliliba batk tkan an re reak akta tann Reak elektron Perubahan kimia disebabkan oleh adanya arus listrik yang mengalir Suatu sistem elektrokimia merupakan sistem heterogen 3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
9
PENGUKURAN ELEKTROKIMIA
Berdasarkan reaksi elektrokimia yang melibatkan senyawa kimia Bagaimana prinsip ini digunakan dalam analisis kimia? Karena p.u reaksinya kimia redoks (transfer elektron) Yang diukur : potensial yang dihasilkan oleh reaksi yang terjadi Jumlah atau peningkatan reaksi yang diinduksi oleh proses elektrokimia Bagaimana
3/1/2011
hubungannya dengan konsentrasi analit?
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
10
Dasar
reaksi : redoks memun memun penentuan keadaan oksidasi suatu unsur dengan Metoda kimia elektroanalisis
Oks + neRed Ada 2 macam metoda elektroanalisis: Potensiometri
(Arus = nol, potensial kesetimbangan Voltametri ( pengukuran arus sebagai fungsi potensial yang terpasang) 3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
11
Terminologi Elektrokimia Anoda
elektroda dimana terjadi reaksi oksidasi Katoda
elektroda dimana terjadi reaksi reduksi Elektrolit
medium kimia yang mampu menghantarkan arus (=migrasi muatan) 3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
12
WORKING ELECTRODE (ELEKTRODA INDIKATOR) Elektroda dimana pada permukaannya teradi transfer muatan
ELEKTRODA PEMBANDING Elektroda yang menjaga agar harga potensial konstan,tidak tergantung pada arus yang mengalir COUNTER ELECTRODE (ELEKTRODA PENDUKUNG) Elektroda yang mensupport arus listrik, namun tidak mempengaruhi reaksi atau potensial yang timbul
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
13
Elektroda pada Potensiometri &Voltametri Pada
Potensiometri karena reaksinya spontan maka digunakan 2 elektroda : Elektroda
Reference (pembanding) Elektroda Indikator (WORKING ELECTRODE) Pada
Voltametri karena reaksinya tidak spontan maka digunakan 3 elektroda : ELEKTRODA
PEMBANDING WORKING ELECTRODE) COUNTER ELECTRODE (ELEKTRODA PENDUKUNG) 3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
14
Proses Faradaik Reaksi oksidasi atau reduksi (=transfer elektron) Proses non Faradaik Adsorpsi Perubahan struktur pada antarmuka elektrolitelektroda elektroda , misal arus muatan Transpor massa 3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
15
Electrode Processes
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
16
Electrode Polarization When
³slow´ nonfaradaic processes dominate, electrode becomes polarized , and more potential is required for redox than would be required at equilibrium When all electrode processes are ³fast´, electrodes are nonpolarizable, and make good reference electrodes (=constant potential at any current) 3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
17
Mass Transport Migration²movement Migration²movement
induced by electrical gradient; polarization minimized by? adding excess inert supporting electrolyte
Convection²fluid
flow or gross physical movement of solution; polarization minimized by? stirring or temperature gradients
Diffusion²movement
induced induc ed by chemical potential (e.g., concentration) gradient
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
18
Arus Muatan Adalah arus yang timbul sesaat (arus non faradaik) yang yang terjadi terjadi dalam daerah lapisan rangkap listrik (electrical double layer) Arus
pada permukaan elektroda, H r r E E/ H adalah linier (faradaik); namun pada jarak lebih jauah dari permukaan elektroda adalah eksponensial r r E E/ H H Tebal lapisan rangkap listrik sekitar 20300 Å 3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
19
Polarization An
ideally polarized electrode does not allow faradaic processes to occur Mercury (Hg) in a NaCl solution is a nearly ideally polarized electrode 3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
20
Depolarization A
current flow induced at a aradaic aradaic f
polarized electrode electrode by the addition of a substance (depolarizer ) which can be oxidized or reduced at the existing potential In
a reversible process redox is so rapid that oxidized and reduced species are at equlibrium (=fast process)
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
21
Overvoltage The
³excess´ potential (=voltage) required to accomplish a redox reaction compared to the equilibrium condition Occurs when there is some lag in establishing chemical equilibrium
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
22
Causes of Overvoltage Slow charge transfer, esp. for evolution of gases diffusion of reactant to or product from electrode adsorption intermediates chemical reactions of intermediates
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
23
Electrode Potentials Ox + n e± ¾ Red reduction expressed by Propensity for the reduction potential, E°, relative to Standard Hydrogen Hydrogen Electrode (SHE): 2 H+ (aq) + 2 e± ¾ H2 (g ) E°= 0.00 V Consider: Cu2+ (aq) + 2 e± ¾ Cu (s) E°=+0.34 V Zn2+ (aq) + 2 e± ¾ Zn (s) E°=±0.76V 3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
24
Concentration and Activity At
low concentration (< 0.02 M ) activity is approximately equal to concentration ( a } ) c , where f c At higher concentrations, a = f c c is the activity coeff at concentration c icient icient is essentially the corrected Activity ³effective´ concentration of a substance 3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
25
Non-Standard Conditions Described by the N ernst ernst equation , Q
E ! E
RT ared
ln
nF
Q
$ E
aox
F= 96,487 C mol ±1
RT cred
ln
nF
cox
R = 8.314 J mol±1 K±1
How
can this relationship be utilized in principle to construct an electrochemical sensor?
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
26
Electrochemical Cells Galvanic
(Voltaic) cell²spontaneous; cell²spontaneous; redox chemistry produces electricity Electrolytic cell²non-spontaneous; cell²non-spontaneous; uses Electrolytic electricity to cause redox chemistry
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
27
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
28
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
29
A Galvanic Cell Zn (s)|Zn2+ (aq)||Cu2+ (aq)|Cu (s) anode cathode
Zn (s)
3/1/2011
KCl (a )
Cu (s)
1 M Zn(NO 1 M Cu(NO3)2 (a ) 3)2 (a ) KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
30
Sel Elektrokimia anoda oksidasi
katoda reduksi
reaksi redoks spontan
3/1/2011
Menarik anion
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
Menarik kation
31
19.2
A Galvanic Cell Zn (s)|Zn2+ (aq)||Cu2+ (aq)|Cu (s) anode: Zn ( s) p Zn2+(aq) + 2 e± ±E °=+0.76 °=+0.76 V cathode: Cu2+(aq) + 2 e±p Cu (s) E °=+0.34 °=+0.34 V cell: Zn (s) + Cu2+(aq) p Zn2+(aq) + Cu (s) E°cell = 1.10 V
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
32
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
33
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
34
Liquid Junctions Ideally,
= E E cell cathode ± E anode
In
= E practice, E cell cathode ± E anode + E LJ , the liquid junction potential, arises E LJ from the differential mobility of the cation and anion in the salt bridge be minimized? How can E LJ
Use a salt bridge containing concentrated salt with equal mobility ions, e.g ., ., KCl 3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
35
How could the Zn/Cu cell be used to measure the Zn2+ concentration in a sample? [ Zn 2 ]
!
Q
n
ln
[Cu 2 ]
Q
!
ln[Cu 2 ]
n
ln[ Zn 2 ]
n
If aCu2+ = 1, then Q
E ! E
RT
Q ln[ n 2 ] ! E
nF
!
Q
2.303 n
3/1/2011
2.303 RT log[ n 2 ]
nF
pZn
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
36
How could the Zn/Cu cell be used to measure the K sp of CuS? CuS (s)¾ Cu2+(aq) + S2±(aq)
K sp
= [Cu2+][S2±]
Place saturated CuS or small amount of Cu 2+ and known S2± concentration in cathode compartment [ Zn 2 ]
!
Q
n
ln
[Cu 2 ]
!
Q
ln[Cu 2 ]
n
ln[ Zn 2 ]
n
If aZn2+ = 1, then Q
E ! E
3/1/2011
RT
2
Q
ln[ u ] ! E
nF
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
RT
K sp
nF
[S2 ]
ln
37
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
38
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
39
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
40
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
41
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
42
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
43
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
44
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
45
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
46
Reference Electrodes
2All cell potential measurements require two electrodes! 1.AgCl(s) 1.AgCl(s) + e-Ag(s) Ag(s) + ClE = Eo+ (0. (0.059/n)log1 059/n)log1/[ /[C Cl] 2.Hg2Cl2(s) + 2e-2C 2Cl-+2Hg +2Hg(l) (l) E = Eo+ (0. (0.059/2)log1 059/2)log1/[ /[C Cl-]2
n = number of electrons transferred per mole, 2.3 2.30 03 RT/F RT/F = 0. 0.059V 3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
47
3/1/2011
KULIAH KIMIA ELEKTROANALISIS-1
48