FISIKA I
ARTIKEL ELEKTROLISIS
Disusun Oleh
Dyah Wirasanti NIM. L2C008034
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG
2008
2
PENDAHULUAN
Elektrokimia adalah cabang ilmu kimia yang berkenaan dengan interkonversi energi listrik dan energi kimia. Elektrokimia merupakan metode yang didasarkan pada reaksi reduksi dan oksidasi yang berlangsung pada elektroda berbeda pada suatu sistem, di mana dalam reaksi ini energi yang dilepas oleh reaksi spontan diubah menjadi listrik atau di mana energi listrik digunakan agar reaksi yang nonspontan bisa terjadi. Sistem elektrokimia meliputi sel elektrokimia dan reaksi elektrokimia. Peralatan dasar sel elektrokimia adalah dua elektroda yang dicelupkan dalam elektrolit konduktor ion. Elektroda dan elektrolitnya membentuk kompartemen elektroda. Kedua elektroda dapat menempati kompartemen yang sama. Jika elektrolitnya berbeda, kedua kompartemen dapat dihubungkan dengan jembatan garam, yaitu larutan elektrolit yang menlengkapi sirkuit listrik dan memungkinkan sel berfungsi. Sel elektrokimia ada dua macam, yaitu sel galvanik dan sel elektrolisis. Sel galvanik mengalami reaksi redoks spontan, yang menghasilkan perubahan energi kimia menjadi energi listrik. Sedangkan sel elektrolisis menggunakan energi listrik dari sumber arus luar agar reaksi kimia nonspontan bisa terjadi.
TINJAUAN PUSTAKA
Pada tahun 1833, Michael Faraday mengamati bahwa air murni adalah isolator yang mendekati sempurna. Jika dua buah elektroda dari logam seperti platina dimasukkan dalam bejana berisi air murni, yang satu dihubungkan dengan ujung positif dari sumber arus searah, dan yang lainnya dengan ujung negatif, tidak akan terjadi arus listrik sama sekali. Akan tetapi, jika sedikit asam, basa, atau garam dilarutkan dalam air tersebut, maka tahanan air menjadi cukup rendah sehingga arus listrik dapat mengalir. Elektrolisis adalah penguraian suatu elektrolit oleh arus listrik. Konsep kerja dari sel elektrolisis adalah menggunakan energi listrik dari sumber arus luar untuk menimbulkan reaksi kimia nonspontan, sesuai dengan yang ada pada Hukum Faraday. Pada sel elektrolisis, elektroda yang sering dipakai adalah elektroda inert. Reaksi elektrolisis sendiri dialami oleh ion-ion elektrolit atau pelarut air.
3
Peralatan utama sel elektrolisis adalah dua elektroda (konduktor logam) yang dicelupkan ke dalam elektrolit konduktor ion (yang dapat berupa larutan, cairan, atau padatan) dan sumber arus.
Elektroda
inert
merupakan
jenis
elektroda
yang
berfungsi
mambangkitkan
kecenderungan sistem dalam mengambil atau melepas elektron. Logam elektroda itu sendiri tidak ikut secara nyata dalam reaksi redoks, melainkan menyediakan permukaannya sebagai tempat berlangsungnya reaksi dan katalis. Contohnya adalah elektroda hidrogen dan elektroda garam-tak larut. Elektrolit adalah suatu zat yang larut atau terurai ke dalam bentuk ion-ion dan menjadi penghantar elektrik. Elektrolit merupakan senyawa yang berikatan ion dan kovalen polar. Ion positif (kation) akan mengalami reduksi di katode (kutub negatif), dan ion negatif (anion) akan mengalami oksidasi di anode (kutub positif). Aliran muatan listrik melalui elektrolit diterangkan oleh Svante Arrhenius (1859 – 1928). Suatu larutan asam, basa atau garam terdiri dari partikel-partikel kecil bermuatan, yang disebut ion. Ion merupakan kumpulan atom-atom bermuatan, baik positif maupun negatif. Sebuah larutan tidak memiliki sifat listrik karena jumlah muatan positif sama dengan muatan negatifnya. Bila elektroda positif dan negatif berada di tempat yang berlainan dalam larutan, ion-ion positif perlahan akan menuju elektroda negatif, dan ion-ion negatif juga menuju pada elektroda positif. Namun kecepatan pergerakan ion positif dan negatif tidak sama, sehingga pada umumnya arus yang dibawa juga berbeda.
4
Faraday menyelidiki hubungan antara jumlah listrik yang mengalir dalam sel dan kuantitas kimia yang berubah di elektrode saat elektrolisis. Hasilnya adalah: 1.
Jumlah zat yang dihasilkan di elektrode sebanding dengan jumlah arus listrik yang melalui zat.
2.
Bila sejumlah tertentu arus listrik melalui sel, jumlah mol zat yang berubah di elektrode adalah konstan, tidak tergantung pada jenis zat. Misalnya, kuantitas listrik yang diperlukan untuk mengendapkan 1 mol logam monovalen adalah 96485 Coulomb, tidak bergantung pada jenis logamnya. F
Coulomb =
i t =
96500
F : jumlah mol elektron (Faraday)
⋅
96500
i : kuat arua (Ampere) t : waktu (Sekon)
W
=
e F ⋅
e i t
W : massa zat hasil elektrolisis (gr)
96500
e : berat ekivalen
⋅
⋅
=
1 Coulomb adalah muatan yang dihasilkan bila arus 1 Ampere mengalir selama 1 sekon. Angka 96500 adalah konstanta Faraday, yang didefinisikan sebagai kuantitas listrik yang dibawa oleh 1 mol elektron.
Elektrolisis Lelehan Natrium Klorida Dalam keadaan meleleh, natrium klorida sebagai senyawa ionik, dapat dielektrolisis membentuk logam natrium dan klorin. Dalam lelehan NaCl, kation dan anionnya masngmasing adalah ion Na+ dan Cl-. Sel elektrolitik mempunyai sepasang elektroda yang dihubungkan ke baterai (sumber arus). Baterai berfungsi sebagai pompa elektron, yang menggerakkan elektron ke katoda (tempat terjadinya reaksi reduksi), dan menarik elektron dari anoda (tempat terjadinya oksidasi). Reaksi yang terjadi adalah: Anoda (oksidasi)
:
2Cl-(l )
Cl2(g ) + 2e-
Katoda (reduksi)
:
2Na+(l ) + 2e-
2Na(l )
Keseluruhan
:
2Na+(l ) +2Cl-(l )
2Na(l ) + Cl2(g )
Proses ini merupakan sumber utama logam natrium murni dan gas klorin.
5
APLIKASI ELEKTROLISIS DI TEKNIK KIMIA
Elektrolisis pertama kali dicoba pada air (tahun 1800). Hingga kini, elektrolisis digunakan untuk menghasilkan berbagai macam logam, khususnya logam dengan kecenderungan
ionisasi
tinggi
Elektroplating,
Elektroanalitik,
seperti
aluminium.
Elektrokoagulasi,
Elektrometalurgi,
Elektrokatalis,
dan
Elektrosintesis, Elektrodialisis
merupakan beberapa contoh aplikasi elektrolisis dalam industri.
Elektrometalurgi Elektrometalurgi adalah metode elektrolisis dapat digunakan untuk memperoleh logam murni dari bijihnya atau pemurnian logam. 1.
Produksi Logam Aluminium
Pada tahun 1886, penemu Amerika Charles Martin Hall dan penemu Perancis Paul Louis Toussaint Heroult sukses memproduksi alumunium dengan menggunakan lelehan Na3AlF6 sebagai pelarut bijih. Alumunium biasanya dibuat dari bijih bauksit (Al2O3.2H2O). Pertama-tama bijihnya diolah untuk menghilangkan pengotor, kemudian dipanaskan untuk memperoleh Al2O3 tanpa air. Oksida ini dilarutkan dalam lelehan kriolit (Na3AlF6) dalam suatu sel elektrolitik Hall. Sel ini berisi rangkaian anoda karbon, dan katodanya yang juga terbuat dari karbon menjadi pelapis di bagian dasar sel. Larutan dielektrolisis untuk menghasilkan aluminium dan gas oksigen: Anoda
:
3 [2O2-
O2(g ) + 4e-]
Katoda
: 4 [Al3+ + 3e-
Al(l )]
Keseluruhan
:
4Al(l ) + 3O2(g )
2 Al2O3
Gas oksigen bereaksi dengan anoda karbon pada 1000oC (titik leleh kriolit) membentuk gas karbon monoksida, yang keluar sebagai gas. Cairan logam aluminium (titik leleh 660oC), yang lebih rapat dari kriolit, akan melebur, tenggelam ke dasar wadah (mengumpul pada karbon, dapat dianggap sebagai katoda). Produk kemudian diambil sedikit demi sedikit. Elektrolisis dengan aluminium memiliki aspek komersial, di antaranya korosi besi kurang serius dibandingkan dengan pengkaratan besi walaupun kecenderungan terbesarnya untuk mengoksidasi mencerminkan karakter fisik dari oksida. Oksida
6
film di atas aluminium ditahan dengan sangat kuat, rapat, dan tidak dapat ditembus, oleh karena itu lebih protektif. Ketebalan film dapat ditingkatkan dengan membuat anoda aluminium sebuah sel elektrolisis dengan cairan elektrolit H2SO4. Produk ini disebut ”aluminium teranoda”. 2.
Pemurnian (Refining) Logam Tembaga
Proses pemurnian logam dilakukan dalam suatu sel elektrolit dimana elektroda positifnya dalah logam tidak murni, dan elektroda negatifnya logam murni. Elektrolit berisi larutan garam dari logam tersebut. Selama elektrolisa, hanya elektroda negatif (yang merupakan logam murni) yang akan dilapisi oleh gelembung gas. Ketidakmurnian elektroda positif akan masuk ke dalam larutan elektrolit atau jatuh sebagai endapan. Logam tembaga yang diperoleh dari bijihnya biasanya masih mengandung sejumlah pengotor seperti seng, besi, perak, dan emas. Logam yang lebih bersifat elektropositif diambil dengan proses elektrolisis, di mana dalam proses ini tembaga tidak murni hanya bertindak sebagai anoda, dan tembaga murni sebagai katoda dalam larutan asam sulfat yang berisi ion Cu2+. Setengah reaksinya adalah: Anoda :
Cu(s)
Cu2+(aq) + 2e-
Katoda:
Cu2+(aq) + 2e-
Cu(s)
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. Logam yang kurang elektropositif seperti emas dan perak, tidak
teroksidasi
pada
anoda.
Pada
akhirnya, sewaktu anoda tembaganya larut, logam-logam ini jatuh ke dasar sel. Jadi,
Baterai Katod temba murni
Anoda tembaga tak murni
hasil bersih dari proses elektrolisis ini adalah transfer tembaga dari anoda ke katoda. Tembaga yang dibuat dengan cara ini memiliki kemurnian lebih dari 99,5 persen. Perlu diperhatikan bahwa logam
24
pengotor (umumnya perak dan emas) dari anoda tembaga adalah produk sampingan
Pemurnian tembaga secara elektrolisis
7
yang berharga, yang nilai jualnya sering dapat menutup biaya listrik yang digunakan untuk menjalankan elektrolisis.
Elektrosintesis Baik teknik elektrosintesis maupun metode sintesis secara konvensional, mempunyai variabel-variabel yang sama seperti suhu, pelarut, pH, konsentrasi reaktan, metode pencampuran dan waktu. Perbedaannya, elektrosintesis mempunyai variabel tambahan yaitu variabel listrik dan fisik seperti elektroda, jenis elektrolit, lapisan listrik ganda, jenis elektroda, jenis sel elektrolisis, media elektrolisis dan derajat pengadukan. Di dalam sel elektrolisis akan terjadi perubahan kimia pada daerah sekitar elektroda, karena adanya aliran listrik. Jika tidak terjadi reaksi kimia, maka elektroda hanya akan terpolarisasi akibat potensial listrik yang diberikan. Reaksi kimia hanya akan terjadi jika ada perpindahan elektron dari larutan menuju elektroda (proses oksidasi), sedangkan pada katoda akan terjadi aliran elektron dari katoda menuju larutan (proses reduksi). Proses perpindahan elektron dibedakan atas perpindahan elektron primer, artinya materi pokok bereaksi secara langsung pada permukaan elektroda, sedangkan pada perpindahan elektron secara sekunder, elektron akan bereaksi dengan elektrolit penunjang, sehingga akan dihasilkan suatu reaktan antara (intermediate reactan), yang akan bereaksi lebih lanjut dengan materi pokok di dalam larutan. Reaktan antara ini dapat dihasilkan secara internal maupun eksternal. Perlu diketahui juga dalam mengelektrosintesis terutama sintesis senyawa organik bahwa reaksi pada elektroda dapat saja berubah bila kondisi berubah. Salah satu parameter yang penting adalah dengan mengetahui potensial elektrolisis untuk reaksi oksidasi dan reduksi. Pengaturan potensial penting untuk dilakukan, terutama bila reaksi melibatkan molekul bergugus fungsi banyak (kompleks polyfunctional molecule). Contohnya, reaksi reduksi kromida aromatik pada kondisi keton dan alkil klorida tidak aktif, dan alpha-kromoketon yang lebih mudah tereduksi dari pada arilkromida. Reaksi reduksi selektif ini dapat diramalkan berjalan sesuai arah yang diinginkan melalui pengaturan potensial. Pengaturan potensial juga berguna untuk reaksi transformasi pembuatan suatu senyawa organik yang melibatkan iodikal, karbanion ataupun korbonium, yang secara kimia biasa tidak dapat dilakukan.
8
Dasar terjadinya reaksi elektrosintesis adalah : 1.
Pemutusan ikatan tunggal
Beberapa jenis ikatan tunggal yang elektroaktif antara lain: alkil halida, ikatan karbon-oksigen, karbon-nitrogen, karbon-belerang, ikatan karbon-fosfor dan ikatan oksigen-oksigen. 2.
Reduksi Ikatan rangkap (rangkap dua dan rangkap tiga)
Beberapa kelompok ikatan rangkap yang elektroaktif, antara lain gugusan karbonil (aldehida, keton, karboksilat dan turunannya), ikatan ganda karbon nitrogen (Irium, turunan karbonil lainnya), gugus nitro (senyawa nitro aromatik, nitro alifatik), ikatan rangkap lainnya (senyawa azo dan nitrozo, diazo dan diazinum). Metode elektrosintesis ini telah banyak dimanfaatkan dalam mensintesis senyawa organik (elektrosintesis organik) dan elektrosintesis bahan konduktor organik, serta pengolahan polutan menjadi senyawa yang bermanfaat. Sintesis bahan organik didasarkan pada reaksi penggabungan, substitusi, siklisasi dan reaksi eliminasi yang diikuti pengaturan kembali secara elektrokimia. Ini berbeda dengan metode secara konvensional yang memakai dasar reduksi aldehid, oksidasi alkohol, reduksi senyawa nitro, dan oksidasi senyawa sulfur. Kesulitan yang timbul selama elektrosintesis organik adalah bila zat antara yang diinginkan memiliki kestabilan yang rendah. Cara mengatasinya adalah dengan menyediakan zat perangkap (trapping agent) di dalam larutan, dengan syarat zat perangkap ini tidak bereaksi dengan zat elektroaktif dan tidak mengalami elektrolisis. Berikut adalah contoh gambar rangkaian sel elektrolisis dengan dua buah elektroda untuk sintesis senyawa organik:
9
Beberapa contoh dari elektrosintesis organik adalah pembuatan chiral drug untuk industri farmasi, sintesis p-aminofenol melalui reduksi nitrobenzena secara elektrolisis, pembuatan soda (NaOH) dan asam sulfat (H2SO4) dari Na2SO4 melalui proses splitting electrochemistry, reduksi senyawa Triphenylbiomoethylene menjadi Triphenilethylene dan Triphenylethane, serta ratusan senyawa organik lainnya yang telah berhasil dibuat untuk keperluan bahan baku obat. Untuk skala perusahaan, telah dilakukan oleh Perusahan Monsanto (Kanada) dengan memproduksi adiponitril (bahan dasar nylon 6,6) dan produksi fluorokarbon oleh Perusahaan Philips (Belanda). Sedangkan metode elektrosintesis bahan konduktor organik telah dilakukan oleh para peneliti di Pusat Penelitian dan Pengembangan Bahan (P3IB) Batan Indonesia yakni polipirol dan polialanin, pembuatan lapisan tipis superkonduktor YBCO-123 dan Bi-PbSr-Ca-Cu-O serta pengkajian pembuatan prekursor superkonduktor YBCO-123.Bi-PbSr-Ca-Cu-O, Ti-Sr-Ca-Cu-O, dan lain-lain, yang didasarkan pada elektrodeposisi unsurunsur penyusun superkonduktor tersebut. Metode atau aspek lain pemanfaatan polutan menjadi senyawa yang bermanfaat mungkin hal baru bagi sebagian orang (terutama non kimia). Polutan yang paling banyak diteliti dalam perspektif elektrosintesis adalah karbondioksida. Karbon dioksida mendapat perhatian khusus karena polutan ini merupakan gas buangan yang paling banyak ditemukan, dan dampaknya terhadap atmosfir bumi sudah dikenal, terutama terjadinya efek rumah kaca. Penelitian pemanfaatan karbondioksida yang sedang dilakukan dewasa ini adalah pengubahan polutan ini menjadi metana (yang dikenal sebagai bahan bakar ramah lingkungan), asetilena dan metanol (yang mempunyai nilai ekonomis tinggi).
10
PENUTUP
Kesimpulan Elektrokimia, terutama elektrolisis, yang bekerja berdasarkan reaksi redoks, merupakan metode yang sangat bermanfaat. Aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari dan industri sangat beragam. Saran Masih banyak model aplikasi elektrolisis dalam kehidupan sehari-hari manusia yang perlu dipelajari lebih mendalam.
11
DAFTAR PUSTAKA
Atkins, P.W. 1994. Kimia Fisika Jilid 1 Edisi ke-4. Diterjemahkan oleh Irma I. Kartohadiprojo. Jakarta: Erlangga Buchari. 2003. Elektrokimia dalam Bahan Makanan dan Obat-obatan. Prosiding Seminar Nasional Elektrokimia. Jakarta: P3IB BATAN Chang, Raymond. 2005. Kimia Dasar: Konsep-konsep Inti Jilid 2 Edisi ke-3. Diterjemahkan oleh Suminar Setiati Achmadi. Jakarta: Erlangga Day, R.A., dan A.L. Underwood. 2002. Analisis Kimia Kuantitatif Edisi ke-6. Diterjemahkan oleh Iis Sopyan. Jakarta: Erlangga Kaneco, S., Hiei, N.-h., Xing, Y., Katsumata, H., Ohnishi, H., Suzuki, T., and Ohta, K. (2002). Electrochemical conversion of carbon dioxide to methane in aqueous NaHCO3 solution at less than 273 K . Electrochimia Acta, 48, 51-55 Putra, Sinly Evan. Elektrosintesis, Metode Elektrokimia untuk Memproduksi Senyawa Kimia. http://www.chem-is-try.org/ Sears, F.W. dan M.W. Zemansky. 1963. Fisika untuk Universitas II Listrik-Magnet . Diterjemahkan oleh Drs. Soemitro. Bandung: Dhiwantara Suwarso, W., Wibowo, W., dan Trimongsowati. 2003. Peranan Litbang Elektrokimia untuk Sintesis Bahan Obat-Obatan: Elektrosintesis p-Aminofenol dari Nitrobenzena. Prosiding Seminar Nasional Elektrokimia. Jakarta: P3IB BATAN
12
