Konsep Penting
• Kami pertama-tama mensurvei keberadaan bijih yang mengandung berbagai logam. (20.1)
• Kami kemudian mempelajari urutan langkah-langkah dari persiapan bijih hingga produksi logam. Kami fokus terutama pada metalurgi besi dan pembuatan baja. Kami juga memeriksa beberapa metode pemurnian logam. (20.2)
• Selanjutnya, kami mempelajari sifat-sifat padatan dan melihat bagaimana teori pita menjelaskan perbedaan antara konduktor (logam) dan isolator. Kami mempelajari sifat-sifat khusus semikonduktor. (20.3)
• Kami secara singkat memeriksa tren periodik dalam sifat logam. (20,4)
• Untuk logam alkali kami membahas natrium dan kalium dan fokus pada persiapan, sifat, senyawa, dan penggunaannya. (20.5)
• Untuk logam alkali tanah, kami membahas magnesium dan kalsium dan fokus pada persiapan, sifat, senyawa, dan penggunaannya. (20.6)
• Terakhir, kami mempelajari persiapan, sifat, senyawa, dan penggunaan logam Grup 3A — aluminium. (20.7).
Thursday, January 24, 2019
Tugas 19
Seimbangkan persamaan redoks berikut dengan metode ionelektron: (a) Mn21 1 H2O2 ¡MnO2 1 H2O (dalam larutan dasar) (b) Bi1OH23 1 SnO22 2 ¡SnO22 3 1 Bi (dalam larutan dasar) (c) Cr2O22 7 1 C2O22 4 ¡Cr31 1 CO2 (dalam larutan asam) (d) ClO2 3 1 Cl2 ¡Cl2 1 ClO2 (dalam larutan asam)
Kata Kunci
Baterai, hal. 857
Cathode, hlm. 842
Tegangan sel, hal. 843
Korosi, hal. 862
Ringkasan Pengetahuan Faktual dan Konseptual
Ketidaknyamanan Menambal Gigi
Dalam kedokteran gigi modern, bahan yang paling sering digunakan untuk memperbaiki gigi yang rusak dikenal sebagai amalgam gigi. (An amalgam adalah zat yang dibuat dengan menggabungkan merkuri dengan logam atau logam lain.) Amalgam gigi sebenarnya terdiri dari tiga fase padat yang memiliki stoikiometri kira-kira sesuai dengan Ag2Hg3, Ag3Sn, dan Sn8Hg. Potensi reduksi standar untuk fase padat ini adalah: Hg2 21 / Ag2Hg3, 0,85 V; Sn21 / Ag3Sn, 20,05 V; dan Sn21 / Sn8Hg, 20.13 V.
Tenaga Bakteri
Listrik yang dapat digunakan dihasilkan dari bakteri? Ya itu mungkin. Sejak 1987, para ilmuwan di Universitas Massachusetts di Amherst telah menemukan organisme yang dikenal sebagai spesies Geobacter yang melakukan hal itu. Bakteri Geobacter yang ada di mana-mana biasanya tumbuh di dasar sungai atau danau. Mereka mendapatkan energi mereka dengan mengoksidasi bahan organik yang membusuk untuk menghasilkan karbon dioksida. Bakteri memiliki tentakel 10 kali panjang ukurannya sendiri untuk mencapai akseptor elektron [kebanyakan besi (III) oksida] dalam proses redoks anaerob keseluruhan.
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
sementara di katoda yang kita miliki
Reaksi keseluruhan diberikan oleh
Perhatikan bahwa tidak ada H₂SO₄ bersih yang dikonsumsi.
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
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.
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:
Gambar 19.19 menunjukkan reaksi elektroda. Proses di anoda adalah
2H₂O(l) → O₂(g) + 4H⁺(aq) + 4e⁻
H⁺(aq) + e⁻ → ½H₂(g)
Reaksi keseluruhan diberikan oleh
Perhatikan bahwa tidak ada H₂SO₄ bersih yang dikonsumsi.
19.7 Korosi
Korosi adalah istilah yang biasanya diterapkan pada kerusakan logam oleh proses elektrokimia. Kita melihat banyak contoh korosi di sekitar kita. Karat pada besi, menodai perak, dan patina hijau terbentuk pada tembaga dan kuningan adalah beberapa di antaranya (Gambar 19.13). Korosi menyebabkan kerusakan besar pada bangunan, jembatan, kapal, dan mobil. Biaya korosi logam pada ekonomi AS diperkirakan lebih dari 100 miliar dolar setahun! Bagian ini membahas beberapa proses mendasar yang terjadi pada korosi dan metode yang digunakan untuk melindungi logam terhadapnya.
19.6 Baterai
Baterai adalah sel galvanik, atau serangkaian sel galvanik gabungan, yang dapat digunakan sebagai sumber arus listrik langsung pada tegangan konstan. Meskipun operasi baterai pada prinsipnya mirip dengan sel galvanik yang dijelaskan dalam Bagian 19.2, baterai memiliki keuntungan menjadi serba lengkap dan tidak memerlukan komponen tambahan seperti jembatan garam. Di sini kita akan membahas beberapa jenis baterai yang sedang digunakan secara luas.
19.5 Pengaruh Konsentrasi Terhadap Sel Emf
Sejauh ini kami telah berfokus pada reaksi redoks di mana reaktan dan produk berada dalam keadaan standarnya, tetapi kondisi keadaan standar seringkali sulit, dan kadang-kadang tidak mungkin, untuk dipertahankan. Namun, ada hubungan matematis antara ggl sel galvanik dan konsentrasi reaktan dan produk dalam reaksi redoks dalam kondisi tidak standar. Persamaan ini diturunkan selanjutnya.
19.4 Termodinamika Reaksi Redoks
Langkah kami selanjutnya adalah untuk melihat bagaimana sel E ° terkait dengan jumlah termodinamika seperti DG ° dan K. Dalam sel galvanik, energi kimia dikonversi menjadi energi listrik untuk melakukan pekerjaan listrik seperti menjalankan motor listrik. Energi listrik, dalam hal ini, adalah produk dari ggl sel dan muatan listrik total (dalam coulomb) yang melewati sel:
19.3 Potensial Reduksi Standar
Ketika konsentrasi ion Cu21 dan Zn21 keduanya 1,0 M, kami menemukan bahwa tegangan atau ggl sel Daniell adalah 1,10 V pada 25 ° C (lihat Gambar 19.2). Tegangan ini harus terkait langsung dengan reaksi redoks, tetapi bagaimana caranya? Sama seperti reaksi sel secara keseluruhan dapat dianggap sebagai jumlah dari dua reaksi setengah sel, ggl sel yang diukur dapat diperlakukan sebagai jumlah dari potensi listrik pada elektroda Zn dan Cu. Mengetahui salah satu dari potensi elektroda ini, kita dapat memperoleh yang lain dengan mengurangi (dari 1,10 V). Tidak mungkin untuk mengukur potensi hanya satu elektroda, tetapi jika kita secara sewenang-wenang menetapkan nilai potensial dari elektroda tertentu pada nol, kita dapat menggunakannya untuk menentukan potensi relatif dari elektroda lain. Elektroda hidrogen, ditunjukkan pada Gambar 19.3, berfungsi sebagai referensi untuk tujuan ini. Gas hidrogen dimasukkan ke dalam larutan asam klorida pada suhu 25 ° C. Elektroda platinum memiliki dua fungsi. Pertama, ia menyediakan permukaan tempat pemisahan molekul hidrogen dapat terjadi:
19.2 Sel Galvani
Pada Bagian 4.4 kita melihat bahwa ketika sepotong logam seng ditempatkan dalam larutan CuSO4, Zn dioksidasi menjadi ion Zn21 sementara ion Cu21 direduksi menjadi tembaga logam (lihat Gambar 4.10):
19.1 Reaksi Redoks
Elektrokimia adalah cabang kimia yang berurusan dengan interkonversi energi listrik dan energi kimia. Proses elektrokimia adalah reaksi redoks (reduksi oksidasi) di mana energi yang dilepaskan oleh reaksi spontan diubah menjadi listrik atau di mana energi listrik digunakan untuk menyebabkan reaksi nontontursi terjadi. Meskipun reaksi redoks dibahas dalam Bab 4, akan sangat membantu untuk meninjau beberapa konsep dasar yang akan muncul lagi dalam bab ini.
19. Elektrokimia
Konsep Penting
• Kita mulai dengan ulasan reaksi redoks dan belajar bagaimana menyeimbangkan persamaan yang menggambarkan proses ini. (19.1)
• Selanjutnya, kami memeriksa esensi sel galvanik. (19.2)
• Kita belajar untuk menentukan potensial reduksi standar berdasarkan referensi elektroda hidrogen standar dan menggunakannya untuk menghitung gf suatu sel dan karenanya spontanitas suatu reaksi sel. Ada hubungan antara ggl sel, perubahan energi bebas Gibbs standar, dan konstanta kesetimbangan untuk reaksi sel. (19.3 dan 19.4)
• Kita melihat bahwa ggl sel dalam kondisi tidak standar dapat dihitung menggunakan persamaan Nernst. (19.5)
• Kami memeriksa beberapa jenis baterai umum dan pengoperasian sel bahan bakar. (19.6)
• Kami kemudian mempelajari proses elektrokimia spontan — korosi — dan mempelajari cara untuk mencegahnya. (19.7)
• Akhirnya, kami mengeksplorasi proses elektrokimia non-spontan - elektrolisis - dan mempelajari aspek kuantitatif dari proses elektrolitik. (19.8)
• Kita mulai dengan ulasan reaksi redoks dan belajar bagaimana menyeimbangkan persamaan yang menggambarkan proses ini. (19.1)
• Selanjutnya, kami memeriksa esensi sel galvanik. (19.2)
• Kita belajar untuk menentukan potensial reduksi standar berdasarkan referensi elektroda hidrogen standar dan menggunakannya untuk menghitung gf suatu sel dan karenanya spontanitas suatu reaksi sel. Ada hubungan antara ggl sel, perubahan energi bebas Gibbs standar, dan konstanta kesetimbangan untuk reaksi sel. (19.3 dan 19.4)
• Kita melihat bahwa ggl sel dalam kondisi tidak standar dapat dihitung menggunakan persamaan Nernst. (19.5)
• Kami memeriksa beberapa jenis baterai umum dan pengoperasian sel bahan bakar. (19.6)
• Kami kemudian mempelajari proses elektrokimia spontan — korosi — dan mempelajari cara untuk mencegahnya. (19.7)
• Akhirnya, kami mengeksplorasi proses elektrokimia non-spontan - elektrolisis - dan mempelajari aspek kuantitatif dari proses elektrolitik. (19.8)
Tugas 18
Pertimbangkan pengaturan pada Gambar 18.1. Karena volume kedua bohlam itu sama, probabilitas untuk menemukan molekul di bohlam manapun adalah 1 2. Hitung probabilitas semua molekul berakhir di bohlam yang sama jika jumlahnya adalah (a) 2, (b) 100, dan (c) 6 3 1023. Berdasarkan hasil Anda, jelaskan mengapa situasi yang ditunjukkan pada Gambar 18.1 (b) tidak akan diobservasi untuk sistem makroskopik.
Latihan 18
18.1 Jelaskan apa yang dimaksud dengan proses spontan. Berikan dua contoh masing-masing proses spontan dan non-spontan.
Subscribe to:
Posts (Atom)