Konstruksi sel elektrolisis
Sel elektrolisis terdiri dari beberapa elemen kunci:
- Elektrolit: larutan atau lelehan zat yang menyediakan keberadaan ion bebas.
- Elektroda: konduktor yang dicelupkan ke dalam elektrolit. Terbuat dari logam atau grafit. Pada beberapa instalasi, peran salah satu elektroda dimainkan oleh wadah logam dari bejana tersebut.
- Sumber arus searah: menciptakan beda potensial yang diperlukan untuk pergerakan elektron secara paksa.
Selama pengoperasian sel elektrolisis, penting untuk mematuhi protokol keselamatan kerja. Sebagai contoh, dalam produksi gas, ruang di atas katoda dan anoda dipisahkan oleh diafragma khusus. Hal ini mencegah pencampuran gas yang dihasilkan (seperti hidrogen dan klorin) serta menghilangkan risiko ledakan spontan.
Proses pada elektroda
Saat arus searah dialirkan melalui elektrolit, ion-ion bergerak secara terarah menuju elektroda dengan muatan berlawanan:
- Pada katoda (–) berlangsung proses reduksi. Katoda mendermakan elektronnya kepada partikel dari larutan. Misalnya, pada elektrolisis larutan asam klorida, ion hidrogen ($H^+$) menerima elektron dan berubah menjadi gas hidrogen ($H_2$).
- Pada anoda (+) terjadi oksidasi. Anoda mengambil elektron dari partikel elektrolit. Dalam kasus $HCl$, ion klorida ($Cl^-$) mendermakan elektron, membentuk molekul klorin ($Cl_2$).
Secara keseluruhan, reaksi untuk $HCl$ adalah: $2H^+ + 2Cl^- = H_2 + Cl_2$.
Pemurnian logam (Refining)
Salah satu proses industri penting adalah pemurnian elektrolitik menggunakan anoda terlarut (contohnya pada tembaga). Dalam hal ini, bahan anoda itu sendiri ikut ambil bagian dalam reaksi.
Batangan tembaga mentah berfungsi sebagai anoda, dan pelat tipis logam murni berfungsi sebagai katoda. Ketika arus dilewatkan, tembaga mentah pada anoda teroksidasi, mendermakan elektron, dan masuk ke dalam larutan sebagai ion $Cu^{2+}$. Kemudian, ion-ion ini bergerak menuju katoda, menerima elektron, dan mengendap di atasnya dalam bentuk tembaga murni.
Pengotor dalam hal ini akan mengendap di dasar atau tetap berada di dalam elektrolit. Akibatnya, tidak terjadi perubahan kimia, yang terjadi hanyalah pemindahan fisik dan pemurnian logam.
Perhitungan kuantitatif
Perhitungan dalam elektrolisis tunduk pada hukum stoikiometri, di mana elektron dianggap sebagai partisipan reaksi yang sah (pereaksi).
Untuk menghitung jumlah elektron yang melewati rangkaian, digunakan rumus: $n(e^-) = (I \cdot \Delta t) / F$ Di mana $I$ adalah kuat arus (dalam Ampere), $\Delta t$ adalah waktu, dan $F$ adalah konstanta Faraday.
Dalam kondisi nyata, massa produk yang diperoleh sering kali lebih kecil dari hasil perhitungan teoretis akibat adanya reaksi samping. Efisiensi proses dievaluasi dengan indikator efisiensi arus ($\eta$) — yaitu perbandingan antara massa zat yang diperoleh secara praktis dengan massa yang dihitung berdasarkan persamaan.
Singkatnya: jawaban atas pertanyaan topik
Hukum Faraday apa saja yang digunakan untuk perhitungan kuantitatif elektrolisis?
Untuk perhitungan kuantitatif elektrolisis, diterapkan hukum Faraday yang menggunakan hubungan stoikiometri dan data pengukuran listrik. Perhitungan didasarkan pada parameter dan rumus berikut:
- Konstanta Faraday ($F$) — besaran fisik yang menunjukkan muatan 1 mol elektron (96.485 C/mol).
- Jumlah zat elektron — dihitung menggunakan rumus $n(e^-) = \frac{I \cdot \Delta t}{F}$, di mana $I$ adalah kuat arus dalam ampere, $\Delta t$ adalah durasi proses.
- Massa produk — dihitung dengan memperhitungkan massa molar dan koefisien stoikiometri elektron (misalnya, $m(\text{Au}) = \frac{I \cdot \Delta t \cdot M(\text{Au})}{3F}$).
- Efisiensi arus ($\eta$) — perbandingan massa produk yang diperoleh secara nyata terhadap hasil perhitungan teoretis ($\eta = \frac{m \cdot \nu(e^-) \cdot F}{I \cdot \Delta t \cdot M}$).
Ingat proses pada elektroda: "Anoda — Oksidasi" (kedua kata berawal dari huruf vokal), "Katoda — Reduksi" (kedua kata berawal dari huruf konsonan).
Soal-soal dari kelas dan ujian
Apa perbedaan utama antara elektrolisis dan sel galvani?
Dalam sel galvani, reaksi redoks berlangsung secara spontan dengan pelepasan energi. Dalam elektrolisis, reaksi berjalan secara non-spontan dan membutuhkan pasokan energi listrik dari luar.
Apa yang dimaksud dengan anoda terlarut?
Ini adalah anoda yang selama proses elektrolisis ikut serta dalam reaksi oksidasi (larut), mendermakan ion-ionnya ke dalam elektrolit. Digunakan, misalnya, dalam pemurnian tembaga.
Mengapa sel elektrolisis membutuhkan diafragma?
Diafragma memisahkan ruang di atas anoda dan katoda agar gas-gas yang dilepaskan (misalnya hidrogen dan klorin) tidak tercampur, sehingga mencegah interaksi yang bersifat mudah meledak.
Topik lain untuk dipelajari
- Perhitungan massa lapisan emas (penyepuhan emas) berdasarkan hukum Faraday
- Aplikasi elektrolisis untuk produksi produk kimia berskala tonase besar
- Penerapan lapisan pelindung galvanik pada logam
- Mekanisme disosiasi senyawa kompleks selama elektrolisis
Pelajari topik ini secara menyeluruh dalam kursus «Kimia»
Di sini adalah ringkasan. Di dalam kursus — semua yang ditanyakan saat kelas dan ujian.
- Modul lengkap tentang topik "Elektrolisis" beserta 3.009 halaman materi lainnya
- Tugas dan kuis setelah setiap topik — seperti pada kolokium
- AI-tutor akan menjawab pertanyaan topik kapan saja
- 99 video pembelajaran untuk mata pelajaran ini
Topik lain di bagian "Bab 7. Klasifikasi Reaksi Kimia Berdasarkan Proses Elektron"
Materi disiapkan oleh staf pengajar WhiteCoat Pro sesuai dengan kurikulum pendidikan kedokteran. Bersifat edukatif.