Contoh Soal Pembahasan Potensial Elektrode Acuan Standar
Pendahuluan
Elektrokimia adalah cabang ilmu kimia yang mempelajari hubungan antara reaksi kimia dan fenomena listrik. Salah satu konsep fundamental dalam elektrokimia adalah potensial elektroda. Potensial elektroda adalah suatu ukuran dari kecenderungan suatu elektroda untuk menarik atau melepaskan elektron.
Di dalam elektrokimia, standar yang umum digunakan adalah elektroda hidrogen standar (Standard Hydrogen Electrode, SHE). SHE didefinisikan memiliki potensial nol volt pada semua suhu. Ini berfungsi sebagai referensi universal untuk mengukur dan membandingkan potensial elektroda lainnya. Artikel ini bertujuan memberikan penjelasan rinci melalui contoh soal pembahasan mengenai potensial elektroda acuan standar untuk memberikan pemahaman yang mendalam.
Potensial Elektrode dan SHE
SHE berfungsi sebagai titik referensi dengan potensial elektroda yang ditetapkan secara arbitrer pada 0 V. Persamaan untuk reaksi elektroda hidrogen adalah sebagai berikut:
\[ 2H^+ (aq) + 2e^- \rightarrow H_2 (g) \]
Dalam praktek, mensimulasikan kondisi SHE sulit dibuat dan lebih umum menggunakan elektroda acuan standar lain seperti Saturated Calomel Electrode (SCE) atau Silver/Silver Chloride (Ag/AgCl).
Contoh Soal dan Pembahasannya
Soal 1: Menentukan Potensial Elekrode Sel Elektrokimia
Soal:
Sebagai contoh soal, kita diminta untuk menentukan potensial sel dari reaksi antara Zn(s) dan Cu^2+(aq). Diketahui bahwa potensial elektroda standar untuk Zn^2+/Zn adalah -0.76 V dan untuk Cu^2+/Cu adalah +0.34 V. Berapakah potensial sel tersebut bila menggunakan SHE sebagai referensi?
Jawaban:
Kita butuh menghitung potensial sel \( E_{sel} \) menggunakan potensial elektroda. Reaksi total dalam sel adalah:
\[ Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s) \]
Potensial elektroda ditulis sebagai:
\[ E_{sel} = E_{katoda} – E_{anoda} \]
Di mana katoda adalah reaksi reduksi dan anoda adalah reaksi oksidasi. Berdasarkan potensial standar:
– Potensial standar katoda \( E^0_{katoda} \) (Cu^2+/Cu) = +0.34 V
– Potensial standar anoda \( E^0_{anoda} \) (Zn^2+/Zn) = -0.76 V
Mensubstitusi nilai:
\[ E_{sel} = 0.34 \, \text{V} – (-0.76 \, \text{V}) \]
\[ E_{sel} = 0.34 \, \text{V} + 0.76 \, \text{V} \]
\[ E_{sel} = 1.10 \, \text{V} \]
Jadi, potensial sel adalah 1.10 V.
Soal 2: Menggunakan Persamaan Nernst dalam Kondisi Non-Standar
Soal:
Hitunglah potensial sel (E) di suhu 298 K untuk reaksi elektrokimia antara Zn(s) dan Cu^2+(aq) jika konsentrasi ion Cu^2+ adalah 0.01 M dan konsentrasi ion Zn^2+ adalah 1.00 M.
Jawaban:
Persamaan Nernst memberikan kita cara untuk menghitung potensial sel saat kondisi tidak berada dalam standar (non-standar). Persamaan Nernst adalah:
\[ E = E^0 – \frac{RT}{nF} \ln Q \]
Di mana,
– \( E^0 \) adalah potensial sel standar
– \( R \) adalah konstanta gas (8.314 J/mol·K)
– \( T \) adalah suhu dalam Kelvin (298 K)
– \( n \) adalah jumlah mol elektron yang dipindahkan dalam reaksi setara (2 mol elektron untuk Zn/Cu)
– \( F \) adalah konstanta Faraday (96485 C/mol)
– \( Q \) adalah kuosien reaksi:
\[ Q = \frac{[produk]}{[reaktan]} = \frac{[Zn^{2+}]}{[Cu^{2+}]} \]
Subsitusikan nilai pada persamaan Nernst:
Potensial standar \( E^0 \) dari soal sebelumnya adalah 1.10 V.
\[ E = 1.10 \, \text{V} – \frac{8.314 \, \text{J/mol·K} \times 298 \, \text{K}}{2 \times 96485 \, \text{C/mol}} \ln \left(\frac{1.00}{0.01}\right) \]
Pertama, hitung term suhu dan kuosien reaksi:
\[ \frac{8.314 \times 298}{2 \times 96485} = \frac{2476.652}{192970} \approx 0.0128 \, \text{V} \]
Jangan lupa mengkonversinya agar sesuai dengan J to Volts:
\[ \ln (100) = 4.605 \]
Jadi:
\[ E = 1.10 \, \text{V} – 0.0128 \times 4.605 \]
\[ E = 1.10 \, \text{V} – 0.0589584 \]
\[ E = 1.041 \, \text{V} \]
Jadi, potensial sel dalam kondisi non-standar adalah 1.041 V.
Kesimpulan
Elektrokimia adalah bidang penting yang memiliki berbagai aplikasi dalam industri dan penelitian ilmiah. Memahami konsep dasar seperti potensial elektroda dan menggunakan persamaan Nernst memungkinkan kita untuk menghitung potensial sel dalam berbagai kondisi. Dalam contoh yang dibahas ini, kita telah melihat bagaimana menentukan potensial sel menggunakan elektrode acuan standar dan bagaimana faktor-faktor seperti konsentrasi mempengaruhi potensial sel.
Pembahasan ini menunjukkan pentingnya pemahaman mendalam tentang prinsip-prinsip elektrokimia untuk berbagai aplikasi, dari biosensor hingga baterai. Pemahaman ini juga memberikan landasan yang kuat bagi siapa pun yang ingin terlibat dalam penelitian dan aplikasi teknologi elektrokimia.
