Pengenalan dan Gambaran Proses Seputar Elektroda

Khimayaturosyida arfiKimia – A 2012

123234003

1.1 pengenalan

• Elektrokimia adalah cabang kimia yang bersangkutan dengan keterkaitan efek listrik dan kimia

• Penekanan utama pada penerapan metode elektrokimia untuk mempelajari sistem kimia

• Banyak metode elektrokimia yang telah dirancang, aplikasinya membutuhkan pemahaman tentang prinsip-prinsip fundamental dari reaksi elektroda dan sifat listrik dari larutan elektroda.

1.1.1 sel dan reaksi elektrokimia

Notasi Seldigunakan untuk menggambarkan rangkaian sel volta dan reaksi redoks yang berlangsung didalamnya.- Tata cara penulisan

a. Terdiri dari anode dan katodeb. Tanda ׀׀ adalah jembatan garam untuk memisahkan anode dan katodec. Tanda ׀ adalah batas fase untuk memisahkan anode dan katoded. Tanda koma(,) digunakan untuk memisahkan spesi-spesi dalam fase yang samae. Elektrode anode terletak paling kiri dan elektrode katode paling kananf. Elektrode inert tidak ditulis.

UNIVERSITAS NEGERI SURABAYA

1.1.2 sel dan reaksi elektrokimia

• Sel Setengah Reaksi dan Elektroda AcuanReaksi kimia yang terjadi terdiri dari 2

setengah reaksi yang menggambarkan perubahan kimia yang terjadi pada 2 elektroda

• Potensial Steppotensial pada elektroda kerja dapat

berubah-ubah sesuai elektroda acuan.

HUKUM FARADAYPerubahan potensial dapat menyebabkan aliran

listrik pada rangkaian luar karena elektron menyebrangi antar fase elektron / larutan ketika terjadi reaksi: Jumlah elektron diukur dari segi muatan total (Q) Muatan dinyatakan dalam coloumb hubungan antara muatan dan jumlah produk yang

terbentuk ditentukan oleh hukum faraday

Dua Jenis Proses yang Terjadi di Elektroda

FARADAIC PROCESSES NONFARADAIC PROCESSES

PROSES FARADAIC DAN NONFARADAIC

Adanya transfer elektron yang menyebabkan

oksidasi/reduksi terjadi. Sejak reaksi tsb ditur oleh

hukum Faraday, maka disebut Faradaic processes

Suatu alat penghubung elektroda–larutan tertentu menunjukkan jangkauan potensial dimana tidak ada transfer muatan terjadi

karena reaksi nya kinetik dan termodinamik. Namun,proses seperti

adsorpsi dan desorpsi dapat terjadi dan struktur dari alat penghubung elektroda–larutan dapat berubah dengan perubahan

potensial atau komposisi larutan

 1.2

PROSES NONFARADAIC DAN SIFAT DARI ELEKTRODA - ANTAR MUKA LARUTAN

1.2.1 Elektroda potensial terpolarisasi

Elektroda di mana tidak ada transfer muatan yang dapat terjadi di seluruh antarmuka logam – larutan, tanpa memperhatikan potensial yang dikenakan oleh sumber luar tegangan

terpolarisasi (atau ideal terpolarisasi)

elektroda ideal (IPE).

1.2.2 kapasitas dan beban dari elektroda

Kapasitor merupakan elemen rangkaian listrik terdiri dari dua lembaran logam yang dipisahkan oleh dielektrik material.

di mana: q : muatan yang tersimpan pada kapasitor

(dalam coulomb, C)E :potensial di kapasitor (dalam volt, V)C :dalah kapasitansi (dalam farad, F).

Lapisan paling dekat dengan elektroda

1.2.3 uraian singkat listrik lapisan ganda

Sisi larutan dari lapisan ganda terdiri dari beberapa "lapisan."

Lapisan dalam (Inner Layer)

Ion yang teradsorpsi nonspesifik didistribusikan dalam tiga dimensi wilayah

lapisan difus (diffuse layer).

Tegangan (atau Potensial) Step

Jika diasumsikan bahwa kapasitor awalnya tidak

bermuatan pada , maka solusinya sebagai berikut :

Gambar 1.2.6 Percobaan Potensial step untuk rangkaian RC

q = ECd [ 1- e –t/RsCd)

1.2.4 Kapasitansi Lapisan Ganda ( Double-Layer ) Capacitance dan Arus Pengisian Dalam Campuran Eletrokimia

Arus Step

Ketika lintasan RsCd diisi oleh arus yang konstan (tetap), Maka q = dan i tetap,.

atau

Potensial meningkat dengan linear terhadap waktu untuk arus step

E = I (Rs + t/Cd)

Tegangan Ramp (atau Potensi Sapu)

• Sebuah tegangan ramp atau potensial sweep linear merupakan potensial yang meningkat secara linear dengan waktu mulai dari beberapa nilai awal (di sini diasumsikan nol) pada tingkat menyapu (pada vs-1 )

E = Vt

Jika jalan tersebut diterapkan pada sirkuit

Jika q = 0 dan t =0 maka

1.3 PROSES FARADAIC DAN FAKTOR YANG MEMPENGARUHI TINGKAT

DARI REAKSI ELEKTRODA

1.3.1 Pengertian dan Jenis Sel Elektrokimia

• Sel elektrokimia yang terdapat arus Faradaic diklasifikasikan sebagai sel galvanik atau sel elektrolit

• Sel galvanik adalah saat di mana reaksi terjadi secara spontan pada elektroda ketika terhubung secara eksternal oleh konduktor.

• Sel elektrolit adalah saat di mana reaksi yang dipengaruhi oleh pembebanan tegangan volt eksternal yang lebih besar daripada potensi rangkaian terbuka dari sel

Gambar 1.3.1 (a) Sel Galvani (b) Sel Elektrode

1.3.2 Percobaan Elektrokimia dan Variabel dalam Sel Elektrokimia

• Cara untuk memvisualisasikan percobaan elektrokimia adalah bagaimana cara sistem merespon usikan

a) Konsep umum

b) Percobaan Spektrofotometri

c) Percobaan elektrokimia

• Hubungan berikut menunjukkan proporsionalitas langsung antara arus dan elektrolisis tingkat Faradaic

• Proses reaksi elektroda terjadi secara: homogen terjadi di segala tempat dalam

tingkat medium yang seragamHeterogen terjadi hanya pada hubungan

elektroda – elektrolit. • reaksi elektroda heterogen, laju reaksinya

dalam satuan mol / s per satuan luas, yaitu :

J adalah kerapatan arus (A/cm2).

• Permulaan potensial elektroda (atau potensial sel) dari nilai kesetimbangan pada aliran arus Faradaic disebut polarisasi.

• Tingkat polarisasi diukur oleh overpotential, η

• Kurva arus – potensial , terutama yang diperoleh di bawah kondisi keadaan stabil, disebut kurva polarisasi

• Gambar Kurva arus-potensi ideal (a) terpolarisasi dan (b) elektroda non terpolarisasi.

1.3.3 Faktor yang Mempengaruhi Tingkat Reaksi Elektroda dan Arus

• Secara umum, arus (atau laju reaksi elektroda) ditentukan oleh tingkat berbagai proses seperti:

1) Perpindahan massa 2) Transfer elektron pada permukaan elektroda. 3) Reaksi kimia sebelum atau setelah transfer elektron. 4) Reaksi permukaan lainnya, seperti adsorpsi,

desorpsi, atau kristalisasi (elektrodeposisi).

• rate – determining steps adalah perlambatan yang melekat pada satu atau lebih reaksi yang membatasi besarnya arus

• Setiap nilai rapat arus, j, digerakkan oleh overpotential tertentu, seperti : ηmt, ηct, ηrxn

• Reaksi elektroda dapat bergantung oleh resistensi, R. Tahap reaksi cepat resistensi kecil (atau

impedansi)tahap reaksi lambat resistensi yang

tinggi

• Gambar Jalur reaksi elektroda umum.

• Gambar Proses dalam reaksi elektroda direpresentasikan sebagai resistensi.

1.3.4 Sel Elektrokimia dan Resistensi (Ketahanan) Sel

• Sel dua - elektroda • Sel tiga - elektroda

• Nilai E dapat diperoleh dari pers. 1.3.6 apabila aliran arus tidak mempengaruhi potensial acuan. Ketika iRs kecil, sel dua – elektroda dapat digunakan menentukan kurva i – E, atau E = Eappl. Jika iRs tinggi dapat menggunakan sel tiga – elektroda.

• Untuk elektroda planar dengan kerapatan arus seragam di seluruh permukaannya:

• Di mana: x : jarak dari ujung kapiler dari elektrodaA : luas elektrodak : adalah solusi konduktivitas.

Pengaruh iRU dapat sangat serius bagi elektroda mikro berbentuk bola, Untuk elektroda bola dengan jari-jari r0,

 1.4

PENGENALAN MASSA – TRANSFER – REAKSI TERKONTROL

1.4.1 Macam-macam Model Transfer Massa

Migration (migrasi). Pergerakan dari sebuah bagian badan yang dibebankan di bawah pengaruh medan listrik (gradien potensial elektrik).

Diffusion (difusi). Pergerakan dari suatu jenis di bawah pengaruh gradien potensial kimia (yaitu, gradien konsentrasi).

Convection (konveksi). Pengadukan karena transportasi hidrodinamik.

• Perpindahan massa satu dimensi sepanjang sumbu x dalam elektroda diatur oleh persamaan Nernst-Planck :

Di mana: Ji(x) : aliran dari jenis i (mol s-1cm-2)

Di : koefisien difusi (cm2/s)

∂Ci(x)/∂x : gradient konsentrasi pada jarak x,

∂ϕ(x)/∂x : gradient potensialzi dan Ci : nilai/harga (tidak berdimensi) dan konsentrasi

(mol cm-3) v(x : kecepatan gerak (cm/s)

1.4.2 Perlakuan Semi empirical dari Kondisi Stabil Perpindahan Massa

Tingkat perpindahan massa sebanding dengan gradien konsentrasi pada permukaan elektroda,

Persamaan Nernst :Reaksi Nernstian adalah kinetika transfer

elektron yang cepat, konsentrasi O dan R pada permukaan elektroda dapat diasumsikan sebagai kesetimbangan pada potensial elektroda

Kita dapat menurunkan kurva i–E steady-state untuk reaksi Nernstian di bawah beberapa kondisi yaitu:

Ketidak-hadiran R

Mula-mula

Kedua O dan R Mula - mula

HadirR Tidak Larut

1.5PERLAKUAN SEMI EMPIRICAL

DARI REAKSI NERNSTIAN DENGAN PENGGABUNGAN

REAKSI KIMIA

1.5 Penggabungan Reaksi Reversible

Persamaan Nernst yang berlaku pada permukaan elektroda yang dan diasumsikan pada kesetimbangan:

Dengan asumsi bahwa t=0, , , dan . (untuk semua x); sangat besar dibandingkan dengan (x=0) = di setiap saat.

µ disebut ketebalan lapisan reaksi

Dengan mensubstitusi nilai-nilai ini ke dalam persamaan Nernst

Atau Dimana:

atau

1.5 Penggabungan Reaksi Irreversible