1.4 - Sel Elektrolisis

Elektrolisis, Elektrolit dan Elektrod

• Elektrolisis ialah proses penguraian elektrolit oleh arus elektrik.

• Elektrolit mengkonduksikan elektrik dalam keadaan lebur atau akueus serta mengalami perubahan kimia kerana mempunyai ion bergerak bebas. Bukan elektrolit tidak mempunyai ion bergerak bebas.

• Sel elektrolisis menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga kimia:

  • anod ialah elektrod positif; anion bergerak ke anod dan dioksidakan;
  • katod ialah elektrod negatif; kation bergerak ke katod dan diturunkan.

• Elektrod karbon dan platinum ialah elektrod lengai.

• Sebatian ion seperti plumbum(II) bromida dan natrium klorida mengkonduksi elektrik apabila lebur atau terlarut; ion dalam pepejal terikat pada kekisi. Asid dan alkali mengkonduksi elektrik dalam air kerana terdapat ion; tanpa air, tiada ion bebas bergerak.

• Asetamida dan glukosa ialah bukan elektrolit: bahan ini terdiri daripada molekul dan tidak mempunyai ion bebas bergerak.

Perbandingan Konduktor dengan Elektrolit

Konduktor	Elektrolit
Mengkonduksi elektrik dalam keadaan pepejal atau lebur tanpa penguraian kimia	Mengkonduksi elektrik dalam keadaan lebur atau larutan akueus dan mengalami penguraian kimia
Cas dibawa oleh elektron bebas	Cas dibawa oleh ion bebas bergerak
Kekonduksian berkurang apabila suhu meningkat	Kekonduksian bertambah apabila suhu meningkat
Logam dan grafit	Sebatian ion, asid dan alkali

Elektrolisis Sebatian Lebur

Kajian Leburan Plumbum(II) Bromida

• $\mathrm{PbB}{\mathrm{r}}_2$ pepejal tidak mengkonduksikan elektrik kerana ion terikat dalam kekisi. Apabila lebur, $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ dan $\mathrm{B}{\mathrm{r}}^{-}$ bergerak bebas lalu mentol menyala.
• Katod: pepejal kelabu plumbum terbentuk, $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}(\mathrm{ce})+2{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{Pb}(\mathrm{ce})$.
• Anod: gas perang bromin terbentuk, $2B{\mathrm{r}}^{-}(\mathrm{ce})\to \mathrm{B}{\mathrm{r}}_2(\mathrm{g})+2{\mathrm{e}}^{-}$.
• Keseluruhan: $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}(\mathrm{ce})+2B{\mathrm{r}}^{-}(\mathrm{ce})\to \mathrm{Pb}(\mathrm{ce})+\mathrm{B}{\mathrm{r}}_2(\mathrm{g})$.
• Tujuan: Mengkaji elektrolisis leburan plumbum(II) bromida.
• Bahan: Serbuk plumbum(II) bromida.
• Radas: Bikar, mangkuk pijar, mentol, bateri, elektrod karbon, wayar penyambung dengan klip buaya, suis, tungku kaki tiga, alas segi tiga tanah liat dan penunu Bunsen.
• Prosedur:
  1. Isi mangkuk pijar dengan plumbum(II) bromida sehingga separuh penuh dan letakkan pada alas segi tiga tanah liat di atas tungku kaki tiga. Sambungkan elektrod, bateri, mentol dan suis.
  2. Panaskan sehingga lebur, celupkan elektrod dan hidupkan litar.
  3. Selepas lima minit, matikan suis dan tuangkan leburan ke dalam bikar dengan berhati-hati untuk memeriksa hasil.
• Langkah berjaga-jaga: Gas bromin perang beracun.

Elektrolisis Larutan Akueus

• Larutan akueus mengandungi ion zat terlarut serta ${\mathrm{H}}^{+}$ dan $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ daripada penceraian separa air.
• Tiga faktor menentukan ion yang dinyahcas:

Faktor	Kesan
nilai $E^0$	Katod: $E^0$ lebih positif/kurang negatif memudahkan penurunan kation. Anod lengai: $E^0$ lebih negatif/kurang positif memudahkan pengoksidaan anion.
kepekatan ion	Terpakai pada anod apabila ion halida hadir: kepekatan halida tinggi memudahkan penyahcasannya walaupun $E^0$ lebih positif.
jenis elektrod	anod logam aktif boleh melarut membentuk ionnya, menggantikan penyahcasan anion

Kuprum(II) Sulfat dan Asid Sulfurik Akueus

• Tujuan: Mengkaji elektrolisis kuprum(II) sulfat $0.1\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$ dan asid sulfurik $0.1\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$ dengan elektrod karbon.
• Radas: Sel elektrolisis, bateri, elektrod karbon, wayar penyambung dengan klip buaya, suis, ammeter, tabung uji dan kayu uji.
• Prosedur:
  1. Isi sel dengan kuprum(II) sulfat sehingga separuh penuh. Isi dan telangkupkan dua tabung uji di atas elektrod dalam larutan.
  2. Sambungkan elektrod, suis, ammeter dan bateri; hidupkan suis selama beberapa minit.
  3. Periksa kedua-dua elektrod dan uji gas terkumpul dengan kayu uji berbara pada anod serta kayu uji bernyala pada katod.
  4. Ulangi dengan asid sulfurik.
• Kuprum(II) sulfat: $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$, ${\mathrm{H}}^{+}$, $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4^{2-}$ dan $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ hadir. Kation bergerak ke katod; anion bergerak ke anod.
  • Katod: kuprum perang terenap, $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{Cu}$, kerana $E^0=+0.34\mathrm{V}$ lebih positif daripada $E^0({\mathrm{H}}^{+}/{\mathrm{H}}_2)=0.00\mathrm{V}$.
  • Anod: gelembung oksigen tidak berwarna terbentuk, $4O{\mathrm{H}}^{-}\to {\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+4{\mathrm{e}}^{-}$; $E^0=+0.40\mathrm{V}$ kurang positif daripada nilai sistem sulfat $+2.01\mathrm{V}$.
• Asid sulfurik cair: Hidrogen terbentuk di katod; oksigen terbentuk di anod. Setengah persamaan katod: $2{\mathrm{H}}^{+}+2{\mathrm{e}}^{-}\to {\mathrm{H}}_2$.

Eksperimen 1B — Kepekatan Asid Hidroklorik

• Tujuan: Mengkaji kesan kepekatan ion terhadap pemilihan ion untuk dinyahcas.
• Pernyataan masalah: Adakah kepekatan HCl mempengaruhi ion yang dinyahcas pada anod?
• Hipotesis: HCl $1.0\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$ menyahcas ion klorida; HCl $0.0001\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$ menyahcas ion hidroksida.
• Pemboleh ubah: Dimanipulasikan = kepekatan HCl; bergerak balas = ion yang dinyahcas pada anod; dimalarkan = asid hidroklorik dan elektrod karbon.
• Bahan: Dua larutan HCl di atas.
• Radas: Sel elektrolisis, bateri, elektrod karbon, wayar penyambung dengan klip buaya, suis, ammeter, tabung uji, kayu uji dan kertas litmus biru.
• Prosedur:
  1. Isi sel dengan HCl $1.0\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$ sehingga separuh penuh. Telangkupkan dua tabung uji yang berisi asid sama di atas elektrod dan lengkapkan litar.
  2. Hidupkan suis selama beberapa minit; kumpulkan gas anod dan uji dengan kertas litmus biru lembap.
  3. Ulangi dengan HCl $0.0001\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$ dan uji gas anod dengan kayu uji berbara.
• Hasil: Klorida pekat menghasilkan klorin, $2C{\mathrm{l}}^{-}\to \mathrm{C}{\mathrm{l}}_2+2{\mathrm{e}}^{-}$; asid sangat cair menghasilkan oksigen, $4O{\mathrm{H}}^{-}\to {\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+4{\mathrm{e}}^{-}$.
• Kesimpulan: Kepekatan halida tinggi boleh mengatasi pemilihan berdasarkan $E^0$ pada anod; pemilihan pada katod masih mengikut $E^0$.

Eksperimen 1C — Jenis Elektrod

• Tujuan: Mengkaji kesan jenis elektrod terhadap pemilihan ion untuk dinyahcas.
• Pernyataan masalah: Adakah jenis elektrod mempengaruhi ion yang dinyahcas?
• Bahan: Kuprum(II) sulfat $0.5\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$.
• Radas: Bikar, bateri, elektrod karbon dan kuprum, wayar penyambung dengan klip buaya, suis, ammeter, tabung uji, kayu uji, penimbang elektronik dan kertas pasir.
• Dengan elektrod karbon, kuprum terenap pada katod dan oksigen terbentuk pada anod; larutan biru semakin pudar apabila ion kuprum(II) disingkirkan.
• Dengan elektrod kuprum, anod melarut, $\mathrm{Cu}\to \mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}$, manakala kuprum terenap pada katod, $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{Cu}$. Warna biru tidak berubah kerana ion kuprum(II) digantikan.

Perbandingan Sel Kimia dengan Sel Elektrolisis

Sel kimia	Sel elektrolisis
tenaga kimia $\to$ elektrik	tenaga elektrik $\to$ kimia
tindak balas redoks spontan	tindak balas tidak spontan dipacu bekalan kuasa
anod negatif; katod positif	anod positif; katod negatif
lazimnya elektrod berlainan	boleh menggunakan elektrod sama jenis

• Dalam kedua-duanya, pengoksidaan berlaku di anod, penurunan di katod dan elektron mengalir dalam litar luar dari anod ke katod.

Penyaduran dan Penulenan Logam

• Penyaduran: objek yang disadur = katod; logam penyadur = anod; elektrolit mengandungi ion logam penyadur.
  • Logam anod membentuk ion; ion itu menerima elektron dan menyaluti objek di katod.
  • Objek dibersihkan dengan kertas pasir; reostat mengawal arus semasa penyaduran.
• Penulenan kuprum: kuprum tak tulen = anod; kepingan kuprum tulen = katod; larutan garam kuprum(II) = elektrolit.
  • Anod: $\mathrm{Cu}\to \mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}$.
  • Katod: $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}+2{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{Cu}$.
  • Kuprum tulen bertambah di katod; bendasing tak larut membentuk enap cemar anod.

Kajian Penyaduran

• Tujuan: Mengkaji penyaduran sudu besi dengan kuprum.
• Bahan: Kuprum(II) sulfat $1.0\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$, sudu besi, kepingan kuprum dan kertas pasir.
• Radas: Bikar, bateri, wayar penyambung dengan klip buaya, ammeter, suis dan reostat.
• Prosedur:
  1. Bersihkan sudu dan kepingan kuprum. Isi bikar dengan kuprum(II) sulfat sehingga separuh penuh.
  2. Sambungkan sudu kepada terminal negatif dan kuprum kepada terminal positif; celupkan kedua-duanya dalam larutan.
  3. Laraskan arus kepada $0.2\mathrm{A}$ dengan reostat; matikan suis selepas 30 minit, keluarkan dan keringkan sudu.
• Keputusan: Kuprum terenap pada sudu manakala anod semakin nipis. Warna biru larutan tidak berubah kerana anod menggantikan ion kuprum(II) yang dinyahcas pada katod.
• Tujuan penyaduran: Mencantikkan rupa dan meningkatkan ketahanan terhadap kakisan.

Kajian Penulenan Kuprum

• Tujuan: Mengkaji penulenan kuprum secara elektrolisis.
• Bahan: Kuprum(II) nitrat $1.0\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$, kepingan kuprum tak tulen dan kepingan kuprum tulen.
• Radas: Bikar, bateri, wayar penyambung dengan klip buaya, ammeter dan suis.
• Prosedur:
  1. Isi bikar dengan kuprum(II) nitrat sehingga separuh penuh.
  2. Sambungkan kuprum tulen kepada terminal negatif dan kuprum tak tulen kepada terminal positif; celupkan kedua-duanya dalam elektrolit.
  3. Alirkan arus selama 30 minit dan periksa kedua-dua elektrod.
• Keputusan: Anod tak tulen semakin nipis, katod tulen semakin tebal dan bendasing terkumpul di bawah anod.
• Kuprum daripada peleburan bijih kira-kira $99.5\%$ tulen; pendawaian elektrik memerlukan ketulenan $99.99\%$ kerana bendasing mengurangkan kekonduksian.