Bab IV
Hasil Penelitian dan Pembahasan
IV.1 Pengaruh Arus Listrik Terhadap Hasil Elektrolisis
Elektrolisis merupakan reaksi yang tidak spontan. Untuk dapat berlangsungnya reaksi elektrolisis digunakan arus listrik dari luar. Menurut hukum Faraday banyaknya endapan yang terbentuk di katoda sangat ditentukan oleh besarnya arus listrik yang digunakan dan lamanya elektrolisis. Pengaruh besarnya arus listrik yang
digunakan
pada
elektrolisis
dapat
dilihat
pada
Gambar IV.1.
Endapan Tembaga (g)
Pengaruh Perubahan Arus Listrik Terhadap Banyaknya Endapan Tembaga di Katoda 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0
0,5
1 Arus Listrik (A)
1,5
Gambar IV.1 Grafik perubahan arus listrik terhadap endapan tembaga di katoda selama 20 menit. Besarnya arus listrik yang digunakan pada saat proses elektrolisis sangat berpengaruh terhadap banyaknya endapan tembaga di katoda. Semakin besar arus listrik yang digunakan pada proses elektrolisis maka endapan tembaga di katoda semakin banyak. Banyaknya endapan tembaga di katoda sebanding dengan besarnya arus listrik yang digunakan. Tetapi, hubungan antara besarnya arus yang digunakan dengan banyaknya endapan tembaga di katoda tidak linear, padahal menurut hukum Faraday bahwa besarnya arus listrik yang digunakan akan berbanding lurus dengan banyaknya endapan tembaga di katoda seperti terlihat pada Gambar IV.2.
27
Endapan tembaga (g)
Pengaruh arus listrik terhadap endapan tembaga di katoda secara teoretis 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0,00
0,50
1,00
1,50
Arus listrik (A)
Gambar IV.2 Grafik perubahan arus listrik terhadap endapan tembaga di katoda secara teoretis selama 20 menit. Ketidaklinearan hubungan antara arus listrik yang digunakan dengan banyaknya endapan tembaga di katoda disebabkan oleh beberapa hal, di antaranya adalah pengaruh dari efisiensi arus. Efisiensi arus merupakan perbandingan berat logam yang terendapkan di katoda terhadap berat logam yang terendapkan secara teoritis pada proses elektrolisis. Efisiensi arus cenderung meningkat dengan makin kecilnya arus listrik yang digunakan. Sebaliknya, semakin besar arus listrik yang digunakan maka efisiensi arus
yang
dihasilkan
semakin
menurun.
Penggunaan
arus
kecil
(0,1-0,2 A) lebih menunjukkan kesesuaian dengan hukum Faraday dibanding arus yang besar (> 1 A). Pada percobaan ini, efisiensi arus yang tinggi (98-99,5504 %) dihasilkan pada penggunaan arus listrik yang rendah (0,1-0,285 Amper). Sedangkan penggunaan arus listrik yang semakin besar efisiensi cenderung semakin rendah. Efisiensi arus yang rendah biasanya disebabkan karena adanya reaksi samping yaitu terbentuknya gas hidrogen di katoda atau terbentuknya oksigen di anoda akibat dari penguraian air yang terdapat dalam larutan (Hartomo, 1995). Menurunnya efisiensi arus berkaitan dengan rapat arus yang digunakan. Rapat arus adalah arus per satuan luas permukaan elektroda, biasanya dinyatakan dalam
28
ampere.Cm-2 permukaan. Penggunaan rapat arus yang besar pada anoda bila dibandingkan dengan luas permukaan anoda yang cukup kecil tidak berimbang. Sehingga arus akan lewat dengan cepat menyebabkan terjadi reaksi reduksi yang cepat di katoda. Reduksi dapat terlihat dari terbentuknya endapan tembaga di katoda. Karena reduksi di katoda berlangsung cepat maka endapan tembaga di katoda pun cepat terbentuk. Endapan tembaga ini tidak melekat dengan baik sehingga banyak yang jatuh kembali ke dalam larutan elektrolit. Selain itu, endapan tembaga yang terbentuk di katoda pun tidak halus atau berpori. Dalam hal ini, penggunaan rapat arus sangat berpengaruh terhadap kualitas endapan. Endapan di katoda dikatakan ideal jika endapan ini melekat dengan baik, rapat, halus, dan mudah dicuci tanpa terjadi penyusutan. Kenaikan rapat arus sampai nilai tertentu mengakibatkan ukuran endapan menjadi halus. Melewati nilai ini, sifat endapan bergantung pada sifat elektrolit, laju pengadukan, dan suhu. Proses pengadukan pada elektrolisis memungkinkan dapat digunakannya rapat arus listrik yang besar. Pengadukan mengakibatkan persediaan ion logam selalu ada di dekat katoda. Pada nilai rapatan arus cukup tinggi, pelepasan gas hidrogen dapat terjadi disebabkan oleh habisnya ion-ion logam dekat katoda. Jika pelepasan hidrogen cukup berarti terjadi, endapan biasanya akan menjadi pecah-pecah dan tidak teratur, endapan menjadi sangat berpori, dan lekatannya buruk. Hal ini timbul dari pemakaian rapat arus yang terlalu tinggi atau keasaman yang tidak tepat dan tidak adanya ion nitrat. Penambahan asam nitrat atau amonium nitrat pada elektrolisis larutan tembaga sulfat dengan elektroda tembaga akan memperbaiki sifat endapan. Dengan demikian pembentukan gelembung gas hidrogen akan sangat banyak dikurangi (Basset, 1994). Ion nitrat direduksi menjadi ion amonium pada potensial katoda yang lebih rendah (kurang negatif) dibanding potensial katoda pada ion hidrogen sehingga ion nitrat ini berperan dalam mengurangi pembebasan gas hidrogen dan sebagai
29
pendepolarisasi katoda. Asam nitrat yang digunakan harus bebas dari asam nitrit, karena ion nitrit menghalangi terjadinya pendepositan. Asam nitrit dihilangkan dengan cara mendidihkannya atau dengan cara menambahkan urea kepada larutan. Halus atau kasarnya endapan selain dipengaruhi oleh besarnya arus listrik yang digunakan juga bergantung pada jenis katoda yang digunakan. Katoda yang memiliki permukaan yang halus cenderung menghasilkan endapan yang halus. Begitu pun sebaliknya, katoda yang memiliki permukaan yang tidak rata atau kasar maka cenderung menghasilkan endapan yang tidak halus atau berpori. Hal ini terlihat pada elektrolisis yang menggunakan batang karbon sebagai katoda. Endapan tembaga di katoda karbon sangat kasar jika dibandingkan dengan endapan tembaga pada katoda tembaga. Halus atau kasarnya endapan tembaga di katoda akibat pengaruh besarnya arus listrik yang digunakan dapat dilihat dengan mikroskop. Apabila dilihat dengan mikroskop terlihat kasar
(berpori) atau
halusnya permukaan endapan tembaga di katoda. Endapan tembaga di katoda terlihat pada Gambar IV.3.
1mm
Gambar IV.3
Endapan tembaga pada arus 0,705 A.
Penggunaan rapat arus listrik yang besar menyebabkan ukuran pori pada endapan tembaga di katoda makin besar. Hal ini terlihat pada penggunaan arus 1,335 A seperti terlihat pada Gambar IV.4.
30
1mm
Gambar IV.4 Endapan tembaga pada arus 1,335 A. Pada penggunaan rapat arus listrik yang kecil, pelapisan tembaga halus dan merata karena reaksi pengendapan berlangsung lambat. Sedangkan penggunaan rapat arus listrik yang besar, pengendapan ion tembaga berlangsung cepat, sehingga endapan yang terbentuk kasar, berpori, dan tidak merata.
Halus
kasarnya endapan tembaga di katoda juga dipengaruhi oleh jarak antara katoda dengan anoda. Jarak anoda dan katoda semakin jauh, maka proses pengendapan tembaga di katoda semakin lambat sehingga endapan yang dihasilkan semakin halus, merata, dan menempel kuat. Hal ini semuanya berkaitan dengan cepat lambatnya proses pengendapan tembaga di katoda yaitu laju difusi yang terjadi di lapisan difusi. Lapisan difusi adalah daerah yang bersebelahan dengan elektroda. Sedangkan laju difusi adalah perpindahan partikel akibat adanya perbedaan konsentrasi. Endapan tembaga yang menempel pada bagian depan katoda berbeda sifatnya dibanding bagian belakang. Secara umum dapat dikatakan bahwa endapan tembaga di katoda bagian depan lebih kasar dibanding di bagian belakang, hal ini dapat terlihat jika endapan tembaga di katoda itu diamati menggunakan mikroskop.
31
1mm
Gambar IV.5 Endapan tembaga di bagian depan katoda pada arus 1,335 amper selama 20 menit.
1mm
Gambar IV.6 Endapan tembaga di bagian belakang katoda pada arus 1,335 amper selama 20 menit. Penggunaan arus listrik yang besar selain berpengaruh terhadap banyaknya endapan di katoda juga berpengaruh terhadap suhu larutan elektrolit. Penggunaan arus listrik yang besar menyebabkan suhu larutan elektrolit menjadi naik dan sebagian pelarut dalam elektrolit akan menguap. Contohnya, penggunaan arus yang lebih besar dari 0,645 amper akan menaikkan suhu larutan elektrolit . Selain itu penggunaan arus listrik yang besar menyebabkan terjadinya polarisasi konsentrasi. Polarisasi konsentrasi adalah kurang cepatnya migrasi ion ke permukaan elektroda. Efek polarisasi konsentrasi dapat dikurangi dengan pengadukan yang tidak terlalu cepat.
32
IV.2 Pengaruh Waktu Terhadap Hasil Elektrolisis
Menurut hukum Faraday, hasil elektrolisis selain sangat dipengaruhi oleh besarnya arus listrik juga sangat dipengaruhi oleh lamanya proses elektrolisis. Pengaruh lamanya elektrolisis terhadap banyaknya endapan tembaga di katoda pada percobaan ini dapat dilihat pada Gambar IV-7.
Endapan Cu di Katoda (g)
Pengaruh Lamanya Elektrolisis Terhadap Banyaknya Endapan di Katoda 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0
10
20
30
40
50
Waktu (menit)
Gambar IV.7 Pengaruh waktu terhadap banyaknya endapan tembaga di katoda pada arus 0,645 A. Dari hasil penelitian terlihat bahwa semakin lama waktu elektrolisis maka semakin banyak endapan terbentuk di katoda. Hasil elektrolisis larutan tembaga sulfat adalah berupa endapan tembaga di katoda. Hal ini menyebabkan katoda tembaga bertambah berat. Jika elektrolisis dilakukan dalam waktu sebentar maka endapan tembaga di katoda sedikit. Sebaliknya, jika elektrolisis dilakukan dalam waktu yang lama maka endapan tembaga di katoda semakin banyak. Hubungan antara waktu elektrolisis terhadap banyaknya endapan tembaga di katoda secara teoretis memperlihatkan grafik yang linear (Gambar IV.8). Tetapi kenyataannya dalam percobaan tidak demikian.
33
Gambar IV.8 Pengaruh waktu elektrolisis terhadap endapan tembaga di katoda secara teoretis pada arus 0,645A. Hanya saja pengaruh waktu elektrolisis ini tidak terlalu berpengaruh terhadap besarnya efisiensi. Hal ini terlihat dari tidak beraturannya nilai efisiensi akibat pengaruh waktu elektrolisis. Pengaruh waktu elektrolisis juga berpengaruh terhadap kualitas endapan. Hal ini dapat terlihat dari halus atau kasarnya endapan tembaga di katoda jika dilihat dengan mikroskop (Gambar IV.9 dan Gambar IV.10).
1mm
Gambar IV.9 Endapan tembaga di katoda selama 25 menit pada arus 0,645A.
34
1mm
Gambar IV.10 Endapan tembaga di katoda selama 45 menit pada arus 0,645 A. Dari gambar di atas terlihat bahwa semakin lama waktu elektrolisis maka proses pengendapan tembaga di katoda semakin merata dan semakin halus. Begitu pun sebaliknya. Hal ini terjadi karena jika elektrolisis dilakukan dalam waktu sebentar kemungkinan proses pengendapan tembaga di katoda belum sempurna. Ion-ion Cu2+ yang berasal baik dari proses pelarutan anoda tembaga maupun yang berasal dari larutan elektrolit belum semuanya mengendap. Akibatnya endapan yang terbentuk tidak merata dan berpori. Sebaliknya, jika elektrolisis dilakukan dalam waktu yang lama maka reduksi ion Cu2+ di katoda semakin lama semakin banyak sehingga proses pelapisan katoda menjadi lebih merata. IV.3
Pengaruh Suhu Terhadap Hasil Elektrolisis
Pada umumnya reaksi kimia akan berlangsung cepat jika suhu dinaikkan. Pengaruh suhu elektrolisis terhadap hasil elektrolisis dapat dilihat Gambar IV.11. Suhu elektrolisis berpengaruh pada hasil elektrolisis. Endapan tembaga di katoda semakin banyak dengan naiknya suhu elektrolit sampai keadaan tertentu. Pada percobaan ini, suhu optimum untuk elektrolisis adalah 61oC karena pada suhu ini efisiensi arus paling tinggi dan endapan paling banyak. Suhu berhubungan dengan energi kinetik. Jika suatu sistem suhunya dinaikkan maka energi kinetik pada sistem tersebut bertambah.
Dengan bertambahnya
energi kinetik pada suatu sistem maka partikel-partikel yang ada dalam sistem tersebut akan bergerak lebih cepat sehingga menyebabkan terjadi transfer massa. Transfer massa adalah perpindahan material dari satu tempat ke tempat lain dalam
35
larutan yang terjadi karena adanya perbedaan potensial listrik. Transfer massa berlangsung melalui cara konveksi, difusi, dan migrasi.
Gambar IV.11 Pengaruh suhu elektrolisis terhadap endapan tembaga di katoda pada arus 0,645 A. Konveksi atau perambatan panas biasanya terjadi di dalam larutan yang disebabkan karena adanya pemanasan (adanya kenaikan suhu) atau adanya perbedaan kerapatan. Peristiwa konveksi ini menyebabkan larutan bercampur secara acak dan arus ion akan mengalir dengan cepat. Pada umumnya reaksi kimia akan berlangsung lebih cepat pada suhu yang tinggi. Pada peristiwa elektrolisis, konsentrasi larutan elektrolit di sekitar katoda lebih rendah dibanding dengan konsentrasi elektrolit di luar katoda. Dengan adanya ketidakseimbangan konsentrasi elektrolit di sekitar elektroda maka akan terjadi difusi ion. Difusi adalah perpindahan partikel dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Larutan elektrolit yang temperaturnya dinaikkan, maka ion-ion dalam larutan elektrolit tersebut akan memiliki energi kinetik yang lebih besar. Ion-ion yang memiliki energi kinetik besar akan berdifusi dengan cepat. Dengan makin cepatnya difusi ion dalam larutan elektrolit maka reduksi di katoda pun semakin cepat, sehingga proses pengendapan tembaga juga semakin cepat dan jumlah endapan tembaga semakin banyak.
36
Menaikkan suhu dapat memperbaiki sifat fisik dari deposit, disebabkan beberapa hal yaitu menurunkan tahanan larutan, menaikkan laju pengadukan dan difusi, dan efek perubahan potensial. Elektrolisis yang disertai dengan proses pemanasan harus dilakukan dengan pengadukan yang pelan untuk mengimbangi difusi ion agar tidak terlalu cepat. Menaikkan suhu dapat meningkatkan banyaknya endapan di katoda
dan
memperbaiki sifat endapan sampai suhu tertentu. Pada percobaan ini, suhu 61oC merupakan suhu optimum karena pada kondisi ini dihasilkan endapan paling banyak dengan endapan yang lebih halus dan merata. Di atas suhu 61oC, proses pengendapan berkurang sehingga endapan yang terbentuk jumlahnya menurun. Peningkatan suhu menyebabkan pelarut yang terdapat dalam larutan elektrolit menguap, sehingga larutan menjadi lebih pekat. Kualitas endapan akibat pengaruh suhu dapat dilihat dengan mikroskop seperti terlihat pada Gambar IV.12 dan Gambar IV.13.
1mm
Gambar IV.12 Endapan tembaga di katoda pada suhu 48oC.
37
1mm
Gambar IV.13 Endapan tembaga di katoda pada suhu 61oC IV.4
Pengaruh Konsentrasi Elektrolit Terhadap Hasil Elektrolisis
Konsentrasi elektrolit yang digunakan pada proses elektrolisis berpengaruh terhadap hasil elektrolisis. Pengaruh konsentrasi elektrolit terhadap hasil elektrolisis dapat dilihat pada Gambar IV.14.
Endapan Tembaga (g)
Pengaruh Konsentrasi Elektrolit Terhadap Massa Endapan Tembaga di Katoda
0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
[CuSO4]M
Gambar IV.14 Pengaruh konsentrasi elektrolit terhadap endapan tembaga di katoda pada arus 0.645 A. Pengaruh konsentrasi elektrolit terhadap hasil elektrolisis adalah semakin besar konsentrasi larutan elektrolit yang digunakan, maka endapan tembaga di katoda semakin banyak dan semakin besar pula efisiensi arus. Contohnya, pada konsentrasi elektrolit 0,5 M dihasilkan efisiensi arus 90,3957 % sedangkan pada konsentrasi elektrolit 1 M dihasilkan efisiensi arus 99,9379 %. Dalam hal ini
38
komposisi larutan sangat mempengaruhi reaksi reduksi di katoda. Reduksi ion Cu2+ pada katoda:
Cu (2aq+ ) + 2e → Cu (s ) Menurut persamaan Nernst, 1 ⎛ RT ⎞ E = Eo − ⎜ ⎟ ln 2+ ⎝ nF ⎠ [Cu ]
Dari persamaan Nernst, dapat diartikan bahwa potensial elektroda sebanding dengan ln kemolaran ion Cu2+. Semakin besar konsentrasi ion Cu2+ maka semakin positif nilai potensial elektroda yang digunakan. Artinya semakin positif nilai potensial elektroda yang digunakan maka semakin banyak
tembaga yang
mengendap di katoda. Sebaliknya, semakin rendah konsentrasi ion Cu2+ dalam larutan elektrolit maka akan semakin sedikit tembaga yang mengendap di katoda. Konsentrasi larutan merupakan ukuran seberapa banyak zat –zat terlarut berada dalam larutan. Pada konsentrasi larutan elektrolit yang pekat, jumlah ion-ion yang terdapat di dalam larutan tersebut banyak. Jika larutan elektrolit tersebut dielektrolisis maka reaksi elektrolisis akan berlangsung dengan cepat dan tembaga yang mengendap di katoda semakin banyak. Hal ini berkaitan dengan sifat hantaran dari larutan elektrolit. Larutan elektrolit merupakan larutan yang dapat menghantar ion. Konsentrasi elektrolit berbanding lurus dengan daya hantar listrik. Daya hantar larutan elektrolit adalah suatu besaran yang berbanding terbalik dengan tahanan suatu penghantar. Dalam larutan elektrolit yang menghantar listrik adalah ion-ion. Semakin banyak ion yang terdapat dalam larutan maka daya hantar listriknya semakin bagus. Penambahan asam sulfat dalam percobaan ini akan meningkatkan hantaran elektrolit dan menurunkan tahanan antar elektroda dalam larutan sehingga efisiensi arus menjadi tinggi. Konsentrasi larutan elektrolit juga berpengaruh terhadap kualitas endapan tembaga di katoda (Gambar IV.15 dan Gambar IV.16).
39
1mm
Gambar IV.15 Endapan tembaga di katoda dengan konsentrasi elektrolit 0,3M Penggunaan larutan elektrolit dengan konsentrasi rendah pada proses elektrolisis, menghasilkan endapan yang lebih kasar, berpori lebih banyak, dan tidak merata. Sebaliknya, penggunaan larutan elektrolit dengan konsentrasi tinggi menghasilkan endapan yang lebih merata dan lebih halus. Perbedaan permukaan endapan ini berkaitan dengan jumlah ion yang terdapat dalam larutan elektrolit.
1 mm
Gambar IV.16 Endapan tembaga di katoda dengan konsentrasi elektrolit 0,6M. Pada larutan elektrolit dengan konsentrasi rendah, ion Cu2+ yang terdapat di dalam larutan tersebut sedikit. Saat dielektrolisis ion Cu2+ akan tereduksi membentuk endapan, karena ion Cu2+ ini jumlahnya sedikit maka pelapisan tembaga di katoda menjadi tidak merata.
40
IV.5 Pengembangan Hasil Penelitian
Konsep elektrolisis merupakan konsep penting yang perlu dipahami dengan baik. Dari penelitian sebelumnya mengenai elektrolisis ini ditemukan adanya miskonsepsi. Terjadinya miskonsepsi ini menunjukkan bahwa konsep elektrolisis merupakan konsep yang sulit. Salah satu upaya untuk mengatasi kesulitan dalam konsep elektrolisis ini dapat dilakukan dengan praktikum. Praktikum elektrolisis larutan CuSO4 dengan menggunakan anoda dan katoda tembaga dapat digunakan untuk menunjukan reaksi yang terjadi pada elektroda berbeda. Pada elektrolisis ini, walaupun digunakan elektroda yang sama yaitu tembaga tetapi reaksi yang terjadi pada anoda dan katoda berbeda. Pada anoda, tembaga melarut dan mengalami reaksi oksidasi sedangkan di katoda terjadi proses pengendapan tembaga dari ion Cu2+ dalam hal ini terjadi reduksi. Selain itu, proses elektrolisis larutan CuSO4 dengan elektroda tembaga juga dapat digunakan untuk proses pemurnian logam. Pelaksaan praktikum akan berjalan dengan baik kalau ada persiapan. Modul praktikum merupakan salah satu hal penting yang perlu disiapkan sebelum pelaksaan praktikum. Modul praktikum yang akan digunakan hendaknya merupakan panduan praktikum yang telah diuji coba supaya hasilnya baik. Pada penelitian ini, data yang diperoleh dari hasil penelitian dianalisis kemudian ditentukan kondisi-kondisi optimum untuk proses elektrolisis sebagai bahan dalam pembuatan modul praktikum. Modul praktikum yang disusun dapat digunakan di laboratorium dan versi elektroniknya disimpan di Moodle sebagai media pembelajaran elektronik. Penggunaan media pembelajaran elektronik yaitu Moodle dapat membantu memperkaya pembelajaran tatap muka karena Moodle menyediakan banyak fasilitas diantaranya pembuatan materi pembelajaran dan soal. Berdasarkan uji coba terbatas pada sesama guru dapat dikatakan bahwa Moodle prosedur penggunaannya mudah, tampilannya lebih menarik karena dapat dibuat dalam bentuk web atau dapat di link ke file lain misalnya dalam bentuk power point atau gambar. Untuk penjelasan materi lebih mendalam
41
maka materi ini dapat
ditautkan dengan halaman lain yang memuat gambar atau penjelasan dari kata yang dimaksud. Hanya saja untuk pembuatan materi ini perlu disiapkan file-file lain yang diperlukan. Dalam Moodle juga dapat ditampilkan animasi atau film yang mempermudah pemahaman konsep kimia yang bersifat mikroskopik dan abstrak. Misalnya untuk penjelasan aliran elektron dalam proses elektrolisis dan reaksi-reaksi yang terjadi pada elektroda. Penggunaan Moodle sebagai media pembelajaran elektronik diperkirakan dapat lebih memotivasi siswa untuk belajar lebih baik dan lebih mandiri. Dengan gaya belajar seperti ini siswa dapat membangun pengetahuannya sendiri sehingga pembelajaran menjadi lebih bermakna.
42
