Laporan Praktikum Kimia Dasar II " Elektrokimia : Sel Elektrokimia"

PERCOBAAN V

ELEKTROKIMIA : SEL ELEKTROLISIS

    I.               TUJUAN PERCOBAAN

Tujuan dari percobaan ini adalah mempelajari sel elektrolisis dan mengamati yang terjadi di katoda dan di anoda pada elektrolisis larutan NaCl.

   II.            TINJAUAN PUSTAKA

Elektrolisis adalah peristiwa penguraian suatu elektrolit oleh suatu arus listrik. Jika dalam sel volta energy kimia diubah menjadi energy listrik, maka dalam sel elektrolisis yang terjadi adalah sebaliknya, yaitu energy listrik diubah menjadi energy kimia. Dengan mengalirkan arus listrik ke dalam suatu larutan atau leburan elektrolit, akan diperoleh reaksi reduksi yang terjadi dalam sel elektrolisi. Faktor yang menentukan reaksi kimia elektrolisis antara lain konsentrasi (keaktifan) elektrolit yang berbeda, ada yang bersifat inert (tak aktif) dab elektoda tak inert (Anshory, 1984).

Elektrolisis terjadi ketika aliran arus listrik melalui senyawa ionik dan mengalami reaksi kimia. Larutan elektrolit dapat menghantar listrik karena mengandung ion-ion yang dapat bergerak bebas. Ion-ion tersebut yang menghantarkan arus listrik melalui larutan. Hantaran listrik melalui larutan elektrolit terjadi ketika sumber arus searah memberi muatan yang berbeda pada kedua elektroda. Katoda (elektroda yang dihubungkan dengan kutub negatif) bermuatan negatif, sedangkan anoda (elektroda yang dihubungkan dengan kutub positif) bermuatan positif. Spesi (ion, molekul, atau atom) tertentu dalam larutan akan mengambil elektron dari katoda, sementara spesi lainnya melepas elektron ke anoda. Selanjutnya elektron akan dialirkan ke katoda melalui sumber arus searah. Faktor yang mempengaruhi elektrolisis antara lain penggunaan katalisator, luas permukaan tercelup, sifat logam bahan elektroda, konsentrasi pereaksi, dan besar tegangan eksternal (Wahyono dkk, 2017).

Dalam elektrolisis, sumber aliran listrik digunakan untuk mendesak electron agar mengalir dalam arah yang berlawanan. Dengan aliran spontan. Hubungan antara jumlah energy listrik yang dikonsumsi dan perubahan kimia yang dihasillkan dalam elektrolisis merupakan salah satu persoalan penting yang dicarikan jawabannya oleh Michel Faraday. Hukum faraday pertama tentang tentang elektrolisis menyatakan bahwa “jumlah perubahan kimia yang dihasilkan sebanding dengan besarnya muatan listrik yang melewati suatu elektrolisis”. Hukum kedua tentang elektrolisis menyatakan bahwa : “Sejumlah tertentu arus listrik menghasilkan jumlah ekivalen yang sama dari benda apa saja dalam suatu elektrolisis” (Petrucci, 1985).

III.            ALAT DAN BAHAN

             A. Alat

       Alat-alat yang digunakan pada percobaan ini adalah tabung U, kabel, adaptor, gelas beker, pipet tetes, penjepit, elektroda C, neraca ohaus, batang pengaduk, gelas bejana, dan arus listrik (DC).

B. Bahan

Bahan-bahan yang diperlukan pada percobaan ini adalah Larutan NaCl 0,5 M, indikator fenolftalein, dan akuades.

 IV.            PROSEDUR KERJA

A.    Dasar Reaksi Oksidasi-Reduksi pada sel Elektrolisis

1.      Memasang  pipa U di statif dan kedua lubang diberikan elektroda karbon yang sudah dirangkai dengan kabel yang dihubungkan dengan adaptor.

2.      Memasukkan larutan NaCl pada gelas beker, tuangkan ke dalam tabung U.

3.      Menambahkan 3 tetes indicator fenolftalein ke dalam masing-masing lubang pipa U.

4.      Setelah itu, tutup kedua lubang dengan menggunakan kapas.

5.      Mengamati dan bandingkan perubahan yang terjadi pada masing-masing elektroda pada masing-masing lubang pipa U, kemudian tuliskan reaksi yang terjadi pada katoda dan anodanya.

B.     Menghitung Endapan pada Reaksi Elektrolisis Larutan Garam Nacl

1.      Menimbang empat buah electrode grafit. Kemudian susunlah alat seperti pada gambar di bawah ini :

2.      Menimbang sebanyak 100 gram NaCl , Larutkan ke dalam 100 ml akuades. Cairan dibagi menjadi dua bagian dan masukkan ke dalam gelas bejana.

3.      Memasukkan electrode grafit (karbon) pada masing-masing bejana. Kedua elektroda salah satu bejana dihubungkan arus listrik (DC), dan dialiri arus sebesar 5 ampere selama 1 jam. Sedangkan bejana yang lain tidak  dihubungkan dengan arus listrik.

4.      Mengamati dan membandingkan perubahan yang terjadi pada msing-masing elektroda pada setiap bejana kemudia tuliskan reaksi yang terjadi pada katoda dan anodanya.

5.      Menimbang kembali empat buah elektroda yang telah digunakan, hitunglah endapan yang terbentuk pada elektroda. Bandingkan berat endapan yang diperoleh dengan hasil perhitungan

   V.            HASIL DAN PEMBAHASAN

A.   Hasil dan Perhitungan

1.      Hasil

a.       Dasar Reaksi Oksidasi Reduksi Pada Sel Elektrolisis

No	Percobaaan	Pengamatan
1.	Memasang pipa U di statif dan kedua lubang diberikan elektrode karbon yang sudah dirangkai dengan kabel yang dihubungkan dengan adaptor	-
2.	Memasukkan larutan NaCl pada gelas beker, tuangkan kedalam tabung U	-
3.	Menambahkan 3 tetes indikator fenolfhalein kedalam masing-masing lubang pipa U	-
4.	Menutup kedua lubang dengan kapas	-
5.	Mengamati dan membandingkan perubahan yang terjadi masing-masing elektrode pada masing-masing pipa U. Kemudian tuliskan reaksi yang terjadi pada katoda dan anodanya	Katoda Setelah ditutup kapas dan dialiri listrik berubah menjadi banyak gelembung dan warna menjadi merah muda hingga ungu.            Anoda Setelah ditutup kapas dan dialiri listrik berubah menjadi tidak banyak gelembung dan warna menjadi putih            Reaksi di anoda 2Cl-(l)  → Cl2 (g)  + 2e-            Reaksi di katoda 2H2O(l) + 2e- → 2OH-(aq) + H2(g)           Reaksi redoks yang terjadi 2Cl-(l) + 2H2O(l) → Cl2 (g) + 2OH-(aq) +H2(g)

b.      Menghitung Endapan Pada Reaksi Elektrolisis Larutan Garam NaCl

No	Percobaan	Pengamatan
1.	Menimbang empat buah electrode grafit. Kemudian susunlah alat seperti pada gambar	massa grafit 1, 2, 3, dan 4 = 12,01 gram
2.	Menimbang sebanyak 100 gram NaCl , Larutkan ke dalam 100 ml akuades. Cairan dibagi menjadi dua bagian dan masukkan ke dalam gelas bejana.	-
3.	Memasukkan elektrode grafit (karbon) pada masing-masing bejana. Kedua elektroda salah satu bejana dihubungkan arus listrik (DC), dan dialiri arus sebesar 5 ampere selama 1 jam. Sedangkan bejana yang lain tidak  dihubungkan dengan arus listrik.	t = 1 jam = 3600 detik I = 5 Ampere
4.	Mengamati dan membandingkan perubahan yang terjadi pada masing-masing elektroda pada setiap bejana kemudian tuliskan reaksi yang terjadi pada katoda dan anodanya.	Elektrode yang dialiri arus listrik arusnya meningkat sekitar 50%. Sedangkan elektrode yang tidak dialiri arus listrik beratnya hanya meningkat 0,01%.  Reaksi di anoda 2Cl-(l)  → Cl2 (g)  + 2e-            Reaksi di katoda 2Na+(l)→ 2Na(s) + 2e-
5.	Menimbang kembali empat buah elektroda yang telah digunakan, hitunglah endapan yang terbentuk pada elektroda. Bandingkan berat endapan yang diperoleh dengan hasil perhitungan	Berat elektrode yang dialiri arus listrik = 18,015 gram Berat elektrode yang tidak dialiri arus listrik = 12,011 gram

2.       Perhitungan

Perhitungan  mol zat yang terbentuk berdasrkan hukum faraday.

Kuat arus listrik (l) = 5 ampere

Waktu (t) katoda    = 3600 sekon

    Anoda     = 3600 sekon

Reaksi : 

Anoda (oksidasi) : 2Cl^-_(l) à Cl_2(g) + 2e^-

Katoda (reduksi)  : 2Na⁺_(l) + 2e^- à 2Na_(s

Reaksi redoks      : 2Na⁺ _(l) + Cl^- à 2Na_(s) + Cl_2(g)

Diketahui : I = 5 A

       t = Katoda = 3600 s                     Mr Na= 23 gr/mol

                        Anoda  = 3600 s                     Mr Cl₂= 71gr/mol

Ditanya : massa Na dan Cl₂

Jawab :

a.    Menghitung muatan listrik yang digunakan

Q = i  x  t

        = 5 A x 3600 s = 18.000 C

b.   Menghitung jumlah mol electron yang setara dengan muatan listrik

1 mol e^- = 1 faraday = 96.500 C mol^-1

Jumlah mol electron untuk 18.000 C =

 Q  =  18.000 C                   = 0,1865 mol = 18,65 x 10^-2 mol
 F      96.500 C mol^-1

Berdasarkan persamaan reaksi dikatoda , jadi 18,65 x 10^-2 mol electron dapat mengendapkan ion Na⁺ sebanyak :

1 mol Na⁺ x 18,65 x 10^-2 mol = 9,325 10^-2 mol

2  mol e^-

Jadi, ion Na⁺ yang diendapkan sebanyak = 9,325 x 10^-2 mol

c.    Massa Na yang diendapkan dikatoda sebesar

9,325 x 10^-2 mol x Ar Na = 9,325 x 10^-2 mol x 23 g/mol

                                             = 214,475 x 10^-2

                                             = 2,14475 gram

d.   Berdasarkan persamaan reaksi di anoda

Mol gas Cl₂ yang dihasilkan adalah :

1                    mol Cl₂  x 18,65 x 10^-2 mol = 9,325 10^-2 mol

2  mol e^-

2                    Volume gas Cl₂  ( STP ) yang dihasilkan :

Volume Cl₂  ( STP )     = mol Cl₂ x 22,4 L

                                                = 9,325  x 10^-2 mol  . 22,4 L

                                                = 208,88 x 10^-2 L

                                                = 2,0888 L

            Massa Cl₂ =  

Jadi, produk yang dihasilkan di katoda adalah 2,144 gram endapan Na dan 2,088  L gas Cl2 (STP) di anoda.

Hasil masa endapan saat ditimbang setelah dialiri arus listrik = 18,015 gram. Terdapat penambahan endapan Na sebanyak 6.005 gram. Peningkatan berat elektroda sebesar 50%.

Hasil masa endapan saat ditimbang yang tidak dialiri arus listrik = 2,011 gram. Terdapat penambahan endapan Na sebanyak 0,001 gram. Peningkatan berat elektroda sebesar 0,01%.

B.      Pembahasan

Sel elektrolisis adalah sel yang menggunakan arus listrik yang menghasilkan reaksi redoks yang diinginkan dan digunakan secara luas di dalam masyarakat kita, baterai aki yang dapat diisi ulang merupakan salah satu contoh aplikasi sel elektrolisis dalam kehidupan sehari-hari. Baterai aku yang sedang diisi kembali (recharge) mengubah energy listrik yang diberikan menjadi produk berupa bahan yang diingikan (Sudarmo, 2006).

Rangkaian sel elektrolisis hampir menyerupai sel volta, yang membedakan sel elektrolisis dari sel volta adalah pada sel elektrolisis komponen voltmeter diganti dengan sumber arus (umumnya baterai) larutan atau lelehan yang ingin dielektrolisis, ditempatkan dalam suatu wadah, selanjutnya elektroda dicelupkan ke dalam larutan maupun lelehan dielektrolisis. Elektroda yang digunakan umumnya merupakan elektroda inert, seperti grafit (C), platina (Pt) dan emas (Au). Elektroda berperan sebagai tempat berlangsungnya reaksi. Reaksi reduksi berlangsung di katooda, sedangkan reaksi oksidasi berlangsung di anoda. Kutub negative sumber arus mengarah pada katoda (sebab memerlukan electron) dan kutub positif sumber arus tentunya mengarah pada anoda. Akibatnya, katoda bermuatan negative dan menarik kation-kation yang akan tereduksi menjadi endapan logam. Sebaliknya, anoda bermuatan positif dan menarik anion-anion yang akan teroksidasi menjadi gas. Terlihat jelas bahwa tujuan elektrolisis adalah untuk mendapatkan endapan logam di katoda dan gas di anoda (Dogra, 2005).

Percobaan pertama dilakukan untuk mengetahui reaksi oksidasi reduksi pada sel elektrolisis. Pertama memasang pipa U distatif dan kedua lubang pipa diberi elektrode karbon. Elektrode dihubungkan dengan power supply menggunakan kabel dan penjepit. Larutan NaCl dimasukkan pada tabung U, lalu ditambahkan indikator fenolfhalein pada masing-masing lubang tabung U. Setelah itu, kedua lubang ditutup dengan kapas. Indikator fenolfhatein berfungsi sebagai pertanda bahwa reaksi sudah mengalami oksidasi atau reduksi. Hasil pada katoda menunjukkan setelah ditambahkan indikator fenolfhatein warna berubah dari bening menjadi merah muda. Fenolftalein adalah salah satu indikator asam – basa sintetik yang memiliki rentang pH antara 8,00 – 10,0. Pada larutan asam dan netral, fenolftalein tidak berwarna. Sedangkan bila dimasukkan ke dalam larutan basa, warnanya akan berubah menjadi merah muda.

Elektrolisis larutan NaCl menggunakan elektroda inert, yaitu elektrode karbon. Pada katoda akan terjadi persaingan antara kation Na⁺ dengan air. Berdasarkan nilai potensial standar reduksi), air memiliki E°red yang lebih besar dibandingkan ion Na⁺. Ini berarti, air lebih mudah tereduksi dibandingkan ion Na+, maka zat yang bereaksi di katoda adalah air. E°red ion Cl^- dan air hampir sama, oleh karena oksidasi air memerlukan potensial tambahan (overvoltage), maka oksidasi ion Cl lebih mudah dibandingkan oksidasi air. Oleh sebab itu, zat yang bereaksi di anoda adalah ion Cl. Reaksi elektrolisis larutan garam NaCl menghasilkan gas H2 dan ion OH^- (basa) di katoda yang terbentuk karena reaksi reduksi air. Dari reduksi air juga terdapat OH^-, sehingga larutan pada katode bersifat basa, hal inilah yang membuat larutan pada katode akan berubah warna menjadi merah muda ketika diberi cairan fenolftalein. Terbentuknya ion OH^- pada katoda dapat dibuktikan dengan perubahan warna larutan dari bening menjadi merah muda setelah diberi indikator fenolftalein (pp). sedangkan di anoda dihasilkan gelembung gas Cl₂ di anoda, yang terbentuk karena oksidasi anion Cl^-. Gas inilah yang menyebabkan bau tidak enak. Dari hasil reaksi oksidasi Cl^-, tidak terdapat ion OH^- atau H⁺, maka larutan pada anode bersifat netral. Karena larutan bersifat netral maka ketika larutan diberi cairan fenolftalein larutan di anode tidak akan berubah warna reaksi yang terjadi pada percobaan ini adalah :

            Reaksi di Anoda         2Cl^-_(l)  → Cl_{2 (g)}  + 2e-

            Reaksi di Katoda        2H₂O_(l) + 2e^- → 2OH^-_(aq) + H_{2(g)              +}

            Reaksi Redoks            2Cl^-_(l) + 2H₂O_(l) → Cl_{2 (g)} + 2OH^-_(aq) +H_2(g)

Percobaan kedua dilakukan dengan prinsip reaksi pada sel elektrolisis untuk melihat dan menghitung endapan yang dihasilkan pada elektrolisis NaCl. Hal yang pertama dilakukan adalah larutan NaCl dibagi ke dalam 2 bejana yang masing-masing lubang bejana diisi dengan elektrode karbon. Masing-masing elektrode ditimbang dahulu untuk mengetahui berat awal sebelum reaksi. Hal ini dilakukan untuk dapat menghitung endapan yang ada setelah reaksi. Salah satu bejana masing-masing elektrodenya dihubungkan dengan arus listrik sedangkan yang satunya tidak dihubungkan. Perlakuan ini berfungsi untuk mengetahui apakah terdapat reaksi elektrolisis jika suatu larutan dihubungkan dengan arus listrik. Arus listrik yang di alirkan sebesar 5 ampere selama 1 jam. Setelah 1 jam hasil menunjukkan bahwa berat elektrode pada bejana yang dialiri arus listrik meningkat sebesar 50%. Grafit 1 dan 2 yang semula berat awalnya 12,01 gram menjadi 18,015 gram dengan penambahan endapan Na sebanyak 6.005 gram. Pada perhitungan menunjukkan endapan logam natrium yang diperoleh adalah  2,144 gram. Antara hasil endapan percobaan dengan perhitungan menunjukkan angka yang sedikit berbeda dengan perbedaan sekitar 3.861 gram. Perbedaan ini terjadi kemungkinan karena kesalahan dalam melakukan prosedur dan penggunaan alat. Sedangkan berat electrode yaitu grafit 3 dan 4 yang tidak dialiri oleh listrik hanya meningkat 0,01%, dari 12,01 gram menjadi 12,011 gram. Hampir tidak adanya peningkatan berat dikarenakan tidak dialiri arus listrik pada katodanya. Peningkatan berat elektrode menunjukkan adanya endapan pada electrode. Terbentuknya endapan di katoda karena ion-ion bermuatan listrik berpindah dari anoda melalui elektrolit menuju ke katoda. Dapat diketahui bahwa dalam reaksi sel elektrolisis, di katoda akan menghasilkan endapan logam natrium dan pada anoda akan menghasilkan gelombang gas yaitu gas klor (Cl₂). Reaksi yang terjadi pada percobaan ini adalah :

Elektrolisis larutan garam NaCl dalam electrode karbon :

NaCl_(l) à Na⁺ _(l)  + Cl^-_(l)

Karena yang dielektrolisis adalah lelehan senyawa ion dengan electrode karbon (elektroda inert), maka kation (Na⁺) akan direduksi di katoda dan anion (Cl^-) akan dioksidasi di anoda.

Reaksi : 

Anoda (oksidasi) : 2Cl^-_(l)  à Cl_2(g) + 2e^-

Katoda (reduksi) : 2Na⁺_(l) + 2e^-   à 2Na_(s)

Reaksi redoks    : 2Na⁺ _(l) + Cl^- à 2Na_(s) + Cl_2(g)

 VI.            KESIMPULAN 

Kesimpulan yang di dapat dari percobaan ini adalah :

1.      Sel elektrolisis mengalami reaksi redoks, dimana Reaksi reduksi berlangsung di katoda, sedangkan reaksi oksidasi berlangsung di anoda. katoda bermuatan negatif dan anoda bermuatan positif. Tujuan elektrolisis adalah untuk mendapatkan endapan logam di katoda dan gas di anoda.

2.      Reaksi sel elektrolisis larutan NaCl dalam pipa U yang diberi indikator akan menghasilkan gelembung gas H₂ dan ion OH^- di katoda serta gelembung gas Cl₂ di anoda. Reaksi sel elektrolisis larutan garam NaCl dalam bejana yang dialiri listrik akan menghasilkan endapan Na pada katoda dan menghasilkan gas Cl₂  pada anoda.            

DAFTAR PUSTAKA

Anshory, I. 1984. Kimia. Ganesha Exact, Bandung.

Dogra. 2005. Kimia Fisika. Universitas Indonesia, Jakarta.

Petrucci, R.H.1985. Kimia dasar prinsip dan terapan modern edisi keempat jilid 3. Erlangga, Jakarta

Sudarmo, U. 2006. Kimia 3. Erlangga, Jakarta.

Wahyono, Y., Sutanto, H., & Hidayanto, E. 2017. Produksi gas hydrogen menggunakan metode elektrolisis dari elektrolit air dan air laut dengan penambahan katalis NaOH. Youngster Physics Journal, 6(4), 353-359.