Home / Kimia / Sel Elektrolisis

Sel Elektrolisis

  • 13 min read

Penulis : Yoga Romdoni Mahasiswa FMIPA UI Jurusan Kimia 2016

Pengertian Sel Elektrolisis

Sel Elektrolisis adalah sel elektrokimia yang membutuhkan sumber arus listrik luar untuk menjalankan reaksi non-spontan. Elektrolisis mengacu pada penguraian suatu zat oleh arus listrik. Dalam elektrolisis, jika suatu zat yang akan dielektrolisis (baik lelehan atau larutan) dialiri arus listrik searah melewati elektroda, ion dalam larutan atau lelehan tersebut akan bergerak menuju elektroda yang bermuatan berlawanan.

Komponen Sel Elektrolisis

Sumber listrik

Power supply dengan arus DC (arus searah) seperti baterai akan dialirkan melalui kedua elektroda dengan berlawanan muatan ke dalam elektrolit. Tanpa adanya arus listrik, reaksi oksidasi dan reduksi tidak dapat terjadi karena tidak terjadi transfer elektron dalam sel elektrolisis.

Elektroda

Elektroda merupakan tempat terjadinya reaksi. Elektroda terdiri dari katoda (tempat terjadinya reduksi) dan anoda (tempat terjadinya oksidasi). Kedua elektroda saling melengkapi dan terjadi secara bersamaan. Pemilihan elektroda dapat disesuaikan dengan nilai potensial reduksi zat yang direaksikan.

Pada umumnya dapat digunakan elektroda inert yang tidak bereaksi dengan larutan atau digunakan elektroda tak inert atau elektroda aktif yang dapat bereaksi dengan zat yang digunakan. Contoh elektroda inert adalah Pt, C/grafit atau Au dan elektroda tak inert adalah Cu dan Ni.

Elektrolit

Elektrolit adalah zat yang menghantarkan listrik. Larutan elektrolit memiliki ion terlarut pada konsentrasi yang tinggi sehingga dapat bergerak dan memilii sifat konduktivitas listrik. Ion ini akan bereaksi dan mengalami reaksi redoks dalam elektroda dengan adanya arus listrik. Zat elektrolit dapat berbentuk lelehan ataupun larutan.

Perbedaan Sel Volta dan Sel Elektrolisis

Berikut merupakan ilustrasi untuk menggambarkan perbedaan antara sel volta (sel galvani) dengan sel elektrolisis. Terdapat suatu rangkaian sel elektrokimia dimana terdiri dari dua elektroda yaitu elektroda tembaga dan elektroda kadmium. Elektroda tembaga dicelupkan kedalam larutan Cu2+ 1M dan elektroda cadmium dicelupkan ke dalam larutan Cd2+ 1M.

  1. Pada sel volta atau sel galvani, elektroda kadmium yang merupakan anoda akan terjadi oksidasi Cd menjadi Cd2+, sedangkan pada elektroda tembaga yang merupakan katoda akan mengalami reduksi Cu2+ menjadi Cu. Reaksi keseluruhannya yaitu

Cd(s) + Cu2+(aq) → Cd2+(aq) + Cu(s) dengan sel E ° = 0.74V

Reaksi termodinamika menjadi spontan (ΔG ° <0) berdasarkan persamaan:

ΔG∘ = − n F Ecell

ΔG∘ = − (2 mol e) [96.500J / (V⋅mol)] (0,74V) = – 140 kJ (per mol Cd)

2. Pada sel elektrolisis terjadi kebalikan reaksi dari sel volta. Agar reaksi terjadi, kita dapat memaksa reaksi untuk melanjutkan ke arah sebaliknya dengan memberikan sejumlah potensial listrik atau tegangan yang lebih besar dari 0,74 V dari power supply eksternal, Tegangan yang diberikan memaksa elektron melalui sirkuit ke arah sebaliknya, mengubah sel volta menjadi sel elektrolisis. Dengan demikian elektroda tembaga sekarang menjadi anoda (oksidasi Cu menjadi Cu2+) dan elektroda kadmium sekarang menjadi katoda (reduksi Cd2+ menjadi Cd) Reaksi keseluruhannya yaitu

Cu(s) + Cd2+(aq) → Cu2+(aq) + Cd(s) dengan sel E ° = – 0.74V

Karena Ecell <0, reaksi tidak dapat terjadi secara spontan.

pembeda sel volta dan sel elektrolisis

Pembeda

Sel Volta

Sel Elektrolisis

Energi Gibbs (ΔG)

< 0 (Spontan)

> 0 (Non-spontan)

cell

> 0

< 0

Elektroda

Anoda : Oksidasi (-)

Katoda : Reduksi (+)

Anoda: Oksidasi (+)

Katoda : Reduksi (-)

Perubahan Energi

Energi Kimia → Energi Listrik

Energi Listrik → Energi Kimia

Prinsip Sel Elektolisis dan Cara Kerjanya

Prinsip dari sel elektrolisis adalah reaksi redoks (reduksi dan oksidasi) secara tidak spontan. Cara kerjanya adalah sumber arus listrik akan memompa elektron dari anoda menuju katoda. Elektron ini akan ditangkap oleh kation sehingga pada permukaan katoda terjadi reduksi. Pada saat yang sama anion melepaskan elektron. Melalui anoda, elektron dikembalikan ke sumber arus. Pada permukaan anoda terjadi reaksi oksidasi.

Reaksi Elektrolisis

Elektrolisis dapat terjadi pada lelehan dan larutan. Adapun perbedaan keduanya adalah

Elektrolisis Lelehan

Ion yang terkandung dalam lelehan akan bergerak menuju anoda dengan melepaskan elektron (terjadi oksidasi) sedangkan ion positif akan bergerak menuju katoda dengan menerima elektron (terjadi reduksi). Pada umumnya, elektrolisis lelehan menggunakan elektroda inert (tidak reaktif) seperti platina (Pt), karbon/grafit (C) atau emas (Au) yang tidak terlibat dalam reaksi. Contoh: reaksi elektrolisis lelehan NaCl dengan elektroda Pt.

A picture containing table Description automatically generated

Elektrolisis Larutan

Dalam elektrolisis larutan, terjadi kompetisi antara air (pelarut) dengan kation dalam menangkap elektron di katoda. Selain itu pada anoda, jenis elektroda dan anion akan mempengaruhi elektrolisis. Dalam hal ini akan dibahas beberapa ketentuan untuk elektrolisis larutan

a. Reaksi di katoda (bergantung pada jenis kation)

  • Kation golongan 1A (Li+, Na+ dan K+), 2A (Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+), Al3+ dan Mn2+ tidak tereduksi tetapi yang tereduksi adalah air dari pelarut. Reaksi reduksi kation golongan tersebut adalah

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

  • Kation logam lain (M) seperti Cu2+, Ag+, Fe3+, Zn2+ mengalami reduksi:

Katoda (-) : M+(aq) + e- → M(s)

b. Reaksi di anoda (bergantung pada jenis anion dan elektroda)

  • Ion sisa asam oksi (contoh: NO3-, SO42-, CO32-, PO43-) tidak teroksidasi tetapi yang teroksidasi adalah air dari pelarut. Reaksi oksidasi anion golongan ini adalah Anoda (+) : 2H2O(l) → 4H+(aq) + O2(g) + 4e
  • Ion hidroksida dari basa (OH) akan teroksidasi menjadi: Anoda (+) : 4OH(aq) → 2H2O(l) + O2(g) + 4e
  • Ion sisa asam lain (X) (contoh: Cl-, Br-, I-) akan teroksidasi menjadi: Anoda (+) : 2X(aq) → X2(g) + 2e
  • Anoda tak inert akan teroksidasi menjadi: Anoda (+) : M(s) → M2+(aq) + 2e

Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Reaksi Elektrolisis

Overpotential

Overpotential merupakan tegangan yang dihasilkan secara signifikan lebih tinggi dari yang diharapkan. Tegangan berlebih mungkin diperlukan untuk mengatasi interaksi yang terjadi pada permukaan elektroda (terutama untuk gas). Misalnya. H2(g) membutuhkan overpotential 1,5 V, sedangkan Pt(s) membutuhkan overpotential 0 V.

Jenis elektroda

Elektroda inert bertindak sebagai permukaan tempat terjadinya reaksi dan tidak terlibat dalam reaksi kimia. Kemampuan elektroda inert untuk elektrolisis bergantung pada reaktan dalam larutan elektrolit sedangkan elektroda tak inert dapat berjalan sendiri untuk melakukan oksidasi atau reduksi reaksi setengah sel.

Keadaan reaktan

Reaktan mungkin dalam kondisi tidak standar yang berarti bahwa tegangan untuk setengah sel mungkin kurang atau lebih dari kondisi standar. Sebagai contoh:

Konsentrasi ion klorida = 5,5M bukan dalam keadaan standar 1M, sehingga terjadi pengurangan tegangan ion dari 1,36 V menjadi 1,31 V.

Aspek Kuantitatif Elektrolisis

Hukum I Faraday

Hukum pertama faraday berbunyi “Jumlah zat yang dihasilkan di elektroda pada elektrolisis sebanding dengan jumlah muatan listrik yang dialirkan selama elektrolisis berlangsung”.

  • Jumlah muatan listrik yang dialirkan dapat dihitung dengan mengalikan muatan satu buah elektron dengan jumlah elektron yang terdapat dalam 1 mol elektron. Sehingga didapatkan 1 mol elektron sama dengan 96.500 C atau 1 faraday.
11
  • Jumlah zat yang dihasilkan elektroda pada elektrolisis dipengaruhi oleh waktu (lamanya) elektrolisis dan arus yang digunakan. Hubungan ketiga konsep tersebut ditentukan berdasarkan persamaan:

q = I x t

Berdasarkan persamaan tersebut dapat dihubungkan beberapa aspek dan didapatkan persamaan:

12

dengan:

m atau G = massa zat yang dihasilkan (gram)

I = kuat arus (ampere)

Ar = massa atom relatif (gr/mol)

neq = jumlah mol elektron yang terlibat dalam reaksi (mol)

ne = jumlah 1 mol elektron (mol)

t = waktu (detik)

ME = massa ekuivalen

Contoh Soal: Hitunglah jumlah massa alumunium yang dihasilkan selama satu jam dari reaksi elektrolisis lelehan AlCl3 jika diberikan arus sebesar 10 A.

Jawab:

Hukum II Faraday

Jika dalam beberapa larutan berisi ion logam yang dialirkan listrik dengan jumlah yang sama, maka massa logam yang mengendap (m) akan berbanding lurus dengan massa ekuivalennya. Massa ekuivalen didefiniskan sebagai perbandingan massa atom relatif dengan jumlah elektron atau biloks yang terlibat. Persamaannya adalah sebagai berikut:

14

dengan:

m1 = massa endapan zat 1 yang dihasilkan (gram)

m2 = massa endapan zat 2 yang dihasilkan (gram)

ME1 = massa ekuivalen 1

ME2 = massa ekuivalen 2

Contoh Soal: Sejumlah arus yang sama dialirkan pada dua buah rangkaian sel yaitu sel yang mengandung XSO4 dan YSO4. Jika masing-masing massa yang dihasilkan dalam elektrolisis adalah 2 gram dan 8 gram. Maka perbandingan massa atom relatif (Ar) X dan Y adalah

Jawab:

15

Aplikasi Elektrolisis

Penyepuhan (Electroplating)

Penyepuhan merupakan suatu metode pelapisan permukaan logam dengan logam lain yang lebih stabil secara elektrolisis dengan tujuan mencegah logam terhadap korosi dan memperindah penampilan. Dalam elektrolisis, logam yang akan di sepuh sebagai katoda, logam penyepuh sebagai anoda dan elektrolit yang digunakan mengandung kation penyepuh. Contoh: pelapisan perlengkapan kamar mandi dengan kromium, pelapisan bumper dan dop mobil, serta pelapisan alat makan atau perhiasan dengan perak.

Penyepuhan

Pemurnian (Electrorefining)

Pemurnian merupakan proses pemurnian logam secara elektrolisis. Dalam elektrolisis, logam murni bertindak sebagai katoda, logam yang ingin ditingkatkan kemurniannya sebagai anoda dan elektrolit yang digunakan larutan dengan konduktifitas listrik yang besar dan konsentrasi yang konstan. Sebagai contoh pemurnian logam tembaga.

Dalam proses pemurniannya, katoda adalah tembaga murni, sedangkan anoda adalah sepotong tembaga tidak murni. Elektron yang dihasilkan dari oksidasi Cu pada anoda akan mengalir menuju katoda. Di saat itu juga, terjadi perpindahan Cu2+ dari anoda menuju katoda dan zat pengotor ditinggalkan di bagian bawah tangki.

Residu sisa ini disebut lumpur anoda atau anode mud. Elektrolisis dilakukan pada 0,15 – 0,30V (tegangan rendah) untuk memastikan bahwa pengotor Ag, Au, dan Pt tidak teroksidasi saat berada dalam anoda dan menjadi lumpur anoda.

Electrosynthesis

Suatu metode yang menggunakan reaksi elektrolisis untuk menghasilkan produk tertentu. Salah satu contohnya adalah elektrolisis MnO2. MnO2 terjadi secara alami dalam bentuk mineral pirolusit, tetapi mineral ini tidak mudah digunakan karena sifat ukuran dan struktur kisinya. Namun, MnO2 dapat diperoleh dengan cara yang berbeda, melalui elektrolisis MnSO4 dalam larutan asam sulfat. Anoda yang digunakan adalah grafit, di mana Mn2+ akan teroksidasi. Saat berada di katoda, hidrogen direduksi dari H+ menjadi H2.

Reaksi total: Mn2+ + H2O(l) → MnO2(s) + 2H+(aq) + H2(g)

Dalam skala industri, pembuatan gas klorin dan NaOH dilakukan dengan metode elektrolisis NaCl. Proses ini disebut dengan proses Klor-alkali. Proses klor-alkali terdiri dari tiga jenis yaitu sel diafragma, sel merkuri dan sel membran. Secara umum elektrolisis larutan NaCl yaitu

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

Anoda (+) : 2Cl(aq) → Cl2(g) + 2e

Reaksi Total : 2H2O(l) + 2Cl(aq) → Cl2(g) + H2(g) + 2OH(aq)

a. Proses Klor-Alkali Diafragma

Pada proses ini sel elektrolisis diberikan diafragma yang bertujuan untuk mencegah bereaksinya gas klorin dengan NaOH yang dihasilkan.

Proses Klor-Alkali Diafragma

Di anoda (A), klorida (Cl) dioksidasi menjadi klor. Membran selektif ion (B) memungkinkan counterion Na+ mengalir bebas melintasi diafragma tapi mencegah ion hidroksida (OH) dan klorida (Cl) berdifusi. Di katoda (C), air direduksi menjadi hidroksida dan gas hidrogen.

2. Proses Klor-Alkali Merkuri

Sel merkuri digunakan untuk meningkatkan kemurnian NaOH. Proses ini dikenal juga sebagai proses Castner-Kellner dimana larutan garam jenuh mengapung di atas lapisan tipis merkuri. Merkuri berperan sebagai katoda, tempat natrium diproduksi dan membentuk amalgam natrium-merkuri. Amalgam terus-menerus ditarik keluar dari sel dan bereaksi dengan air yang menguraikan amalgam menjadi natrium hidroksida dan merkuri. Klorin diproduksi di anoda dan menguap keluar dari sel.

Proses Klor-Alkali Merkuri

3. Proses Klor-Alkali Membran

Cara ketiga untuk membuat NaOH lebih murni adalah dengan menggunakan sel membran. Proses ini lebih disukai daripada sel diafragma atau metode sel merkuri karena menggunakan paling sedikit energi listrik dan menghasilkan NaOH kualitas tertinggi. Misalnya, dapat menghasilkan NaOH dengan tingkat kontaminasi ion klor hanya 50 ppm. Membran ion-permeabel digunakan untuk memisahkan anoda dan katoda.

Proses Klor-Alkali Membran

Pertanyaan Umum

Apa yang dimaksud dengan elektrolisis?

Sel Elektrolisis adalah sel elektrokimia yang membutuhkan sumber arus listrik luar untuk menjalankan reaksi non-spontan

Bagaimana cara kerja dari elektrolisis?

Elektron akan mengalir dari anoda menuju katoda. Elektron ini akan ditangkap oleh kation sehingga pada permukaan katoda terjadi reduksi. Pada anoda terjadi reaksi oksidasi dengan melepaskan elektron.

Apa saja komponen yang terdapat pada sel elektrolisis?

Sumber listik, katoda, anoda, elektrolit

Contoh Soal Latihan

  1. Dengan asumsi semua reaktan dan produk dalam keadaan standar, tentukan reaksi mana yang terjadi spontan dan yang hanya dapat tejadi melalui penggunaan sel elektrolisis. Tentukan juga tegangan minimum yang diperlukan!

a. Cu(s) + Zn2+(aq) → Cu2+(aq) + Zn(s)

b. 2Al(s) + 3Cu2+(aq) → 3Cu(s) + 2Al3+(aq)

c. Zn(s) + Cl2(g) → ZnCl2(aq)

d. 2 Fe3++ 2Cl(aq) → 2Fe2+(aq) + Cl2(g)

Jawab:

jawaban 1

2. Elektrolisis dilakukan terhadap larutan krom(III) klorida selama 1,5 jam dengan kuat arus 10 ampere. Hitunglah massa logam krom yang dapat diendapkan di katoda?

Jawab:

15

3. Berapa liter gas oksigen (keadaan standar) yang dihasilkan jika arus sebesar 10 ampere dialirkan pada larutan asam sulfat selama 9.650 detik?

Jawab:

4. Tentukan reaksi yang terjadi di anoda dan di katoda pada elektrolisis berikut.

a. Elektrolisis larutan HBr dengan elektroda Pt

b. Elektrolisis lelehan KI dengan elektroda C

c. Elektrolisis larutan CuSO4 dengan elektroda Pt

d. Elektrolisis larutan KNO3 dengan elektroda C

e. Elektrolisis larutan Na2SO4 dengan elektroda Al

Jawab:

a. Elektrolisis larutan HBr dengan elektroda Pt

Katoda (-) : 2H+(aq) +2e → H2(g)

Anoda (+) : 2Br(aq) → Br2(g) + 2e

Reaksi Total: 2H+(aq) + 2Br(aq) → H2(g) + Br2(g)

b. Elektrolisis lelehan KI dengan elektroda C

Katoda (-) : K+(aq) + e → K(s) x 2

Anoda (+) : 2I(aq) → I2(g) + 2e x 1

Reaksi Total: 2K+(aq) + 2I(aq) → I2(g) + K(s)

c. Elektrolisis larutan CuSO4 dengan elektroda Pt

Katode (-)  : Cu2+(aq) + 2e → Cu(s) x2

Anode (+) : 2H2O(l) → 4H+(aq) + O2(g) + 4e x1

Reaksi Total: 2Cu2+(aq) + 2H2O(l) → 4H+(aq) + O2(g) + 2Cu(s)

d. Elektrolisis larutan KNO3 dengan elektroda C

Katoda (-) : 2H2O(l) + 2e → 2 OH(aq) + H2(g) x2

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

Reaksi Total: 

4H2O(l) + 2 H2O(l) → 4 OH(aq) + 2H2(g) + 4 H+(aq) + O2(g)

6H2O(l) → 4H2O(l) + 2H2(g) + O2(g)

2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g)

e. Elektrolisis larutan Na2SO4 dengan elektroda Al

Katoda (-) : 2H2O(l) + 2e → 2OH(aq) + H2(g) x3

Anoda (+) : Al(s) → Al3+(aq)  + 3e x2

Reaksi Total : 6H2O(l) + 2Al(s) →  6OH(aq) + 3H2(g) + 2Al3+(aq) 

Daftar Pustaka

  • Brown, T.L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C.J., & Woodward, P. M. (2012). Chemistry: The Central Science. (12th Ed). Upper Saddler River, NJ: Pearson Prentice Hall
  • Chang, Raymond. (2010). Chemistry. (10th Ed). New York: McGraw-Hill.
  • Clark, Jim. (2019). Industrial Electrolysis Processes. Libretexts. https://chem.libretexts.org/Courses/University_of_British_Columbia/UBC_CHEM_154%3A_Chemistry_for_Engineering/11%3A_Electrochemistry/11.6%3A_Industrial_Electrolysis_Processes diakses pada tanggal 22 Mei 2020
  • Petrucci, R. H. (2007). General chemistry: Principles and modern applications. Upper Saddle River, N.J: Pearson/Prentice Hall

Baca juga