19.8 Elektrolisis

Berbeda dengan reaksi redoks spontan, yang menghasilkan konversi energi kimia menjadi energi listrik, elektrolisis adalah proses di mana energi listrik digunakan untuk menyebabkan reaksi kimia non spontan terjadi. Sel elektrolit adalah alat untuk melakukan elektrolisis. Prinsip yang sama mendasari elektrolisis dan proses yang terjadi dalam sel galvani. Di sini kita akan membahas tiga contoh elektrolisis berdasarkan prinsip-prinsip tersebut. Kemudian kita akan melihat aspek kuantitatif elektrolisis.

Elektrolisis Sodium Klorida Cair
Dalam keadaan cairnya, natrium klorida, senyawa ionik, dapat dielektrolisis membentuk logam natrium dan klorin. Gambar 19.17 (a) adalah diagram sel Downs, yang digunakan untuk elektrolisis NaCl skala besar. Dalam NaCl cair, kation dan anion masing-masing adalah ion Na⁺ dan Cl⁻. Gambar 19.17 (b) adalah diagram sederhana yang menunjukkan reaksi yang terjadi pada elektroda. Sel elektrolit mengandung sepasang elektroda yang terhubung ke baterai. Baterai berfungsi sebagai "pompa elektron," yang mengarahkan elektron ke katoda, tempat reduksi terjadi, dan menarik elektron dari anoda, tempat terjadi oksidasi. Reaksi pada elektroda adalah

Proses ini merupakan sumber utama logam natrium murni dan gas klor.

Perkiraan teoritis menunjukkan bahwa nilai E ° untuk keseluruhan proses adalah sekitar -4 V, yang berarti bahwa ini adalah proses yang tidak spontan. Karena itu, minimal 4 V harus disuplai oleh baterai untuk melakukan reaksi. Dalam prakteknya, tegangan yang lebih tinggi diperlukan karena ketidakefisienan dalam proses elektrolitik dan karena kelebihan tegangan, akan dibahas segera.

Gambar 19.17 (a) Pengaturan praktis yang disebut sel Downs untuk elektrolisis NaCl cair (m.5801°C) Logam natrium yang terbentuk di katoda berada dalam keadaan cair. Karena logam natrium cair lebih ringan daripada NaCl cair, maka natrium akan melayang ke permukaan, seperti yang ditunjukkan, dan dikumpulkan. Gas klor terbentuk di anoda dan dikumpulkan di bagian atas. (b) Gambar yang disederhanakan menunjukkan reaksi elektroda selama elektrolisis NaCl cair. Baterai diperlukan untuk menggerakkan reaksi spontan.

Elektrolisis Air
Air dalam gelas pada tekanan atmosfer (1 atm dan 25°C) tidak akan secara spontan terurai menjadi hidrogen dan gas oksigen karena perubahan energi bebas standar untuk reaksi adalah jumlah positif yang besar:

Namun, reaksi ini dapat diinduksi dalam sel seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.18. Sel elektrolitik ini terdiri dari sepasang elektroda yang terbuat dari logam yang tidak reaktif, seperti platinum, direndam dalam air. Ketika elektroda terhubung ke baterai, tidak ada yang terjadi karena tidak ada cukup ion dalam air murni untuk membawa banyak arus listrik. (Ingat bahwa pada suhu 25 ° C, air murni hanya memiliki 1 x 10⁻⁷ M ion H⁺ dan 1 x 10⁻⁷ M ion OH⁻.) Di sisi lain, reaksi mudah terjadi dalam larutan 0,1 M H₂SO₄ karena ada jumlah yang cukup dari ion untuk menghantarkan listrik. Segera, gelembung gas mulai muncul di kedua elektroda.

Gambar 19.18 Peralatan untuk elektrolisis air skala kecil. Volume gas hidrogen yang dihasilkan di katoda adalah dua kali lipat dari gas oksigen yang dihasilkan di anoda.

Gambar 19.19 menunjukkan reaksi elektroda. Proses di anoda adalah

2H₂O(l) → O₂(g) + 4H⁺(aq) + 4e⁻

sementara di katoda yang kita miliki

H⁺(aq) + e⁻ → ½H₂(g)

Reaksi keseluruhan diberikan oleh

Perhatikan bahwa tidak ada H₂SO₄ bersih yang dikonsumsi.