Redoks

BAB VIII

REDOKS DAN ELEKTROKIMIA

8.1. Konsep Reduksi – Oksidasi (Redoks)

Pada mulanya, pembahasan reaksi redoks hanya meliputi zat – zat yang mengandung oksigen saja. Reaksi oksidasi dianggap sebagai reaksi penambahan oksigen, dan reaksi reduksi adalah reaksi pengurangan oksigen. Tetapi, saat ini pengertian redoks diperluas menjadi reaksi perpindahan elektron. Reaksi oksidasi adalah peristiwa pelepasan elektron, dimana suatu zat memberikan elektron kepada lainnya.

Contoh : Cu à  Cu²⁺  +  2e^-

Sedangkan reaksi reduksi adalah peristiwa penangkapan elektron, dimana suatu zat menerima elektron dari zat lain.

Contoh : Cu²⁺  +  2e^- à Cu

Senyawa yang mengalami oksidasi disebut sebagai reduktor, dan senyawa yang mengalami reduksi disebut sebagai oksidator.

8.1.1. Bilangan Oksidasi

Muatan dari suatu spesi dikatakan sebagai bilangan oksidasi (biloks). Biloks digunakan untuk menentukan apakah terjadi reaksi redoks atau tidak. Bila terjadi reaksi redoks, maka spesi yang teroksidasi akan mengalami kenaikan biloks dan spesi yang tereduksi akan mengalami penurunan biloks.

Aturan penentuan biloks adalah :

a.       `Unsur murni atau senyawa beratom sejenis memiliki biloks nol

b.      Atom H memiliki biloks +1, kecuali pada senyawa hidrida seperti CH₄, NH₃, NaH, biloks atom H adalah -1

c.       Atom O memiliki biloks -2, kecuali pada senyawa

o   F₂O à biloks O = +2

o   Senyawa peroksida (H₂O₂, Na₂O₂) à biloks O = -1

d.      Atom logam memiliki biloks positif (+) sesuai dengan valensi logam tersebut

e.      Jumlah total biloks seluruh atom dalam senyawa netral = nol

f.        Jumlah total biloks seluruh atom dalam ion = muatan ion

8.2. Penyetaraan Reaksi Redoks

Reaksi redoks dapat disetarakan dengan cara langsung (cara bilangan oksidasi) atau cara setengah reaksi.

8.2.1. Cara Langsung (Bilangan Oksidasi)

     - Tentukan reaksi reduksi dan oksidasi

     - Tulis perubahan biloks yang terjadi

     - Samakan jumlah elektron yang dilepas dan diterima dengan menambahkan koefisien

     - Hitung jumlah muatan kiri dan kanan

       Jika muatan kiri > kanan à tambahkan OH^- pada ruas kiri

       Jika muatan kiri < kanan à tambahkan H⁺ pada ruas kiri

     - Samakan jumlah H dengan menambahkan H₂O pada ruas kanan

   Contoh :

Fe⁺²  +  MnO₄^-  à  Fe³⁺  +  Mn²⁺

                                                                        

5Fe⁺²  +  MnO₄^-  à  5Fe³⁺  +  Mn²⁺

Jumlah muatan kiri = +9

Jumlah muatan kanan = +17

Selisih muatan = +8 di ruas kiri (kiri < kanan)

5Fe⁺²  +  MnO₄^-  + 8 H⁺  à  5Fe³⁺  +  Mn²⁺

Jumlah H dan O di ruas kanan dan kiri tidak sama

5Fe⁺²  +  MnO₄^-  + 8 H⁺  à  5Fe³⁺  +  Mn²⁺  +  4H₂O      (reaksi total)

8.2. Cara Setengah Reaksi

Untuk menyelesaikan persamaan redoks dengan cara setengah reaksi, maka langkah – langkah yang dilakukan adalah :

Tabel 8.1. Penyetaraan Reaksi Redoks dengan Cara Setengah Reaksi

Reaksi Suasana Asam	Reaksi Suasana Basa
Tulis masing – masing reaksi reduksi dan oksidasi	Tulis masing – masing reaksi reduksi dan oksidasi
Setarakan jumlah elektron yang terlibat	Setarakan jumlah elektron yang terlibat
Tambahkan satu molekul H2O pada ruas yang kekurangan satu atom O	Tambahkan dua molekul OH- pada ruas yang kekurangan satu atom O
Tambahkan satu molekul H+ pada ruas yang kekurangan satu atom H	Tambahkan molekul H2O pada ruas yang kekurangan atom H
Tulis reaksi yang sudah setara	Tulis reaksi yang sudah setara

     

Contoh :

     Setarakan reaksi berikut

                                                         H⁺

1.       ClO₃^-  +  S₂O₃^2-  à  Cl^-  +  S₄O₆^2- 

Jawab :

ClO₃^-  +  S₂O₃^2-  à  Cl^-  +  S₄O₆^2- 

ClO₃^-  +  6e^-  à  Cl^-

{2(S₂O₃^2-)  à  S₄O₆^2-  + 2e^-}  x3

ClO₃^-  +  6S₂O₃^2-  à  Cl^-  +  3S₄O₆^2-

Ruas kanan kekurangan 3 atom O

ClO₃^-  +  6S₂O₃^2-  à  Cl^-  +  3S₄O₆^2- +  3H₂O

Ruas kiri kekurangan 6 atom H

ClO₃^-  +  6S₂O₃^2-  +  6H^{+ +}HH à  Cl^-  +  3S₄O₆^2- +  3H₂O       (reaksi total)

           OH^-

	OH-

 

2.       Cl₂  +  IO₃^-  à  IO₄^-  +  Cl^- 

Jawab :

Cl₂  +  IO₃^-  à  IO₄^-  +  Cl^- 

Cl₂  + 2e^- à  2Cl^-

IO₃^-  à  IO₄^-  +  2e^-

Ruas kiri kekurangan satu atom O

Cl₂  +  IO₃^-  +  2OH^-  à  IO₄^-  +  Cl^- 

Jumlah atom H dan O di ruas kiri dan kanan tidak sama

Cl₂  +  IO₃^-  +  2OH^-  à  IO₄^-  +  Cl^-  +  H₂O                  (reaksi total)

8.3. Elektrokimia

Elektrokimia adalah bidang ilmu kimia yang mempelajari perubahan energi kimia menjadi energi listrik atau sebaliknya.

8.3.1. Sel – sel Elektrokimia

Suatu sel elektrokimia terdiri dari dua elektroda, yang disebut katoda dan anoda, dalam larutan elektrolit. Pada elektroda katoda terjadi reaksi reduksi. Sedangkan reaksi oksidasi terjadi pada anoda. Sel elektrokimia dapat dibagi menjadi

                1. Sel Volta / Sel Galvani à  merubah energi kimia menjadi energi listrik

                    Contoh : batere (sel kering), accu

                2. Sel Elektrolisis à merubah energi listrik menjadi energi kimia

                    Contoh : penyepuhan, pemurnian logam

                                 

Sel Volta / Galvani                Sel Elektrolisis

Gambar 8.1. Sel volta dan sel elektrolisis

8.3.2. Potensial Elektroda Standar (E^o)

Potensial elektroda standar suatu elektroda adalah daya gerak listrik yang timbul karena pelepasan elektron dari reaksi reduksi. Karena itu, potensial elektroda standar sering juga disebut potensial reduksi standar. Potensial ini relatif karena dibandingkan dengan elektroda hidrogen sebagai standar. Nilai potensial elektroda standar dinyatakan dalam satuan Volt (V). Untuk elektroda hidrogen, E^o nya adalah 0,00V.

- Bila E^o > 0  à  cenderung mengalami reduksi (bersifat oksidator)

- Bila E^o < 0  à  cenderung mengalami oksidasi (bersifat reduktor)

Nilai – nilai E^o untuk berbagai spesi dapat dilihat pada gambar 8.2.

Gambar 8.2. Potensial reduksi standar berbagai ion

                                               

8.3.3. Potensial Standar Sel (E^o_sel)

Potensial standar sel adalah nilai daya gerak listrik sel yang besarnya sama dengan selisih potensial reduksi standar elektroda yang mengalami reduksi dengan potensial reduksi standar elektroda yang mengalami oksidasi.

E^o_sel  =  E^o_reduksi  -  E^o_oksidasi

     Contoh :

      Hitung E^o_sel untuk reaksi berikut :

1.       Zn  +  Cu²⁺  à  Zn²⁺  + Cu

Jawab :

Zn²⁺  +  2e^‑  =  Zn                                       E^o = -0,76 V

Cu²⁺  +  2e^‑  = Cu                                        E^o = 0,34 V

Karena E^o Cu > E^o Zn, maka

Cu à mengalami reduksi

Zn à mengalami oksidasi

E^o_sel  =  E^o_reduksi  -  E^o_oksidasi

           =  {0,34  -  (-0,76)} V

E^o_sel  =  1,1 V

8.3.4. Persamaan Nernst

                E_sel = E^o_sel - ln

Contoh :

Hitung nilai E_sel untuk reaksi pada 25^oC

Zn  +  Cu²⁺  à  Zn²⁺  + Cu

Bila diketahui konsentrasi Zn²⁺ = 0,4 M dan konsentrasi Cu²⁺ = 0,2 M !

Jawab :

E_sel = E^o_sel - ln

Dari contoh soal E^osel, diketahui E^osel untuk reaksi di atas adalah 1,1 V.

E_sel = E^o_sel - ln

E_sel = 1,1 V – 8,9.10^-3 V

E_sel = 1,09 V

8.4. Elektrolisis

Ketika arus listrik dialirkan melalui senyawa ionik dan senyawa tersebut mengalami reaksi kimia, maka terjadilah peristiwa elektrolisis. Zat yang mengalami elektrolisis disebut elektrolit. Elektrolisis adalah proses yang sangat penting dalam industri. Proses ini digunakan dalam industri – industri estraksi atau pemurnian logam.

Untuk menentukan berat zat yang dihasilkan pada proses elektrolisis, digunakan hukum Faraday, yaitu

                                                w = E x F

                w = berat zat hasil elektrolisis

                E = massa ekivalen zat elektrolisis

                F = jumlah arus listrik

                                E =   atau   E =

                Ar = massa atom relatif

                Mr = massa molekul relatif

                n  = jumlah elektron yang terlibat

                                F =

                i = arus (ampere)

                t = waktu (detik)

                                w =  x

8.5. Kespontanan Reaksi

Suatu reaksi dapat dikatakan spontan apabila memenuhi persyaratan termodinamika, yaitu energi bebas Gibbsnya (DG^o) sama dengan nol. Nilai DG^o dapat ditentukan dari potensial standar sel dengan rumus

DG^o = - n F E^o_sel 

Dengan demikian, dapat ditarik kesimpulan bahwa bila suatu sel mempunyai E^o_sel positif, maka DG^o akan negatif dan reaksinya spontan.

DAFTAR PUSTAKA

• Achmad, H., Penuntun Belajar Kimia TPB II; Elektro Kimia, Departemen Kimia FMIPA – ITB, Bandung, 1982
• Brady, J.E., General Chemistry : Principles and Structure, 5^th edition, John Wiley and Sons, New York, 1990
• Briggs,J., Chemistry for “0” Level, 2^nd edition, Longman, Singapore, 2000
• Syukri, S., Kimia Dasar 1, Penerbit ITB, Bandung, 1999
• Syukri, S., Kimia Dasar 2, Penerbit ITB, Bandung, 1999
• Syukri, S., Kimia Dasar 3, Penerbit ITB, Bandung, 1999

Read more »

Reaksi Katalis

Reaksi Katalis

Katalis menurunkan energi aktivasi reaksi dan  meningkatkan laju reaksi, melalui peningkatan konstanta laju. Oleh karena itu, katalis sangat penting dalam industri kimia, penanganan gas buang dan reaksi kimia lain.  Walaupun esensi katalis secara kimia agak kabur, aspek praktis katalis telah berkembang berbasiskan akumulasi pengetahuan empiris.  Pengetahuan kita tentang mekanisme katalisis homogen berkembang seiring dengan perkembangan kimia anorganik, demikian juga pemahaman tentang katalisis padatan.

a.  Katalis homogen

Kimia katalis yang larut dalam pelarut telah berkembang dengan sangat pesat sejak penemuan  katalis Wilkinson (1965), [RhCl(PPh₃)₃].  Kompleks ini bewarna ungu kemerahan yang  terbentuk dengan pemanasan RhCl₃.3H₂O dan PPh₃ dengan refluks dalam etanol.  Bila dilarutkan dalam pelarut organik, kompleks ini merupakan katalis yang sangat baik untuk hidrogenasi hidrokarbon tak jenih membentuk hidrokarbon jenuh pada suhu dan tekanan kamar, dan dapat juga mengkatalisis reaksi hidroformilasi olefin dengan H₂ dan CO membentuk aldehida.

Di masa lalu, mekanisme reaksi katalitik biasanya tidak jelas. Sebelum katalis Wilkinson, proses Reppe, yang mengoligomerisasi asetilen atau katalis Ziegler Natta yang mempolimerisasi olefin dan diena, telah ditemukan dan studi detail tentang katalisis homogen telah dilakukan dari sudut pandang kimia koordinasi. Selanjutnya, reaksi katalitik kini dinyatakan sebagai siklus yang terdiri atas kombinasi beberapa tahap elementer yang terjadi pada kompleks katalis.

Koordinasi dan disosiasi.

Harus ada proses saat reaktan seperti olefin diaktivasi dan bereaksi dengan reaktan lain setelah dikoordinasikan pada logam pusat kompleks, dan ikatan ini terdisosiasi  membentuk produk.

Adisi oksidatif.

Adisi oksidatif adalah satu di antara beberapa reaksi elementer kunci dalam kompleks logam. Reaksi ini adalah reaksi senyawa seperti logam alkil halida, RX, asam, HX atau dihidrogen, H2 pada logam dalam suatu kompleks yang kemudian terdisosiasi menjadi R dan X, H dan X, H dan H, yang diikat pada logam sebagai dua fragmen anion. Bila ligan lain pada kompleks awal tidak keluar, bilangan koordinasinya meningkat sebanyak 2. Karena ligan alkil, halogen, dan hidrida lebih elektronegatif pada logam pusat, ligan-ligan ini dianggap secara formal sebagai ligan anion setelah koordinasi. Oleh karena itu, bilangan oksidasi ligamnya meningkat setelah reaksi adisi ini. Karena reaksi adisi disertai dengan oksidasi logamnya, reaksi ini disebut dengan  reaksi adisi oksidatif.

Misalnya, reaksi adisi alkilhalida pada kompleks iridium(I) tetra-koordinat [IrCl(CO)(PPh₃)₂],

[Ir^ICl(CO)(PPh₃)₂] + RI → [Ir^III(Cl)(I)(R)(CO)(PPh₃)₂]

Iridium  menjadi heksa-koordinat dan mengalami  oksidasi dua elektron dari +1 menjadi +3. Karena molekul RI netral ditambahkan, tidak ada perubahan muatan dalam kompleks, dan bila alkil dan iodin adalah anion, bilangan oksidasi logamnya harus meningkat sebanyak 2 satuan. Perubahan yang sama juga terjadi bila dua ligan hidrida dibentuk sebagai akibat penambahan dihidrogen. Reaksi kebalikannya disebut eliminasi reduktif.  Baik aksi oksidasi dan reduksi sangat penting sebagai tahap elementer dalam mekanisme katalisis homogen yang melibatkan hidrokarbon dan dihidrogen.

b. Katalis Padat (heterogen)

Katalis padat disebut juga  katalis heterogen, dan mempromosikan reaksi dengan reaktancbewujud gas atau cair dalam kontak dengan material padat. Karena  adsorpsi reaktan pada permukaan katalis merupakan tahap awal, luas permukaan yang besar diperlukan agar efisiensi katalis yang baik diperoleh.  Sistem polifasa, yang mengandung katalis aktif pada material seperti zeolit dengan pori yang kecil berukuran molekular, dan gama alumina dan silika gel dengan luas permukaan besar sering digunakan.

Dulunya, katalisis padatan dijelaskan sebagai akibat aktivasi reaktan  secara misterius oleh permukaan asam atau basa, dan dengan koordinasi pada permukaan logam. Kini dimungkinkan untuk mengamati interaksi-interaksi ini dengan menggunakan berbagai teknik spektroskopi (IR< EXAFS (extended X-ray absorption fine structure), sinar tampak), mikroskop elektron, atau STM (scanning tunneling microscopy).

Karena mekanisme katalisis homogen telah diklarifikasi dengan cukup maju, reaksi di permukaan padatan dapat juga dianalisis dengan mengggunakan konsep seperti “kompleks permukaan” atau “senyawa organologam permukaan”.  Namun,  tidak seperti katalisis homogen, yang hanya melibatkan satu atau dua pusat logam, dalam katalisis padatan pusat logam yang terlibat sangat banyak. Karena kehomogenan dan kedapatulangan permukaan sangat sukar dipertahankan, sebagian besar mekanisme reaksi tidak begitu jelas bahkan untuk reaksi sederhana seperti sintesis amonia.

Selama produksi langsung amonia dari nitrogen dan hidrogen, reaksi berlangsung dengan menggunakan katalis besi yang mengandung logam alkali atau alkali tanah sebagai aktivator pada suhu tinggi (sekitar 450⁰ C) dan tekanan tinggi (sekitar 270 atm).  Sebelum ditemukan katalis yang sangat tenar ini oleh F. Haber (1909), semua senyawa nitrogen berasal dari alam. Penemuan ini mempunyai dampak yang sangat tak hingga besarnya pada industri kimia, karena amonia adalah bahan yang tak dapat digantikan dalam produksi pupuk, serbuk mesiu, dan bahan anorganik lain yang mengandung nitrogen. Untuk menghargai ini tahun 1918  F. Haber dianugerahi hadiah Nobel.  Sejumlah besar riset sampai saat ini telah dilakukan untuk mengelusisasi mekanisme reaksi sintesis amonia, maka reaksi nitrogen dan hidrogen di atas permukaan katalis besi merupakan model yang baik untuk katalisis padatan.

Read more »

Gugus

Berikut adalah beberapa gugus fungsi dalam kimia :

1. Aldehida

Gugus fungsi aldehida itu disebut juga gugus formil.

a. Tata Nama Aldehida

Nama alkanal diturunkan dari nama alkana yang sesuai dengan mengganti akhiran a menjadi al. Tata nama isomer alkanal pada dasarnya sama seperti tatanama alkanol, tetapi posisi gugus fungsi ( -CHO ) tidak perlu dinyatakan karena selalu menjadi atom karbon nomor satu.

CH₃-CH-CH₂-CHO 
    |           
    CH₃

3-metilbutanal

Nama lazim aldehida diturunkan dari nama lazim asam karboksilat yang sesuai dengan mengganti akhiran at menjadi aldehida dan membuang kata asam. Misalnya asam format nama lazimnya adalah formaldehida.

b. Reaksi-reaksi Alkanal

o Oksidasi

Pereaksi Tollens adalah suatu larutan basa dari ion kompleks perak-amonia. Pereaksi tollens dibuat dengan cara menetesi larutan perak nitrat dengan larutan amonia, sedit demi sedikit hingga endapan yang mula-mula terbentuk larut kembali. Pereaksi Fehling terdiri dari dua bagian yaitu Fehling A dan Fehling B. Fehling A adalah larutan tembaga sulfat, sedangkan fehling B merupaka campuran larutan NaOH dan kalium-natrium tartrat ( garam Rochlle ). Pereaksi fehling dibuat dibuat dengan mencampurkan kedua campuran tersebut, dicampurkan dengan larutan NaOH, membentuk suatu larutan yang berwarna biru tua.

o Adisi Hidrogen (Reduksi)

Ikatan rangkap -C=O dari gugus fungsi aldehida dapat diadisi gas hidrogen membentuk suatu alkohol primer. Adisi hidrogen menyebabkan penuruna bilangan oksidasi atom karbon gugus fungsi. Oleh karena itu adisi hidrogen tergolong reduksi.

c. Penggunaan Aldehida

Formaldehida merupakan aldehida yang paling banyak diproduksi dan mempunyai banyak kegunaan antara lain sebagai berikut.

o Untuk membuat formalin, yaitu larutan 40 % formaldehida dalam air. Formalin digunakan untuk mengawetkan contoh biologi dan juga mengawetkan mayat, tetapi tidak boleh untuk mengawetkan makanan.

o Untuk membuat berbagai jenis plastik termoset ( plastik yang tidak meleleh pada pemanasan ).

2. Keton

a. Tata Nama Keton

Nama alkanon diturunkan dari nama alkana yang sesuai dengan mengganti akhiran a menjadi on.

Nama lazim keton adalah alkil alkil keton. Kedua gugus alkil disebut secara terpisah kemudian diakhiri dengan kata keton.

CH₃-CO-C₂H₅ metil etil keton

CH₃-CO-CH₃ dimetil keton

b. Sifat-sifat Keton

o Oksidasi

Keton adalah reduktor yang lebih lemah daripada aldehida. Zat-zat pengoksidasi lemah seperti pereaksi Tollens dan Fehling tidak dapat mengoksidasi keton. Oleh karena itu aldehida dan keton dapat dibedakan dengan menggunakan peraksi-peraksi tersebut.

o Reduksi ( Adisi Hidrogen )

Reduksi keton menghasilkan alkohol primer.

c. Penggunaan Keton

Keton yang paling banyak penggunaannya adalah propanon yang dalam dunia perdangan dan kehidupan sehari-hari disebut aseton. Kegunaan utana aseton adalah sebagai pelarut untuk lilin, plastik, dan sirlak. Juga sebgai pelarut untuk selulosa asetat dalam memproduksi rayon. Dalam kehidupan sehari-hari, kaum wanita menggunakan aseton untuk mebersihkan pewarna kuku. Beberapa keton siklik merupakan bahan untuk membuat parfum karena berbau harum.

. Asam Karboksilat dan Ester

1. Asam Karboksilat

a. Tata Nama Alkanoat

Nama asam alkanoat diturunkan dari nama alkana yang sesuai dengan mengganti akhiran a menjadi oat dan memberi awalan asam. Misalnya alkana menjadi asam alkanoat.

CH₃-CH-CH₂-COOH        
    |
    CH₃

asam 3-metilbutanoat

Nama lazim asam karboksilat. Misalnya asam metanoat nama lazimnya adalah asam format.

b. Beberapa Asam Karboksilat dalam Kehidupan Sehari-hari

Asam format banyak digunakan dalam industri tekstil, penyamakan kulit, dan di perkebunan karet untuk menggumpalkan lateks (getah pohon karet). Asam asetat adalah asam yang terdapat dalam cuka makanan. Kadar asam asetat yang terdapat dalam cuka makanan sekitar 20-25 %.

2. Ester

a. Tata Nama Ester

Ester turunan alkana diberi nama alkil alkanoat. Yang disebut alkil pada nama itu adalah gugus karbon yang terikat pada atom O ( gugus R' ), sedangkan alkanoat adalah gugus R-COOH-. Atom C gugus fungsi masuk ke dalam bagian alkanoat.

b. Pembuatan Ester

Ester dapat dibuat dari asam karboksilat dan alkohol dengan pengaruh asam sulfat pekat. Reaksi ini disebut reaksi pengesteran (esterifikasi) dan merupakan reaksi kesetimbangan.

c. Beberapa Jenis Ester dan Penggunaannya

Ester mempunyai aroma yang sedap banyak di antaranya terdapat pada bunga atau buah-buahan sehingga disebut ester buah-buahan. Lilin (wax, bukan lilin parafin) adalah ester dari asam karboksilat berantai panjang dengan alkohol berantai panjang. Salah satu golongan ester yan banyak terdapat di alam adalah lemak (fat). Beberapa contoh lemak dan minyak adalah lemak sapi, minyak kelapa, minyak jagung, dan minyak kelapa.

d. Sifat-sifat Ester

o Hidrolisis

Ester dapat terhidolisis dengan pengaruh asam membentuk alkohol dan asam karboksilat. Reaksi hidrolisis merupakan kebalikan dan pengesteran. Hidrolisis lemak atau minyak menghasilkan gliserol dan asam-asam lemak. Contoh hidrolisis gliseril tristearat menghasilkan gliserol dan asam stearat.

o Penyabunan

Reaksi ester (khususnya lemak dan minyak) dengan suatu basa kuat seperti NaOH atau KOH menghasilkan sabun. Oleh karena itu reaksinya disebut reaksi penyabunan (saponifikasi). Pada pembuatan sabun juga terbentuk gliserol sebagai hasil sampingan.

Read more »