KI2242 2012-KimiaFisikaLarutanDanKoloid Lec04 ElektrolitDalamLarutan WtrMrk

7/30/2019 KI2242 2012-KimiaFisikaLarutanDanKoloid Lec04 ElektrolitDalamLarutan WtrMrk

1/15

Elektrolit dalam Larutan

Reaksi kimia yang terjadi di alam dan laboratorium banyak yang melibatkan ion. Misalnya reaksi pada

proses biologis dan reaksi reaksi yang berlangsung dalam air. Karena itu proses reaksi yang melibatkan

ion adalah sangat penting.

Larutan Ionik

Hantaran Spesifik

Larutan elektrolit mempunyai sifat menghantarkan arus listrik karena pada larutan elektrolit terdapat

ion yang bergerak bebas yang dapat menghantarkan arus. Ion ini bergerak secara mandiri dalam

larutannya.

Pengukuran tahanan listrik dari suatu larutan elektrolit dapat memberikan informasi tentang hantaran,

hantaran spesifik, dan hantaran molarnya.

Pengukuran besarnya arus listrik yang dapat dialirkan oleh suatu larutan elektrolit dapat dilakukan

dengan menggunakan sel hantaran. Diagram sel hantaran adalah seperti :

Jika pada sel diisi dengan larutan elektrolit dan kemudian pada larutan dilewatkan arus tidak searah(AC) maka akan diperoleh bahwa besarnya arus,I, akan sebanding dengan besarnya potensial,E, yang

diberikan. Sesuai dengan hukum Ohm maka akan berlakuE = I. R.


2/15

Digunakannya arus tidak searah akan menghindari terakumulasi muatan ionik pada permukaan

elektroda. Muatan ionik ini dapat mengakibatkan tahanan yang besarnya bergantung pada arus yang

melewatinya.

Untuk suatu larutan adalah lebih mudah bila menggunakan istilah Hantaran dibandingkan denganTahanan, dan definisi hantaran adalah.

L=1

R(8.1)

DenganR dalam ohm, , dan hantaranL dengan satuan mho, -1 atau Siemen, S.

Hantaran untuk suatu sistem sederhana adalah sebanding dengan penampang lintang dan berbanding

terbalik dengan jaraknya. Suatu materi tertentu akan memiliki hantaran spesifik, . Dengan

L=(A/ l) , maka harga hantaran spesifik adalah;

=l

AL (8.2)

Hantaran spesifik merupakan hantaran dari suatu material dalam dimensi suatu kubus dengan satuan

volume tertentu.

Hantaran spesifik dapat diturunkan dengan mengukur Tahanan,R, mengukurL, dan dari informasi

perihal dimensi dari sel hantaran dapat dicari harga konstanta sel, l/A, dan akhirnya .

Harga konstanta sel, l/A, dicari dengan mengukur tahanan/hantaran dengan menggunakan suatu larutan

elektrolit yang telah diketahui hantaran spesifiknya.

Hantaran spesifik dari suatu larutan sulit dicari, karena pada larutan faktor konsentrasi memainkan

peranan penting. Sehingga untuk suatu larutan dikenalkan pengertian yang baru yaitu hantaran molar.


3/15

Hantaran Molar.

Untuk perhitungan hantaran, konsentrasi dalam satuan mol per kubik meter (mol m-3) biasa digunakan.

Digunakan simbol Cuntuk menyatakan konsentrasi dalam satuan ini. Tetapi konsentrasi dalam larutan

biasanya dinyatakan dalam satuan mol per liter. Pada kasus ini digunakan simbol c. Hubungan antara

kedua satuan diberikan oleh:

C=c1000 L m3

Untuk suatu larutan dengan konsentrasi 0.1 mol m -3, bila volum larutan tersebut mengandung zat

terlarut sebanyak 1 mol, maka volum larutannya adalah 10 m3. Untuk larutan dengan C= 0.01 mol m-3,

maka diperlukan 100 m3 larutan untuk memperoleh 1 mol zat terlarut.

Dari contoh tersebut, 1/Cmemberikan volum dalam kubik meter untuk tiap mol zat terlarut. Sehingga

sebuah sel yang memiliki volum 1/Cdengan elekroda dipisahkan sejauh 1 m akan ekivalen dengan 1/C

sel yang diletakkan bersisian satu sama lain. Hantaran dari sel yang mengandung 1 mol zat terlarut

disebut sebagai hantaran molar,

Dari hubungan ini maka besarnya hantaran molar diberikan oleh.

=

C (8.3)

Untuk larutan elektrolit yang diketahui konsentrasinya maka akan dapat dicari harga hantaran molarnya

bila besar hantaran spesifiknya diketahui.

Beberapa harga hantaran molar dapat dilihat pada Tabel 8.2.


4/15

Aluran hantaran molar terhadap akar dari konsentrasi untuk beberapa larutan elektrolit ditunjukkan oleh

grafik berikut. Secara empiris bila aluran ini memberikan garis lurus maka larutan elektrolit merupakan

suatu elektrolit yang kuat. Sedangkan bila bentuk kurvanya membentuk tangensial pada saat mencapai

titik nol, maka elektrolitnya digolongkan pada elektrolit lemah.

Suatu hubungan penting yang diturunkan dari grafik ini adalah bila ekstrapolasi larutan elektrolit kuat

pada pengenceran tak hingga, hasil nya akan diperoleh hantaran molar pada pengenceran tak hingga.

Hantaran pada pengenceran tak hingga ini diberi simbol, 0.. Hantaran pada pengenceran tak hingga ini

menjadi dasar dari Hk. Hantaran Molar Pembatas (Limiting Molar Conductance). Dan Hk. ini menjadi

basis dari Hukum migrasi ion bebas.

Hukum ini menyatakan bahwa hantaran pada pengenceran tak hingga merupakan jumlah hantaran dari

kation dan anionnya. Hubungan ini diberikan oleh persamaan,


5/15

0=++0+--

0(8.4)

Persamaan ini menyatakan bahwa pada pengenceran tak hingga, hantaran dari suatu larutan elektrolit,

misalnya NaCl, tergantung pada kontribusi hantaran dari ion Na+ dan Cl-. Dan keduanya tidak saling

tergantung.

Ketidak tergantungan ini dapat terlihat dari perbandingan dari elektrolit yang mengandung ion sejenis,

misalnya perbedaan 0 untuk KCl dengan LiCl, adalah sama besarnya dengan perbedaan antaran KClO4

dengan LiClO4.

Perbedaan ini dapat diterjemahkan sebagai nilai K

+

0 Li

+

0

. Pengamatan menunjukkan bahwa besar

perbedaan ini tidak bergantung pada apa spesi ion lawannya.

Aplikasi praktis dari kontribusi bebas ion pada larutan encer adalah saat menentukan hantaran molar

pada pengenceran tak hingga bagi larutan elektrolit lemah. Misalnya pada asam asetat dapat ditulis,

HAc0 =NaAc

0 +HCl0 NaCl

0

Dengan cara ini pada suhu 25 0C diperoleh;

HAc0 =0.00910+0.042620.01265=0.039071 m2 mol1

Elektrolisis dan mobilitas ion.

Elektroda merupakan konduktor listrik. Pada elektroda inilah elektron masuk atau keluar dari suatu

larutan elektrolit. Saat suatu potensial yang cukup di berikan pada suatu sistem elektrokimia, proses

elektrolisis akan berlangsung. Terdapat 2 jenis elektroda, yaitu anoda dan katoda. Pada anoda terjadi

reaksi oksidasi, dan pada katoda terjadi reduksi.

Beberapa reaksi pada elektroda diilustrasikan pada Gambar 8.3. Pada beberapa reaksi, ion dilepaskan

dari elektroda netralnya. Misal pada elektroda Tembaga dan Klor. Reaksi yang melibatkan kation atau

anion yang rumit, ion H+ atau OH- akan dihasilkan, atau akan terjadi disosiasi Air.

Michael Faraday memberikan hubungan kuantitatif antara proses elektrolisis dengan arus. Faraday

menemukan bahwa terdapat korelasi antara banyaknay muatan yang lewat dengan jumlah senyawa

yang mengendap atau senyawa yang melarut. Hubungan ini diberikan melalui satuan Faraday, yang di

definisikan sebagai muatan dari 1 mol elektron. Sehingga

1F=NA(muatan elektron)=96485C mol1 .


6/15

Gambaran reaksi pada permukaan elektroda ditunjukkan pada Gambar 8.3 erikut:

Arus searah melewati larutan elektrolit dan mengalami proses pada reaksi di elektroda, dan jugapergerakan ion dalam larutannya. Studi tentang perubahan konsentrasi akibat dari gerakkan ion ini akan

memberikan informasi perihal mobilitas dair ion dalam larutan.

Mobilitas dari ion dapat dicari dengan menggunakan percobaan moving-boundary. Dari percobaan ini

akan dapat diperoleh bilangan transfer dari suatu elektrolit. Diagram percobaan ditunjukkan oleh,m


7/15

Dua jenis garam yang berbeda dapat disusun berlapis satu diatas yang lainnya. Seandainya Lapisan

bawah berisi CdCl2 dan lapisan yang lebih atas adalah KCl.

Elektroda yang dihubungkan dengan bagian atas adalah katoda (proses reduksi), bila di berikan voltase

maka ion positif akan bergerak keatas dan ion negatif akan bergerak ke bawah. Dengan ini maka larutan

dalam sel akan membawa arus listrik yang akan melengkapi sirkuit selnya.

Dalam Gambar 8.4 ion Cd2+ dan K+ bergerak ke atas dan ion Cl- bergerak kebawah. Batas antara KCl

dan CdCl2 akan terjaga karena ion K+ memiliki mobilitas yang lebih dibandingkan ion Cd2+, sehingga

larutan bagian bawah akan lebih pekat. Dengan mobilitas yang relatif ini pergerakan batas bergantung

pada pergerakan ion K+ yang kemudian diikuti oleh Cd2+

Bila arus sebesarImelewati suatu sel selama waktu ttertentu, maka total muatan yang melewati bidang

pada sel adalah sebesarIt. Semua ion K+ yang di arsir pada gambar diatas akan bergerak pindah sejauh


8/15

jarak tertentu. Bila volume daerah diarsir adalah VL dan konsentrasi nya adalah c mol L-1 maka

banyaknya ion K+ adalahNA c V.

Muatan ion pada area ini adalahZ+ e NA c V = Z+F c V denganZadalah muatan dari ion.

Analisis dari moving boundary menunjukkan bahwaZ+ F c V dibawa oleh muatan selama waktu t. Hal

ini dapat di bandingkan dengan total muatanI.tyang dibawa oleh muatan positif dan ini merupakan

bilangan transport, t+. Dari percobaan moving boundary, diperoleh bilangan transport adalah

t+=

Z+

F c V

It

Jika konsentrasi dari KCl diketahui, dan konsetrasi volume diperoleh dari percobaan moving boundary

pada besar arus tertentu maka besarnya t+ untuk K+ dapat dihitung. Akibat kation dan anion merupakan

fraksi dari arus yang dibawa maka, t+ + t- = 1 sehingga t- = 1 - t+

Tabel 8.3 memberikan nilai bilangan transport untuk beberapa ion positif.

Hantaran ionik

Bilangan transport memberikan fraksi dari arus yang dibawa oleh kation dan anion dari suatu elektrolit.Hasil pada tabel 8.3 dapat digunakan untuk menghitung hantaran ion dari hantaran molarnya.

Pada pengenceran tak terhingga hantaran molar dapat di terjemahkan sebagai jumlah dari semua

hantaran ion-ion elektrolitnya. Untuk pengenceran tertentu berlaku

0=++0+--

0


9/15

Dengan +0

dan -0

adalah hantaran molar ion pada pengenceran tak hingga.

Karena bilangan transport memberikan fraksi dari arus total yang dibawa masing-masing ion maka,

+

+

0=t+

00

Dan

--0=t-

0

0

dengan t+0

dan t-0

adalah bilangan transport hasil ekstrapolasi pada pengenceran tak hingga.

Mobilitas ion

Pada pelarutan tertentu arus yang melalui sel hantaran yang mengandung 1 mol elektrolit dikarenakan

oleh aliran ion positif dan negatif. Counterpart dari hukum Ohm,E = I R atauI = (1/R) E, yang disusun

untuk larutan ion,menggunakan hantaran = 1 /R dan simbol Vuntuk beda potensial.

Akhirnya diperoleh

I=0 V =[++

0+--0]V

=++0

V+ --0V

=I++I-

Jika kecepatan rata-rata ion dalam medan listrik di gambarkan sebagai 0 + dan 0 , maka arus yang

dibawa oleh ion ini adalah muatan dikali kecepatan dari muatannya, atau

( ) ( )0 0I Z F I Z F + + + = =

Dengan membandingkan persamaan sebelumnya maka,

0 0 0 0V Z F V Z F + + +

= =

Atau

0 0

0 0V V

FZ FZ

+

+

+

= =


10/15

Kecepatan rata-rata suatu ion bergerak menuju elektroda dalam pengaruh suatu potensial sebesar 1 V

pada sel dengan ukuran 1 m diberikan oleh persamaan v+0 /V=

+

0 /FZ+ atau v-

0/V=+

0/FZ- ,

kecepatan ini di kenal sebagai mobilitas ionik. Mobilitas ion dihitung dari hantaran ionik.


11/15

Membandingkan mobilitas ion dengan kecepatan molekul gas. Pada gradien tegangan 104 V m-1, atau

100 V cm-1, suatu ion akan bermigrasi dengan kecepatan 5 x 10-4 m s-1. Akan diperlukan waktu sebesar

30 menit bagi ion untuk bergerak 1 m pada arah tegangan yang diberikan.

Pada tabel *.4. dapat dilihat bahwa H+ dan OH- memiliki harga mobilitas ion yang tinggi dibandingkan

dengan ion-ion lainnya. Tingginya mobilitas ini tidak dapat dijelaskan berdasarkan ukuran ion tersebut

karena baik H+ maupun OH- akan sangat tersolvasi.Untuk menjelaskan tingginya mobilitas ion ini suatu

mekanisme diusulkan oleh T. van Grottus. Pada gambar 8.5 terlihat bagaimana transfer proton antara

ion yang berdekatan akan mempengaruhi mobilitas ion H+ dan OH-.


12/15

Ketergantungan Hantaran ionik terhadap Konsentrasi

Pada suatu ion dalam larutan akan terbentuk atmosfir ion yang dibentuk dari ion yang bermuatan

berlawanan dengan ion pusatnya. Makin konsentrasi larutan maka atmosfir tersebut akan semakin besar

juga atmosfir ionnya.

Bila pada sistem tersebut diberikan medan listrik, pada awalnya ion pusat akan bergerak meninggalkan

pusat dari atmosfir ionnya. Atmosfir ini akan terdistorsi dan atmosfir ini cenderung melawan medan

listrik yang diberikan, yang pada akhirnya akan menyebabkan kekuatan medan listrik berkurang

pengaruhnya.

Atmosfir ion ini makin besar kontribusinya pada konsentrasi yang tinggi. Debye dan Huckel

menunjukkan bahwa terdapat kertergantung pada c terhadap hantaran ekivalen seperti yang di

tunjukkan pada Gambar 8.2.

Faktor lain dari pengaruh awan ini adalah terdapat waktu relaksasi akibat ion pusat bergerak. Saat ion

pusat berpindah tempat, atmosfir ion tidak secara spontan ikut menata diri terhadap posisi ion pusatnya.

Diperlukan sejumlah waktu tertentu agar awan elektron dapat menata diri kembali.

Faktor kedua yang mengakibatkan harga hantaran listrik berkurang pada konsentrasi tinggi adalah

adanya koefisien drag yang timbul akibat ion tersebut bergerak. Saat medan listrik diberikan pada

sistem, ion akan bergerak menuju elektroda yang beda muatannya. Kecepatan bergerak ion bergantung

pada kesetimbangan akibat gerak tarik dari medan listrik vs drag viskositas dari ion/ion atmosfirnya.


13/15

Sehingga kecepatan gerak ion ini bergantung pada konsentrasi, karena ion saat bergerak akan ikut

membawa molekul tersolvasinya, dan pada konsentrasi tinggi ion bergerak ke arah muatan berlawanan

sedangkan ion tersolvasi bergerak sebaliknya.

Teori hantaran dari Debye dan Huckel digunakan untuk menggambarkan garis putus-putus pada gambar8.2. Terlihat bahwa pengaruh yang dibahas pada teori berlaku hingga 0.01 M bagi elektrolit kuat.

Arrhenius mengasumsikan bahwa turunnya hantaran tentunya adalah turunnya jumlah partikel yang

dapat menghantarkan arus.

Kesetimbangan ion pada sistem ideal

Pada larutan ion yang sangat encer, konsentrasi ion dapat digunakan untuk menggambarkan keadaan

kesetimbangan dissosiasi.

Adalah Arrhenius yang pertama kali memberikan postulat yang menyatakan bahwa bila suatu elektrolit

di larutkan maka akan terjadi disosiasi elektrolitik. Dia memberikan ide bahwa meningkatnya hantaran

molar dengan berkurangnya konsentrasi untuk laruan yang encer dan teramati pada grafik adalah

diakibatkan karena meningkatnya dissosiasi dari elektrolitnya.

Saat ini diketahui bahwa ide dari Arrhenius tersebut hanya berlaku untuk larutan elektrolit lemah.

Bertambahnya hantaran molar (sedikit) untuk larutan elektrolit kuat dengan berkurannya elektrolit

dijelaskan dengan adanya efek atmosfir ion yang diusulkan oleh Debye dan Huckel yang kemudian

diperkuat oleh Onsager.

Hantaran suatu larutan dari suatu elektrolit tergantung pada ion yang ada pada larutannya. Dari

persamaan = / C, dapat di peroleh

Cion=ion

Dengan Cion merupakan konsentrasi elektrolit yang terionisasi dalam mole per kubik meter. Dan ion

adalah hantaran molarnya.

Untuk larutan yang encer (Baik elektrolit lemah maupun elektrolit kuat) berlaku

Cion=0


14/15

Dissosiasi elektrolit lemah

Reaksi yang menghasilkan ion dari asam lemah (misalnya asam asetat) dapat di gambarkan sebagai

suatu transfer proton ke air misalnya.

2 3HAc H O H O Ac+ + +

Karena air konsentrasinya hampir tetap (karena banyaknya dibandingkan asamnya). Maka persamaan

kimia dapat disederhanakan menjadi

HAc H Ac+ +

Konsentrasi ion dalam larutan elektrolit lemah, seperti pada asam asetat, adalah cukup rendah sehingga

hantaran molar dari ion medekati hantaran molar pada pengenceran tak hingga,

0

ion = .

Data hantaran dapat digunakan untuk menghitung hantaran molar dan kemudian dapat digunakan untuk

mencari derajat dissosiasi bagi elektrolit lemah.

0

ion

C

C

=

=

Dan kemudian

0

ionC

C

= =

Dissosiasi dari H2O

Proses dissosiasi dari air diberikan melalui reaksi

H2O + H2O H3O

+

+ OH

-

atau dalam bentuk yang lebih sederhana

H2O H+ + OH-

Pada suhu 250 C hantaran spesifik terendah yang diperoleh dari hasil pengukuran air terdestilasi adalah

58 x 10-7 -1 m-1.. Kerapatan air pada suhu 25 0C adalah 0.997 g mL-1, dan konsentrasi air murni adalah


15/15

c=997g L -1

18.02g mol-1=55.3 mol L

-1

atau

C=55,300 mol m-1

Hantaran molar untuk 1 mol air, yang terdisosiasi sempurna menjadi H+ dan OH- adalah hantaran molar

pembatas 0 = 0.05478 -1 m2 mol-1. Konsentrasi dalam bentuk ionik dari H2O diperoleh dari hantaran

konduktan spesifik. 58 x 10-7 -1- m-1 sehingga diperoleh

Cionik=

0

Cionik510-7-1 m-1

0.054478

-1

m

2

mol

-1=1.0610-4 mol m-3=1.0610-7 mol L-1

Dari hasil diatas maka [H+] = [OH-] = 1.06 x 10-7 dan hasil kalion atau tetapan air adalah Kw = [H+]

[OH-] = 1.13 x 10-14

Documents

KI2242 2012-KimiaFisikaLarutanDanKoloid Lec04 ElektrolitDalamLarutan WtrMrk