Sel Elektrolisis

Sel elektrolisis adalah suatu sistem di mana reaksi redoks terjadi karena pemberian arus listrik eksternal. Proses ini umumnya digunakan untuk mendapatkan unsur-unsur murni dari senyawa kimia, atau untuk mengubah senyawa kimia menjadi bentuk lain dengan menggunakan arus listrik. Salah satu contoh yang umum dari elektrolisis adalah pemisahan air menjadi hidrogen dan oksigen.

Selama proses elektrolisis, arus listrik dari sumber eksternal memaksa reaksi kimia untuk terjadi. Proses ini memiliki banyak aplikasi praktis, termasuk dalam industri untuk produksi logam, pemurnian logam, dan pembuatan senyawa kimia tertentu. Elektrolisis juga digunakan dalam teknologi baterai untuk pengisian ulang baterai isi ulang dan dalam proses elektroplating.

Dalam sel elektrolisis terjadi perubahan energi listrik menjadi energi kimia. Senyawa yang dielektrolisis berupa senyawa yang bersifat elektrolit. Sel elektrolisis banyak digunakan dalam pelapisan logam.

Reaksi elektrolisis dalam prosesnya membutuhkan elektrode. Selain katode dan anode, elektrode yang digunakan dapat berupa elektrode aktif maupun elektrode inert (tidak aktif). Elektrode aktif dalam proses elektrolisis ikut bereaksi, sedangkan elektrode inert tidak ikut bereaksi.

Elektrolit yang terjadi dalam larutan dengan pelarut air lebih rumit. Berikut proses elektrolisis beberapa larutan dan leburan.

a. Larutan KBr

Dalam elektrolisis larutan KBr, reaksi yang terjadi di anode dan katode sebagai berikut.

Reaksi di anode (oksidasi)

1) 2Br^-(aq) → Br₂(aq) + 2e

2) 2H₂O(l) → O₂(g) + 4H⁺(aq) + 4e

Reaksi di katode (reduksi)

1) K⁺ (aq) + e → K(s)

2) 2H₂O(l) + 2e → H₂(g) +2OH^-(aq)

Berdasarkan percobaan, pada katode terbentuk gelembung-gelembung H₂. Sementara itu, di sekeliling anode terbentuk larutan Br₂ yang berwarna merah. Dengan demikian, reaksi yang terjadi pada kedua elektrode dan keseluruhan sel sebagai berikut.

Anode          : 2Br^- (aq) → Br₂(g) + 2e

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

Reaksi sel    : 2Br^-(aq) + 2H₂O(l) → Br₂(aq) + H₂(g) + 20H^-(aq)

Kesimpulan yang dapat diambil dari reaksi sel tersebut yaitu H₂O cenderung lebih mudah direduksi daripada K⁺, sedangkan Br^- cenderung lebih mudah dioksidasi daripada H₂O.

b. Larutan ZnSO₄

Kemungkinan reaksi yang terjadi di anode dan katode sebagai berikut.

Reaksi di anode (oksidasi)

1) 2SO₄^2-(aq) → S₂O₈^2-(aq) + 2e

2) 2H₂O(l) → O₂(g) + 4H⁺(aq) + 4e

Reaksi di katode (reduksi)

1) Zn²⁺(aq) + 2e → Zn(s)

2) 2H₂O(l) + 2e → H₂(g) + 2OH^-(aq)

Berdasarkan percobaan, di anode terbentuk gelembung gas oksigen, sedangkan di katode terdapat endapan logam yang melapisi katode. Dengan demikian, reaksi yang terjadi pada kedua elektrode dan keseluruhan sel sebagai berikut.

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

Katode         : 2Zn²⁺(aq) + 4e → 2Zn(s)

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

Kesimpulan yang dapat diambil dari reaksi tersebut yaitu Zn²⁺ lebih mudah direduksi daripada air, sedangkan air lebih mudah dioksidasi daripada SO₄^2-.

c. Larutan ZnBr₂

Dalam elektrolisis larutan ZnBr, reaksi yang terjadi di anode, katode, dan keseluruhannya sebagai berikut.

Anode          : 2Br^-(aq) → Br₂(g) + 2e

Katode         : Zn²⁺(aq) + 2e(aq) →  Zn(s)

Reaksi sel    : Zn²⁺(aq) + 2Br^-(aq) → Zn(s) + Br₂(aq)

Berdasarkan percobaan, Zn²⁺ cenderung lebih mudah direduksi daripada H₂O, sedangkan Br^- cenderung lebih mudah dioksidasi daripada air.

d. Larutan K₂SO₄

Berdasarkan percobaan, di anode air cenderung lebih mudah dioksidasi daripada SO₄^2- , sedangkan di katode air cenderung lebih mudah direduksi daripada K⁺. Dengan demikian, reaksi yang terjadi di anode, di katode, dan reaksi keseluruhan sebagai berikut.

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

Katode         : 4H₂O(l)+ 4e → 2H₂(g) + 4OH^-(aq)

Reaksi sel    : 6H₂O(l) → O₂(g) + 2H₂(g) + 4OH^-(aq) + 4H⁺(aq)

Pada proses elektrolisis tersebut, K₂SO₄ diperlukan untuk mempertahankan netralisasi listrik.

e. Leburan/cairan/lelehan

Pada elektrolisis leburan hanya kation, anion, dana elektrode yang terlibat dalam reaksi karena senyawa ionik tidak mengandung air (H₂O).

 

1. Elektrolisis cairan KCl dengan elektrode Pt

    Elektrolisis cairan, berarti dalam senyawa tidak ada air maka spesi yang tereduksi di katode adalah K⁺.

    Katode     : K+(aq) + e ® K(s)

    Anode      : 2Cl-(aq) ® Cl₂(g) + 2e

    Reaksi sel : 2KCl(aq) ® 2K(s) + Cl₂(g)

2. Elektrolisis NaBr dengan elektrode C

    Katode     : Na⁺(aq) + e ® Na(s)

    Anode      : 2Br^-(aq) ®  Br₂(g) + 2e

    Reaksi sel : 2NaBr(aq) ® 2Na(s) + Br₂(g)

 

3. Natrium dan klorin diperoleh pada proses industri melalui proses leburan NaCl. Reaksi yang terjadi pada leburan NaCl sebagai berikut.

Anode       : 2Cl^-(l) → Cl(g) + 2e

Katode     : 2Na⁺(l) + 2e ⇄ 2Na(l)

Reaksi sel : 2Na⁺(l) + 2C1^-(l) → Cl₂(g) +2Na(l)

Read More

Pemurnian Logam

Pemurnian logam adalah langkah kritis dalam menghilangkan kontaminan dan mineral lainnya dari bijih logam mentah. Metode pemurnian logam melibatkan berbagai teknik, seperti elektrolisis, pemisahan kimia, dan pemurnian termal. Dengan pemurnian yang tepat, logam-logam tersebut dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, mulai dari industri otomotif hingga pembuatan peralatan elektronik. Proses ini berperan penting dalam mendukung industri modern yang membutuhkan logam-logam dengan tingkat kemurnian yang tinggi untuk memenuhi standar kualitas dan keamanan yang ketat.

Selain manfaatnya dalam industri, pemurnian logam juga memiliki dampak lingkungan yang signifikan, karena seringkali melibatkan penggunaan energi dan bahan kimia yang dapat merusak alam. Oleh karena itu, pengembangan teknologi pemurnian logam yang lebih efisien dan ramah lingkungan menjadi prioritas dalam upaya menjaga keseimbangan antara industri logam dan perlindungan lingkungan.

Prinsip pemurnian logam dengan menggunakan reaksi elektrolisis larutan dengan elektrode yang bereaksi. Logam yang kotor ditempatkan di anode, sedangkan logam murni ditempatkan di katode. Larutan yang digunakan adalah yang mempunyai kation logam tersebut.

Contoh

Pemurnian Logam Tembaga

Untuk membuat kabel listrik diperlukan tembaga murni, sebab pengotor dapat mengurangi konduktivitas tembaga. Akibatnya akan timbul banyak panas dan dapat membahayakan pemakai.

Pada pemurnian logam tembaga, maka:

·         tembaga kotor dijadikan anode

·         tembaga murni dijadikan katode

·         larutan elektrolit yang digunakan adalah larutan CuSO₄

Reaksi         : CuSO₄(aq) ® Cu²⁺(aq) + 2e

Katode        : Cu²⁺(aq) + 2e ® Cu(s)

Anode         : Cu(s) ®  Cu²⁺(aq) + 2e

Akhir : Cu(s) ® Cu(s)

           Anode           Katode

          (Cu kotor) (Cu murni)

Proses

Selama elektrolisis, tembaga dari anode terus-menerus dilarutkan kemudian diendapkan pada katode (menunjukkan bahwa terjadi perpindahan dari anode ke katode), sedangkan zat pengotor tembaga seperti perak, platina, emas, besi, nikel, dan seng tetap pada anode, yaitu:

·         dengan mengatur tegangan selama elektrolisis, logam perak, platina, dan emas yang mempunyai potensial lebih positif daripada tembaga tidak larut, sehingga ketiga logam tersebut akan terdapat pada lumpur anode.

·         besi, nikel, dan seng yang mempunyai potensial elektrode lebih negatif dari pada tembaga akan ikut larut. Akan tetapi, ion Fe²⁺ dan Zn²⁺ lebih sukar diendapkan, jadi tidak ikut mengendap di katode.

Penyepuhan/pelapisan Logam (Elektroplating)

Penyepuhan logam adalah suatu proses di mana lapisan tipis logam, seperti emas, perak, nikel, atau krom, ditempatkan di atas permukaan logam atau bahan lainnya untuk memberikan lapisan pelindung, estetika, atau sifat fungsional tertentu. Proses ini bertujuan untuk meningkatkan penampilan dan ketahanan korosi logam dasar, atau bahkan untuk memberikan sifat konduktivitas listrik yang lebih baik. Penyepuhan logam biasanya dilakukan dengan metode elektroplating, electroless plating, atau plating kimia, yang melibatkan penggunaan elektrokimia atau kimia untuk mentransfer logam lapisan ke permukaan bahan dasar. Penyepuhan logam sering digunakan dalam pembuatan perhiasan, perlengkapan rumah tangga, industri otomotif, dan dalam berbagai aplikasi teknik dan manufaktur untuk meningkatkan tampilan dan kinerja produk.

Selain meningkatkan estetika dan perlindungan terhadap korosi, penyepuhan logam juga memiliki peran penting dalam industri elektronik dengan meningkatkan konduktivitas listrik pada komponen elektronik. Ini juga digunakan dalam pembuatan peralatan medis dan ilmiah untuk menciptakan permukaan yang tahan terhadap reaksi kimia dan memiliki karakteristik steril yang baik. Proses penyepuhan logam menjadi integral dalam berbagai sektor industri yang membutuhkan lapisan logam tambahan untuk menghadapi tantangan khusus dalam perubahan fungsi, penampilan, atau kinerja material logam dasar.

Penyepuhan (electroplating) bertujuan melindungi logam terhadap korosi atau untuk memperindah tampilan. Prinsip penyepuhan logam secara elektrolisis adalah sebagai berikut:

·         logam yang akan disepuh dijadikan katode

·         logam penyepuh sebagai anode

·         kedua elektrode itu dicelupkan dalam larutan garam dari logam penyepuh.

contoh

1.  Penyepuhan sendok besi (baja) dengan perak.

Penyepuhan sendok besi (baja) dengan perak menggukan larutan perak nitrat.

·         sendok digunakan sebagai katode

·         perak murni sebagai anode

·         larutan elektrolit yang digunakan adalah larutan AgNO₃

Reaksi                   : AgNO₃(aq) ® Ag⁺(aq) + NO₃^-(aq)

Katode (Fe)  : Ag⁺(aq) + e  ® Ag(s)

Anode (Ag)   : Ag(s) ®  Ag⁺(aq) + e

 

Proses

Pada katode terjadi endapan perak, sedangkan anode perak terus-menerus larut. Konsentrasi ion Ag+ dalam larutan tidak berubah.

 

2.  Penyepuhan sendok besi (baja) dengan emas

Penyepuhan sendok besi (baja) dengan emas digunakan larutan AgCl₃.

Reaksi               : AuCl₃(aq) ® Au³⁺(aq) + 3Cl^-(aq)

Katode ( Fe)                : Au³⁺(aq) + 3e ® Au(s)

Anode (Au)                 : Au(s) ® Au³⁺(aq) + 3e

 

Proses

Pada katode akan terjadi endapan emas, sedangkan anode emas terus-menerus larut. Konsentrasi ion Au³⁺ dalam larutan tidak berubah.

 

Pemisahan Logam dari Bijihnya (Electrowinning)

Pemisahan logam dari bijihnya adalah proses pemurnian yang melibatkan ekstraksi dan isolasi logam-logam dari bijih mineral mentah. Bijih mineral adalah bahan alam yang mengandung konsentrasi logam yang dapat bervariasi. Proses ini penting karena logam dalam bijih seringkali terkandung dalam campuran dengan berbagai mineral dan kontaminan lain yang tidak diinginkan.

 

Ada berbagai metode yang digunakan untuk memisahkan logam dari bijihnya, dan pilihan metode bergantung pada jenis bijih, komposisi kimianya, serta tujuan pemisahan. Beberapa metode pemisahan melibatkan penggunaan reaksi kimia, seperti pemurnian elektrolitik, sedangkan metode lainnya melibatkan eksploitasi perbedaan sifat fisik atau kimia antara logam dan mineral lainnya, seperti metode flotasi atau proses pengapungan. Pemisahan logam dari bijihnya adalah langkah kunci dalam industri metalurgi untuk menghasilkan logam dengan tingkat kemurnian yang tinggi, yang kemudian dapat digunakan dalam berbagai aplikasi industri dan manufaktur.

Proses pemisahan logam dari bijihnya juga memiliki signifikansi ekonomis yang besar, karena membantu meningkatkan efisiensi sumber daya alam dan memungkinkan pengolahan bijih mineral menjadi produk bernilai tinggi. Selain itu, pemisahan logam juga dapat berkontribusi pada upaya perlindungan lingkungan dengan mengurangi dampak ekstraksi bijih dan penggunaan sumber daya alam. Dalam konteks penelitian dan eksplorasi mineral, pemisahan logam dari bijihnya penting untuk mengevaluasi potensi ekonomi suatu deposit mineral dan memahami sifat dan kualitas bijih yang ada.

Proses pemisahan logam dengan elektrolisis yang paling penting adalah produksi aluminium. Cara memperoleh aluminium pada proses elektrokimia yaitu dengan mereduksi aluminium (Al₂O₃) dicampur dengan lelehan kreolit (Na₃AlF₃ = heksafluoro aluminat) dan fluorpar (CaF₂). Campuran tiga zat tersebut menyebabkan titik leleh Al₂O₃ menjadi lebih rendah dan akan menjadi bahan yang akan dielektrolisis.

 

Sel elektrolisis terdiri dari tangki besi yang dinding sebelah dalamnya dilapisi karbon. Karbon ini digunakan katode. Anode terdiri dari batang-batang karbon yang dirangkai.

Proses elektrolisis ini ditemukan oleh Hall sehingga proses ini disebut proses Hall.

 

Reaksi     : Al₂O₃(aq) ® Al³⁺(aq) + AlO₃^3-(aq) ....... x 4

Katode     : 4Al³⁺(aq) + 12e ® 4Al(l)

Anode      : 4AlO₃^3-(aq) ® 2Al₂O₃(aq) + 3O₂(g) + 12e

Akhir       : 2Al₂O₃(aq) ® 4Al(l) + 3O₂(g)

 

Zat-zat yang dihasilkan pada elektrolisis antara lain:

a.    Cairan logam aluminium (titil leleh 660,2^oC) mengendap di dasar tangki dan dialirkan keluar sebagai produk selama elektrolisis.

b.   Gas oksigen (O₂) yang terbentuk bereaksi dengan karbon di anode (pada suhu yang memang memungkinkan) membentuk gas karbon monooksida (CO) atau karbondioksida (CO₂)

Read More