Elektrolisi dan Hukum Faraday

Elektrolisis adalah peristiwa penguraian elektrolit dalam sel elektrolisis oleh arus listrik.

Dalam sel volta/galvani, reaksi oksidasi reduksi berlangsung dengan spontan, dan energi kimia yang menyertai reaksi kimia diubah menjadi energi listrik. Sedangkan elektrolisis merupakan reaksi kebalikan dari sel volta/galvani yang potensial selnya negatif atau dengan kata lain, dalam keadaan normal tidak akan terjadi reaksi dan  reaksi dapat terjadi bila diinduksi dengan energi listrik dari luar. 

Contoh sel Volta adalah sel Daniel, reaksi total sel Daniell adalah  :

Zn + Cu²⁺  → Zn²⁺ + Cu   E⁰ = 1,1 V

Andaikan potensial lebih tinggi dari 1,1 V diberikan pada sel dengan arah kebalikan dari potensial yang dihasilkan sel, reaksi sebaliknya akan berlangsung. Jadi, zink akan mengendap dan tembaga akan mulai larut.

Zn²⁺ + Cu → Zn + Cu²⁺

 

 Elektroda positif (+) dari sel dihubungkan dengan kutub positif (+) dari sumber arus listrik
 Elektroda negatif (-) dari sel dihubungkan dengan kutub negatif (-) dari sumber arus listrik

Pada elektroda positif (+)/anoda karena dihubungkan dengan  kutub positif (+) yang potensialnya lebih besar menyebabkan terjadi reaksi oksidasi dan elektron mengalir dari elektroda ini menuju ke sumber arus listrik. Elektron bergerak dari kutub negatif (-) sumber arus listrik ke elektroda negatif (-)/katoda sehingga menyebabkan terjadi reaksi reduksi.

Persamaan dan perbedaan sel volta dan sel elektrolisis :

Persamaan :
Anoda selalu terjadi reaksi oksidasi dengan kata lain elektroda yang terjadi reaksi oksidasi disebut anoda
Katoda selalu terjadi reaksi reduksi dengan kata lain elektroda yang terjadi reaksi reduksi disebut katoda

Perbedaan :

Pada Sel Volta 

merubah energi kimia menjadi energi listrik

Anoda (oksidasi) adalah elektroda negatif (-) dan katoda (reduksi) adalah elektroda positif (+)

Pada Sel Elektrolisis 

merubah energi listrik menjadi energi kimia

Anoda (oksidasi) adalah elektroda positif (+) dan katoda (reduksi) adalah elektroda negatif (-)

Reaksi-reaksi Sel Elektrolisis

Reaksi pada Katoda ( Reduksi Kation)

1.Bila kation dari golongan Alkali/ IA (Li⁺, Na⁺, K⁺), Alkali tanah/ IIA (Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺), Al³⁺ atau Mn²⁺ maka kation tersebut tidak direduksi namun air (H2O) yang direduksi. hal ini karena E°red H2O lebih besar dari ion-ion teraebut. Reaksi yang terjadi :

2H₂O(l) + 2e^- → H₂(g) + 2OH^-(aq)

2. H⁺ dari suatu asam akan direduksi menjadi gas hidrogen (H2). Reaksi yang terjadi :

2H⁺(aq) + 2e^- → H₂(g)

3. Ion-ion logam lainnya yang tidak termasuk kelompok di atas direduksi lalu mengendap pada katoda.

Ni²⁺(aq) + 2e^- → Ni(s)

Cu²⁺(aq) + 2e^- → Cu(aq)

Ag⁺(aq) + e^- → Ag(s)

4. Ion-ion lelehan atau leburan dari golongan alkali dan alkali tanah direduksi lalu mengendap pada katoda (karena lelehan/leburan tidak mengandung air).

Li⁺(aq) + e^- → Li(s)

Ca²⁺(aq) + 2e^- → Ca(s)

Reaksi pada Anoda (Oksidasi Anion)

1.  Bila elektrodanya non inert ( Ni, Cu, Ag dll) maka elektrodanya yang dioksidasi. contoh reaksinya :

Ni(s) → Ni²⁺(aq) + 2e^-  

Cu(aq) → Cu²⁺(aq) + 2e^-  

Ag(s) → Ag⁺(aq) + e^-  

2. Bila elektrodanya inert ( C, Pt atau Au) maka elektrodanya tidak bereaksi dan bila anionnya :

a. Ion OH^- dari basa maka reaksi yang terjadi :

4OH^-(aq) → 2H2O(aq) + O2(g) + 4e^-

b. Ion sisa asam yang mengandung oksigen (SO₄^2-, NO₃^-, PO₄^3- dll) tidak dioksidasi namun air (H2O) yang dioksidasi. karena E°oks H2O lebih besar dari sisa asam yang mengandung oksigen. Reaksi yang terjadi :

2H2O(aq) → 4H⁺(aq) + O2(g) + 4e^-

c. ion sisa asam yang tidak mengandung oksigen (Cl^- , Br^- , I^- dll) akan dioksidasi.

2Cl^-(s) → Cl2(g) + 2e^-

2Br^-(s) → Br2(g) + 2e^-

setelah membaca dari beberapa sumber ternyata yang dituliskan dalam reaksi elektrolisis bukan hanya reaksi di katoda (+) dan anoda (-) saja, tetapi reaksi penguraiannya juga. sebagai gambaran saya beri beberapa contoh reaksi elektrolisis.

1. elektrolisis kalium iodida (KI) dengan elektroda C

                      KI                  → K⁺ + I^-                                x2

Katoda (+)   : 2H₂O(l) + 2e^- → H₂(g) + 2OH^-(aq)

Anoda (-)     : 2I^-(s)               → I2(g) + 2e^-

                        2KI             → 2K⁺ + 2I^-                            

Katoda (+)   : 2H₂O(l) + 2e^- → H₂(g) + 2OH^-(aq)

Anoda (-)     : 2I^-(s)               → I2(g) + 2e^-

--------------------------------------------------------

Reaksi sel     : 2KI + 2H₂O  → 2K⁺ + 2OH^- + I2 + H₂

                      2KI + 2H₂O  → 2KOH + I2 + H₂

Pada katoda reaksi K diganti oleh H2O karena K tergolong dalan logam alkali.
dikalikan 2 ( x2 ) untuk menyamakan ion sejenis dan/atau elektron di ruas kiri dan kanan. kemudian setelah ion sejenis dan jumlah elektron di ruas kiri dan kanan sama dapat dicoret. Yang tidak dicoret itulah reaksi selnya. Pada reaksi-reaksi selanjutnya tidak saya beri keterangan yang penting perhatikan aturan-aturan reaksi pada katoda dan anoda yang telah dibahas sebelumnya.

2. elektrolisis larutan AgNO3 dengan elektroda Pt

                     AgNO3        →  Ag⁺ + NO3^-                                     x4    

Katoda (+)   : Ag⁺(aq) + e^-  → Ag(s)                                                                   x4

Anoda (-)     : 2H2O(aq)     → 4H⁺(aq) + O2(g) + 4e^-                            x1


                      4AgNO3                       → 4Ag⁺ + 4NO3^-                                        

Katoda (+)   : 4Ag⁺(aq) + 4e^-                    → 4Ag(s)                                                                   

Anoda (-)     : 2H2O(aq)                       → 4H⁺(aq) + O2(g) + 4e^-                          
--------------------------------------------------------------------------
Reaksi sel     : 4AgNO3(aq) + 2H₂O(aq) → 4Ag(s) + 4H⁺(aq) + 4NO3^- + O2(g)

                      4AgNO3(aq) + 2H₂O(aq) → 4Ag(s) + 4HNO3 + O2(g)

3. elektrolisi leburan NaCl dengan elektroda Cu ( ingat Cu tidak inert)

                      NaCl           → Na⁺ + Cl^-                                                       x2

Katoda (+)   : Na⁺(aq) + e^-  → Na(s)                                                                  x2

Anoda (-)     : Cu(aq)          → Cu²⁺(aq) + 2e^-                                     x1

                      2NaCl               → 2Na⁺ + 2Cl^-                                                    

Katoda (+)   : 2Na⁺(aq) + 2e^-    → 2Na(s)                                                              

Anoda (-)     : Cu(aq)                 → Cu²⁺(aq) + 2e^-                                   

Reaksi sel     : 2NaCl  + Cu(aq) → 2Na(s) + Cu²⁺ +  2Cl^-  

                      2NaCl  + Cu(aq) → 2Na(s) + CuCl2 

1 Faraday  =  1 mol elektron  =  6,02 x 10²³ partikel elektron x 1,6 x 10^-19 C/partikel elektron 1 Faraday  =  96320 C (sering dibulatkan menjadi 96500 C untuk mempermudah perhitungan)

Hubungan antara Faraday dan Coulomb dapat dinyatakan dalam persamaan berikut :

Faraday  =  Coulomb / 96500

Coulomb  =  Faraday x 96500

Coulomb adalah satuan muatan listrik. Coulomb dapat diperoleh melalui perkalian arus listrik (Ampere) dengan waktu (detik). Persamaan yang menunjukkan hubungan Coulomb, Ampere, dan detik adalah sebagai berikut :

Coulomb  =  Ampere  x  Detik

Q  =  I  x  t

Dengan demikian, hubungan antara Faraday, Ampere, dan detik adalah sebagai berikut :

Faraday  =  (Ampere  x  Detik)  /  96500

Faraday  =  (I  x  t)  /  96500

Dengan mengetahui besarnya Faraday pada reaksi elektrolisis, maka mol elektron yang dibutuhkan pada reaksi elektrolisis dapat ditentukan. Selanjutnya, dengan memanfaatkan koefisien reaksi pada masing-masing setengah reaksi di katoda dan anoda, kuantitas produk elektrolisis dapat ditemukan.

Berikut ini adalah beberapa contoh soal aspek kuantitatif sel elektrolisis :

1. Pada elektrolisis larutan AgNO₃ dengan elektroda inert dihasilkan gas oksigen sebanyak 5,6 L pada STP. Berapakah jumlah listrik dalam Coulomb yang dialirkan pada proses tersebut?

Penyelesaian :

Reaksi elektrolisis larutan AgNO₃ dengan elektroda inert adalah sebagai berikut :

Katoda (-)   :  Ag⁺ +  e^- ——>  Ag

Anoda (+)   :  2 H₂O_(l) ——>  O_2(g) +  4 H⁺_(aq) +  4 e^-

Gas O₂ terbentuk di anoda. Mol gas O₂ yang terbentuk sama dengan 5,6 L / 22,4 L = ¼ mol O₂

Berdasarkan persamaan reaksi di anoda, untuk menghasilkan ¼ mol gas O₂, maka jumlah mol elektron yang terlibat adalah sebesar  4 x ¼ = 1 mol elektron.

1 mol elektron = 1 Faraday = 96500 C

Jadi, jumlah listrik yang terlibat adalah sebesar 96500 C

2. Unsur Fluor dapat diperoleh dengan cara elektrolisis lelehan NaF. Berapakah waktu yang diperlukan untuk mendapatkan 15 L gas fluorin ( 1 mol gas mengandung 25 L gas) dengan arus sebesar 10 Ampere?

Penyeleasian :

Reaksi elektrolisis lelehan NaF adalah sebagai berikut :

K (-) : Na⁺_(l) +  e^- ——>  Na_(s)

A (-) : 2 F^-_(l) ——>  F_2(g) +  2 e^-

Gas F₂ terbentuk di anoda. Mol gas F₂ yang terbentuk adalah sebesar 15 L / 25 L = 0,6 mol F₂

Berdasarkan persamaan reaksi di anoda, untuk menghasilkan 0,6 mol gas F₂, akan melibatkan mol elektron sebanyak 2 x 0,6 = 1,2 mol elektron

1,2 mol elektron = 1,2 Faraday

Waktu yang diperlukan dapat dihitung melalui persamaan berikut :

Faraday = (Ampere x Detik) / 96500

1,2  =  (10 x t)  / 96500

t  =  11850 detik  =  3,22 jam

Jadi, diperlukan waktu selama 3,22 jam untuk menghasilkan 15 L gas fluorin

3. Arus sebesar 0,452 A dilewatkan pada sel elektrolisis yang mengandung lelehan CaCl₂ selama 1,5 jam. Berapakah jumlah produk yang dihasilkan pada masing-masing elektroda?

Penyelesaian :

Reaksi elektrolisis lelehan CaCl₂ adalah sebagai berikut :

K (-) : Ca²⁺_(l) +  2 e^- ——>  Ca_(s)

A (+) : 2 Cl^-_(l) ——>  Cl_2(g) +  2 e^-

Mol elektron yang terlibat dalam reaksi ini dapat dihitung dengan persamaan berikut :

Faraday  =  (Ampere x Detik) / 96500

Faraday  =  (0,452 x  1,5  x  3600) / 96500  mol elektron

Berdasarkan persamaan reaksi di katoda, mol Ca yang dihasilkan adalah setengah dari mol elektron yang terlibat. Dengan demikian, massa Ca yang dihasilkan adalah :

Massa Ca = mol Ca x Ar Ca

Massa Ca  =  ½  x  (0,452 x  1,5  x  3600) / 96500  x  40  =  0,506 gram Ca

Berdasarkan persamaan reaksi di anoda, mol gas Cl₂ yang dihasilkan adalah setengah dari mol elektron yang terlibat. Dengan demikian, volume gas Cl₂ (STP) yang dihasilkan adalah :

Volume gas Cl₂ = mol Cl₂ x 22,4 L

Volume gas Cl₂ =  ½  x  (0,452 x  1,5  x  3600) / 96500  x  22.4 L  =  0,283 L gas Cl₂

Jadi, produk yang dihasilkan di katoda adalah 0,506 gram endapan Ca dan produk yang dihasilkan di anoda adalah 0,283 L gas Cl₂ (STP)

4. Dalam sebuah percobaan elektrolisis, digunakan dua sel yang dirangkaikan secara seri. Masing-masing sel menerima arus listrik yang sama. Sel pertama berisi larutan AgNO₃, sedangkan sel kedua berisi larutan XCl₃. Jika setelah elektrolisis selesai, diperoleh 1,44 gram logam Ag pada sel pertama dan 0,12 gram logam X pada sel kedua, tentukanlah massa molar (Ar) logam X tersebut!

Penyelesaian :

Reaksi elektrolisis larutan AgNO₃ :

K (-) :  Ag⁺_(aq) +  e^- ——>  Ag_(s)

A (+) : 2 H₂O_(l) ——>  O_2(g) +  4 H⁺_(aq) +  4 e^-

Logam Ag yang dihasilkan sebanyak 1,44 gram; dengan demikian, mol logam Ag yang dihasilkan sebesar  1,44 / 108 mol Ag

Berdasarkan persamaan reaksi di katoda, mol elektron yang dibutuhkan untuk menghasilkan logam Ag sama dengan mol logam Ag (koefisien reaksinya sama)

Sehingga, mol elektron yang digunakan dalam proses elektrolisis ini adalah sebesar   1,44 / 108 mol  elektron

Reaksi elektrolisis larutan XCl₃ :

K (-) :  X³⁺_(aq) +  3 e^- ——>  X_(s)

A (+) : 2 Cl^-_(l) ——>  Cl_2(g) +  2 e^-

Arus yang sama dialirkan pada sel kedua, sehingga, mol elektron yang digunakan dalam proses elektrolisis ini sama seperti sebelumya, yaitu sebesar 1,44 / 108 mol  elektron

Berdasarkan persamaan reaksi di katoda, mol logam X yang dihasilkan sama dengan  1 / 3 kali mol elektron, yaitu sebesar  1 / 3  x  1,44 / 108 mol X

Massa logam X  =  0,12 gram; dengan demikian, massa molar (Ar) logam X adalah sebagai berikut:

mol  =  massa / Ar

Ar  = massa / mol

Ar  =  0,12 / (1 / 3  x  1,44  / 108)  =  27

Jadi, Ar dari logam X adalah 27