6.1 — Sel Elektrolitik

Elektrokimia dan Elektrolisis

• Elektrokimia: kajian dalam bidang kimia tentang hubung kait antara fenomena elektrik dengan kimia.
• Dua jenis sel elektrokimia:
  • Sel elektrolitik: arus elektrik mengalir melalui elektrolit untuk menghasilkan tindak balas kimia; tenaga elektrik → tenaga kimia melalui elektrolisis.
  • Sel kimia (sel voltan atau sel galvani): perubahan kimia di dalam sel menghasilkan arus elektrik; tenaga kimia → tenaga elektrik.
• Elektrolisis: proses penguraian sesuatu sebatian dalam keadaan leburan atau akueus kepada unsur juzuknya apabila arus elektrik mengalir melaluinya.

Struktur Sel Elektrolitik

• Sumber elektrik: menghasilkan arus elektrik untuk menjalankan elektrolisis; elektrolisis tidak berlaku tanpa arus elektrik yang mengalir melalui elektrolit.
• Elektrod: konduktor elektrik yang disambungkan pada bateri dan membolehkan arus elektrik masuk atau keluar elektrolit.
  • Anod (+): elektrod yang disambungkan pada terminal positif sumber elektrik.
  • Katod (−): elektrod yang disambungkan pada terminal negatif sumber elektrik.
• Elektrolit: bahan yang mengalirkan arus elektrik dalam keadaan leburan atau akueus serta mengalami perubahan kimia.
  • Sebatian ion yang mengandungi ion positif (kation) dan ion negatif (anion) yang dapat bergerak bebas.
• Bukan elektrolit: bahan yang tidak dapat mengalirkan arus elektrik dalam keadaan leburan atau akueus.

Elektrolit	Bukan elektrolit
Leburan plumbum(II) bromida, $\mathrm{PbB}{\mathrm{r}}_2$	Naftalena, ${\mathrm{C}}_{10}{\mathrm{H}}_8$
Leburan natrium klorida, $\mathrm{NaCl}$	Asetamida, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{CON}{\mathrm{H}}_2$
Larutan natrium hidroksida, $\mathrm{NaOH}$	Larutan glukosa, ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6$
Larutan kuprum(II) sulfat, $\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4$	Etanol, ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}$

• Contoh pembentukan ion dalam elektrolit:

Aktiviti 6.1 — Melukis dan melabel struktur sel elektrolitik

1. Lukis sel elektrolitik secara individu.
2. Label anod, katod dan elektrolit.
3. Persembahkan lukisan berlabel.

Proses Elektrolisis

• Kation bergerak ke katod (elektrod negatif).
• Anion bergerak ke anod (elektrod positif).
• Semasa elektrolisis leburan plumbum(II) bromida, $\mathrm{PbB}{\mathrm{r}}_2$:
  • Ion plumbum(II), $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$, bergerak ke katod.
  • Ion bromida, $\mathrm{B}{\mathrm{r}}^{-}$, bergerak ke anod.
• Sebatian ion dalam keadaan pepejal tidak dapat mengalirkan arus elektrik kerana ion-ionnya tidak dapat bergerak bebas.
• Apabila ion positif dinyahcas, ion itu menerima satu atau lebih elektron, menjadi neutral lalu membentuk atom atau molekul.
• Apabila ion negatif dinyahcas, ion itu mendermakan satu atau lebih elektron, menjadi neutral lalu membentuk atom atau molekul.

Eksperimen 6.1 — Sebatian Ion dalam Keadaan Berbeza

• Tujuan: Mengkaji elektrolisis sebatian ion dalam keadaan pepejal, leburan dan akueus.
• Pernyataan masalah: Adakah sebatian ion dalam keadaan pepejal, leburan dan akueus dapat dielektrolisis?
• Hipotesis:
  1. Sebatian ion dalam keadaan leburan dan akueus dapat dielektrolisis.
  2. Sebatian ion dalam keadaan pepejal tidak dapat dielektrolisis.
• Pemboleh ubah:
  • Dimanipulasikan: keadaan sebatian ion—pepejal, leburan atau akueus.
  • Bergerak balas: keadaan mentol.
  • Dimalarkan: jenis elektrod.
• Bahan: plumbum(II) bromida pepejal, $\mathrm{PbB}{\mathrm{r}}_2$; larutan kuprum(II) sulfat, $\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4$, $0.1\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$.
• Radas: bateri, elektrod karbon, wayar penyambung dengan klip buaya, mangkuk pijar, tungku kaki tiga, segi tiga tanah liat, penunu Bunsen, suis, bikar, mentol, sel elektrolitik, spatula dan tabung uji.

A. Sebatian ion dalam keadaan pepejal dan leburan

Keselamatan: Demonstrasi guru di dalam kebuk wasap. Gas bromin beracun; jangan hidu gas itu.

1. Isi mangkuk pijar kering sehingga separuh penuh dengan serbuk plumbum(II) bromida pepejal.
2. Letakkannya di atas segi tiga tanah liat dan tungku kaki tiga.
3. Sambungkan elektrod karbon, suis, bateri dan mentol.
4. Hidupkan suis; perhatikan mentol.
5. Panaskan pepejal sehingga melebur.
6. Lengkapkan litar semula; perhatikan mentol.

B. Sebatian ion dalam keadaan akueus

1. Isi sel elektrolitik sehingga separuh penuh dengan larutan kuprum(II) sulfat $0.1\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$.
2. Isi dua tabung uji sepenuhnya dengan larutan yang sama dan telangkupkan di atas elektrod.
3. Hidupkan suis selama 5 minit; perhatikan mentol.

Bahan	Pemerhatian dan inferens
$\mathrm{PbB}{\mathrm{r}}_2$ pepejal	Mentol tidak menyala; tiada ion yang dapat bergerak bebas, maka elektrolisis tidak berlaku.
Leburan $\mathrm{PbB}{\mathrm{r}}_2$	Mentol menyala; ion bergerak bebas, maka elektrolisis berlaku.
Larutan akueus $\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4$	Mentol menyala; ion bergerak bebas, maka elektrolisis berlaku.

• Kesimpulan: Hipotesis diterima. Sebatian ion dapat dielektrolisis dalam keadaan leburan dan akueus tetapi tidak dalam keadaan pepejal.
• Tujuan mentol: menunjukkan pengaliran arus elektrik semasa elektrolisis berlaku.

Faktor yang Mempengaruhi Hasil Elektrolisis

Tiga faktor menentukan ion yang dipilih untuk dinyahcas pada elektrod semasa elektrolisis larutan akueus:

1. Kedudukan ion dalam siri elektrokimia.
2. Kepekatan elektrolit.
3. Jenis elektrod.

1. Kedudukan ion dalam siri elektrokimia

• Logam disusun mengikut kecenderungan atomnya untuk mendermakan elektron.
• Semakin tinggi kedudukan logam dalam siri, semakin mudah atom logam mendermakan elektron.
• Ion di bahagian bawah setiap siri elektrokimia lebih cenderung untuk dinyahcas.

Kation: semakin mudah dinyahcas ke bawah	Anion: semakin mudah dinyahcas ke bawah
${\mathrm{K}}^{+}$	${\mathrm{F}}^{-}$
$\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$	$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4^{2-}$
$\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$	$\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}$
$\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$	$\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$
$\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}$	$\mathrm{B}{\mathrm{r}}^{-}$
$\mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+}$	${\mathrm{I}}^{-}$
$\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}$	$\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$
$\mathrm{S}{\mathrm{n}}^{2+}$
$\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$
${\mathrm{H}}^{+}$
$\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$
$\mathrm{A}{\mathrm{g}}^{+}$

Larutan natrium sulfat, $\mathrm{N}{\mathrm{a}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$

• Ion hadir: $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$, $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4^{2-}$, ${\mathrm{H}}^{+}$ dan $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$.
• Pada katod:
  • $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ dan ${\mathrm{H}}^{+}$ tertarik.
  • ${\mathrm{H}}^{+}$ dinyahcas kerana kurang elektropositif berbanding dengan $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$.
  • Gas hidrogen terhasil.
• Pada anod:
  • $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4^{2-}$ dan $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ tertarik.
  • $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ dinyahcas kerana kurang elektronegatif berbanding dengan $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4^{2-}$.
  • Gas oksigen terhasil.

Larutan kuprum(II) sulfat, $\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4$

• Ion hadir: $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$, $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4^{2-}$, ${\mathrm{H}}^{+}$ dan $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$.
• Pada katod:
  • $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$ dinyahcas kerana kurang elektropositif berbanding dengan ${\mathrm{H}}^{+}$.
  • Kuprum terenap.
• Pada anod:
  • $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ dinyahcas kerana kurang elektronegatif berbanding dengan $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4^{2-}$.
  • Gas oksigen terhasil.

Eksperimen 6.2 — Kesan kedudukan dalam siri elektrokimia

• Tujuan: Mengkaji kesan kedudukan ion dalam siri elektrokimia terhadap kecenderungan ion dinyahcas pada elektrod.
• Pernyataan masalah: Bagaimanakah kedudukan ion dalam siri elektrokimia mempengaruhi kecenderungan ion dinyahcas pada elektrod?
• Hipotesis: Semakin rendah kedudukan ion dalam siri elektrokimia, semakin mudah ion itu dinyahcas.
• Pemboleh ubah:
  • Dimanipulasikan: kedudukan ion dalam siri elektrokimia.
  • Bergerak balas: hasil pada elektrod.
  • Dimalarkan: kepekatan elektrolit dan jenis elektrod.
• Bahan: larutan magnesium nitrat, $\mathrm{Mg}(\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3{)}_2$, $0.5\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$; larutan natrium sulfat, $\mathrm{N}{\mathrm{a}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$, $0.5\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$; kayu uji.
• Radas: bateri, elektrod karbon, wayar penyambung dengan klip buaya, sel elektrolitik, ammeter, tabung uji dan suis.

1. Isi sel sehingga separuh penuh dengan larutan magnesium nitrat.
2. Isi dua tabung uji sepenuhnya dengan larutan yang sama dan telangkupkan satu pada setiap elektrod.
3. Hidupkan suis; kumpulkan gas sehingga tabung uji hampir penuh.
4. Uji setiap gas dengan kayu uji berbara dan kayu uji bernyala.
5. Ulang dengan larutan natrium sulfat.

Elektrod	Ujian dan pengecaman gas
Anod	Kayu uji berbara menyala semula → oksigen.
Katod	Kayu uji bernyala menghasilkan bunyi ‘pop’ → hidrogen.

• Kedua-dua elektrolit menghasilkan oksigen pada anod dan hidrogen pada katod.
• Ion yang dinyahcas dalam kedua-dua elektrolit: $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ pada anod dan ${\mathrm{H}}^{+}$ pada katod.
• Kesimpulan: Hipotesis diterima; ion yang lebih rendah dalam siri elektrokimia lebih mudah dinyahcas.

2. Kepekatan elektrolit

• Ion negatif yang berkepekatan lebih tinggi lebih cenderung untuk dinyahcas pada anod.
• Pemilihan ion positif pada katod masih ditentukan oleh kedudukannya dalam siri elektrokimia.
• Larutan natrium klorida pekat dan cair mengandungi $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$, $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$, ${\mathrm{H}}^{+}$ dan $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$.
• Pada katod bagi kedua-dua larutan, ${\mathrm{H}}^{+}$ dinyahcas dan bukannya $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$; gas hidrogen terhasil.
• Pada anod:
  • Larutan pekat $1.0\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$: kepekatan $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ yang tinggi menyebabkannya dinyahcas walaupun kedudukannya lebih tinggi daripada $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ dalam siri; gas klorin terhasil.
  • Larutan cair $0.0001\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$: $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ dinyahcas kerana kepekatan $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ lebih rendah dan $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ kurang elektronegatif; gas oksigen terhasil.

Eksperimen 6.3 — Kesan kepekatan ion

Keselamatan: Gas klorin beracun.

• Tujuan: Mengkaji kesan kepekatan ion dalam elektrolit terhadap pemilihan ion untuk dinyahcas pada anod.
• Pernyataan masalah: Bagaimanakah kepekatan asid hidroklorik mempengaruhi pemilihan ion untuk dinyahcas pada anod?
• Hipotesis: Ion yang lebih tinggi kepekatannya dipilih untuk dinyahcas pada anod.
• Pemboleh ubah:
  • Dimanipulasikan: kepekatan ion dalam elektrolit.
  • Bergerak balas: hasil pada anod.
  • Dimalarkan: jenis elektrod.
• Bahan: asid hidroklorik, $\mathrm{HCl}$, $1.0\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$ dan $0.0001\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$; kayu uji.
• Radas: bateri, elektrod karbon, wayar penyambung dengan klip buaya, sel elektrolitik, ammeter, tabung uji, kertas litmus dan suis.

1. Isi sel sehingga separuh penuh dengan asid hidroklorik $1.0\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$.
2. Isi dua tabung uji dengan asid itu dan telangkupkan pada elektrod.
3. Hidupkan suis; kumpulkan gas pada anod sehingga tabung uji hampir penuh.
4. Uji gas dengan kayu uji berbara serta kertas litmus biru dan merah lembap.
5. Ulang menggunakan asid hidroklorik $0.0001\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$.

Elektrolit	Hasil dan pemerhatian pengecaman pada anod
$\mathrm{HCl}$ $1.0\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$	Klorin; kertas litmus biru lembap menjadi merah lalu dilunturkan.
$\mathrm{HCl}$ $0.0001\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$	Oksigen; kayu uji berbara menyala semula.

• Kesimpulan: Hipotesis diterima. Asid hidroklorik pekat menyahcas $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$; asid hidroklorik cair menyahcas $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$.

3. Jenis elektrod

• Jika logam anod sama dengan ion logam dalam elektrolit:
  • Atom anod mengion menjadi ion positif dan larut dalam elektrolit.
  • Ion logam dinyahcas lalu terenap sebagai atom logam pada katod.
  • Kepekatan ion logam tidak berubah kerana kadar pembentukan ion pada anod sama dengan kadar nyahcas ion pada katod.
• Jika bahan anod berbeza daripada ion logam dalam elektrolit:
  • Atom anod tidak larut.
  • Ion negatif dalam elektrolit dinyahcas pada anod.
  • Ion positif yang kurang elektropositif dinyahcas pada katod.

Larutan argentum nitrat, $\mathrm{AgN}{\mathrm{O}}_3$

• Ion hadir: $\mathrm{A}{\mathrm{g}}^{+}$, $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}$, ${\mathrm{H}}^{+}$ dan $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$.

Elektrod argentum	Elektrod karbon
Pada katod, $\mathrm{A}{\mathrm{g}}^{+}$ dinyahcas dan argentum terenap.	Pada katod, $\mathrm{A}{\mathrm{g}}^{+}$ dinyahcas dan argentum terenap.
Pada anod, atom argentum mengion; elektrod argentum larut.	Pada anod, $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ dinyahcas; gas oksigen terhasil.
Kepekatan ion argentum tidak berubah.	Kepekatan ion argentum berkurang.

Eksperimen 6.4 — Kesan jenis elektrod

• Tujuan: Mengkaji kesan jenis elektrod terhadap pemilihan ion untuk dinyahcas pada elektrod.
• Pernyataan masalah: Bagaimanakah jenis elektrod mempengaruhi pemilihan ion untuk dinyahcas pada anod?
• Hipotesis:
  1. Dengan elektrod karbon dalam larutan kuprum(II) sulfat, $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ dipilih untuk dinyahcas pada anod.
  2. Dengan elektrod kuprum, $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$ terhasil pada anod.
• Pemboleh ubah:
  • Dimanipulasikan: jenis elektrod—karbon atau kuprum.
  • Bergerak balas: hasil elektrolisis pada anod.
  • Dimalarkan: jenis dan kepekatan elektrolit.
• Bahan: larutan kuprum(II) sulfat, $\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4$, $0.1\mathrm{mol}\mathrm{d}{\mathrm{m}}^{-3}$; kayu uji.
• Radas: bateri, elektrod karbon, elektrod kuprum, wayar penyambung dengan klip buaya, sel elektrolitik, ammeter, tabung uji dan suis.

1. Isi sel sehingga separuh penuh dengan larutan kuprum(II) sulfat.
2. Isi sebuah tabung uji dengan larutan itu dan telangkupkan pada anod.
3. Gunakan elektrod karbon; hidupkan suis selama 15 minit.
4. Uji gas pada anod dengan kayu uji berbara.
5. Ulang dengan menggantikan elektrod karbon dengan elektrod kuprum.

Elektrod	Pemerhatian dan inferens pada anod
Karbon	Gas menyalakan semula kayu uji berbara; $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ dinyahcas dan oksigen terhasil.
Kuprum	Tiada gas; atom kuprum mengion dan $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$ terhasil.

• Kesimpulan: Hipotesis diterima; jenis elektrod mempengaruhi ion yang dipilih untuk dinyahcas pada anod.

Aplikasi Elektrolisis dalam Industri

• Pengekstrakan logam: kalium, natrium, kalsium, magnesium dan aluminium diekstrak daripada leburan bijih atau garamnya melalui elektrolisis.
• Penulenan logam:
  • Logam tidak tulen = anod; logam tulen = katod.
  • Logam pada anod larut lalu membentuk ion.
  • Ion logam bergerak ke katod, dinyahcas dan terenap sebagai logam tulen.
• Penyaduran logam: emas, platinum atau argentum disadur pada logam lain supaya kelihatan lebih menarik dan tahan kakisan.
• Pengolahan air sisa melalui elektro-penggumpalan: menggabungkan proses elektrolisis dan penggumpalan.

Urutan elektro-penggumpalan

1. Pada anod logam seperti aluminium, atom logam mengion dalam elektrolit lalu menghasilkan $\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}$.
2. Pada katod karbon, ${\mathrm{H}}^{+}$ dinyahcas; gelembung gas hidrogen terbentuk dan naik.
3. $\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}$, $\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{-}$ dan bahan pencemar bergabung membentuk bahan penggumpal yang dikenali sebagai flok.
4. Flok yang terperangkap dalam gelembung hidrogen dibawa ke permukaan air.
5. Flok yang selebihnya tenggelam dan terkumpul di dasar.