PENGARUH UKURAN ION ELEKTROLIT TERHADAP PRODUKSI GAS HIDROGEN PADA ELEKTROLISIS LARUTAN GARAM KLORIDA
TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memproleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung
Oleh
KASTONO NIM : 20507038 Program Studi Kimia
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2009
Surat Pernyataan Pelimpahan Hak Cipta dan Keaslian Hasil Karya Tulis (Tesis)
Yang bertanda tangan dibawah ini: Nama : Kastono NIM
: 20507038
Menyatakan bahwa penulis tesis dengan judul: Pengaruh Ukuran Ion Elektrolit Terhadap Produksi Gas Hidrogen pada Elektrolisis Larutan Garam Klorida, dengan pembimbing Dr. Eng. M. Ali Zulfikar adalah benar-benar hasil karya tulis berdasarkan data hasil eksperimen penulis selama melakukan Tugas Akhir Magister Pengajaran Kimia di Program Studi Kimia FMIPA-ITB.
Dengan ini penulis menyerahkan/melimpahkan Hak Cipta dari karya tulis tersebut kepada Program Studi Kimia FMIPA-ITB.
Bandung, 24 Juni 2009
Kastono NIM: 20507038
PENGARUH UKURAN ION ELEKTROLIT TERHADAP PRODUKSI GAS HIDROGEN PADA ELEKTROLISIS LARUTAN GARAM KLORIDA
Oleh Kastono NIM : 20507038
Program Studi Kimia Institut Teknologi Bandung
Menyetujui
Tanggal, 24 Juni 2009
Pembimbing
Dr. Eng. M. Ali Zulfikar NIP. 132 162 444
Tesis ini kupersembahkan kepada almarhum ayahanda (Sikun) dan ibunda (Marsinah) yang mendidik, mengasihi dan menyangiku, istri tercinta (Reni Triani) yang selalu setia, baik dikala suka maupun duka, serta anakku (Alya) tersayang yang memberiku semangat untuk terus berjuang.
i
ABSTRAK PENGARUH UKURAN ION ELEKTROLIT TERHADAP PRODUKSI GAS HIDROGEN PADA ELEKTROLISIS LARUTAN GARAM KLORIDA Oleh Kastono NIM : 20507038 Elektrolisis air sangat penting untuk menggambarkan reaksi yang terjadi pada anoda dan katoda, tetapi elektrolisis air murni sangat sukar atau tidak terjadi karena tidak cukup ion untuk menghantarkan arus listrik (konsentrasi H+ dan OHhanya 1 x 10-7 M). Agar elektrolisis dapat berlangsung dengan mudah biasanya ditambahkan zat elektrolit, seperti asam (H2SO4), basa (NaOH) dan garam (Na2SO4). Pada penelitian ini, dilakukan ektrolisis terhadap air dengan menggunakan sumber elektrolit garam alkali klorida (LiCl, NaCl, KCl) dan garam alkali tanah klorida (MgCl2.6H2O, CaCl2.2H2O, BaCl2.2H2O). Pada elektrolisis air yang menggunakan garam klorida sebagai sumber elektrolit (yang selanjutnya disebut larutan garam klorida) akan menghasilkan gas hidrogen pada katoda dan gas oksigen atau klor pada anoda. Perbedaan ion elektrolit yang ditambahkan dalam air pada peristiwa elektrolisis akan memberikan hasil yang berbeda pula. Penelitian ini dilakukan untuk menjawab permasalahan, seperti: bagaimana pengaruh voltase, konsentrasi larutan garam klorida dan ukuran ion elektrolit terhadap produksi gas hidrogen pada elektrolisis larutan garam klorida. Elektrolisis dilakukan dengan menggunakan sel elektrolisis Hoffman. Identifikasi gas yang dihasilkan pada anoda dilakukan dengan mengalirkan gas dan larutan sisa elektrolisis ke dalam larutan KI 10%. Dari hasil penelitian diperoleh: semakin besar voltase yang digunakan atau diterapkan semakin banyak pula gas hidrogen yang dihasilkan, semakin besar konsentrasi garam klorida yang digunakan semakin banyak pula gas hidrogen yang dihasilkan dan semakin besar ukuran ion (menurunya jari-jari hidrat ion) elektrolit semakin besar pula gas hidrogen yang dihasilkan (kecuali untuk kation Ca 2+). Kata kunci: elektrolisis, elektrokimia, elektrolisis air, elektrolisis larutan garam klorida.
ii
ABSTRACT THE INFLUENCE OF ELECTROLYTE ION SIZE TO THE HYDROGEN GAS PRODUCTION ON THE ELECTROLYSIS OF SALT CHLORIDE SOLUTION By Kastono NIM: 20507038 Electrolysis of water is so important in describing the reactions that occurs on the cathode and anode, but the electrolysis of pure water will so difficult or will not occur, if there is not ion enough to bring on electric current (the concentration of H+ and OH- is just 1 x 10-7 M). To make the electrolysis occur so easy, it is usually added the electrolyte substance, such as acid (H2SO4), base (NaOH) and salt (Na2SO4). In this research, it is conducted ectrolysis to the water, by using of electrolyte salt chloride alkali sources (LiCl, NaCl, KCl) and chloride alkali earth sources (MgCl2.6H2O, CaCl2.2H2O, BaCl2.2H2O). The electrolysis of water that used salt chloride as the electrolyte source (than called as salt chloride solution) will produce hydrogen gas at the cathode and oxygen or chlorine gas on anode. The differences ion electrolyte that added to water in the electrolysis process will also give the differencess results. This research are aimed to answer the problems, such as: how the influence of voltage, the concentration of salt chloride solution and the electrolyte ion size to the hydrogen gas production on the electrolysis salt chloride solution. Electrolysis done by using Hoffman electrolysis cell. Gas identification that obtained in anode are conducted by flow of gas and the remaining electrolysis to KI 10% solution. From this research, it is obtained that: the greater the voltage that used or applied so it is more hydrogen gas that produced, the greater the concentration of chloride salt that used so it is more hydrogen gas that produced, and the greater ion (cation) electrolyte size, so the hydrogen gas that produced greater (except for kation Ca2+). Keywords: electrolysis, electrochemistry, electrolysis of water, electrolysis of salt chloride solution.
iii
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis S-2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung.
Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi
pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya.
Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh isi tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.
iv
UCAPAN TERIMA KASIH Syukur alhamdulillah penulis ucapkan kehadirat Allah SWT Yang Maha Pengasih dan Maha Pemurah yang telah melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis ini.
Penulis mengucapkan terima kasih dengan tulus kepada: 1.
Dr. Eng. M. Ali Zulfikar sebagai pembimbing, atas kesabaran beliau dalam memberi arahan, memeriksa tulisan, memberi saran dan perbaikan-perbaikan, sehingga tesis ini menjadi lebih baik.
2.
Prof. Dr. Djulia Onggo, sebagai ketua Program Studi Magister Pengajaran Kimia dan sekaligus sebagai dosen mata kuliah Proyek Rancangan Pengajaran Kimia, atas bimbingan, arahan dan motivasinya sehingga tesis ini dapat diselesaikan.
3.
Dr. Dessy Natalia sebagai ketua Program Studi Magister Kimia, atas pengesahan beliau, sehingga permintaan bahan-bahan untuk penelitian dapat berjalan dengan lancar.
4.
Bapak/ ibu analis dan petugas di laboratorium Kimia Analitik, Pak Dede, Pak Lanang, Pak Ajat, Pak Encu dan Bu Untari, atas layanannya yang baik sehingga membantu kelancaran penulis dalam melaksanakan penelitian.
5.
Departemen Agama Republik Indonesia, Direktorat Jenderal Pendidikan Islam, Direktorat Madrasah, yang yang memberikan kesempatan dan beasiswa penuh, sehingga penulis dapat menimba ilmu kimia di Institut Teknologi Bandung.
Semoga ilmu yang didapat penulis dari ITB dapat
penulis kembangkan dan penulis sampaikan kepada peserta anak didik sehingga dapat meningkatkan kualitas anak didik dan memajukan madrasah. 6.
Drs, Sukron, M.Pd selaku kepala sekolah Madrasah Aliyah Negeri Kedondong Kabupaten Pesawaran, Lampung, yang memberikan izin kepada penulis untuk menimba ilmu di Institut Teknologi Bandung.
7.
Teman-teman mahasiswa S-2 beasiswa Departemen Agama Republik Indonesia, atas motivasi dan sumbangan pikirannya.
v
DAFTAR ISI ABSTRAK ............................................................................................................... i ABSTRACT ............................................................................................................ ii PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS.................................................................... iii UCAPAN TERIMA KASIH .................................................................................. iv DAFTAR ISI ........................................................................................................... v DAFTAR LAMPIRAN ......................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI ............................................................ viii DAFTAR TABEL .................................................................................................. ix DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG ......................................................... x Bab I
Pendahuluan ............................................................................................ 1
I.1
Latar Belakang Masalah ......................................................................... 1
I.2
Rumusan Masalah................................................................................... 3
I.3
Tujuan Penelitian .................................................................................... 3
I.4
Sistematika Tesis .................................................................................... 3
Bab II
Tinjauan Pustaka ..................................................................................... 5
II.1.
Elektrolisis .............................................................................................. 5
II.2.
Elektroda................................................................................................. 7
II.3.
Elektrolit ................................................................................................. 8
II.4.
Gerakan Ion ............................................................................................ 9
II.5.
Elektrolisis Air ...................................................................................... 12
II.6.
Elektrolisis Larutan Garam Klorida ..................................................... 14
Bab III
Metodologi ............................................................................................ 20
III.1
Waktu dan Tempat Penelitian............................................................... 20
III.2
Rancangan Eksperimen ........................................................................ 20
III.3
Cara Kerja ............................................................................................. 21
vi
III.4
Prosedur Kerja ...................................................................................... 24
Bab IV
Hasil dan Pembahasan .......................................................................... 30
IV.1
Produksi Gas Hidrogen ......................................................................... 30
IV.1.1 Pengaruh Voltase .................................................................................. 30 IV.1.2 Pengaruh Konsentrasi ........................................................................... 35 IV.2
Produksi Gas Klor ................................................................................ 39
IV.2.1 Pengaruh Voltase ................................................................................. 40 IV.2.2 Pengaruh Konsentrasi............................................................................ 44 IV.3
Pengaruh pH larutan terhadap produksi gas hidrogen .......................... 47
Bab V
Kesimpulan dan Saran .......................................................................... 49
V.1
Kesimpulan ........................................................................................... 49
V.2
Saran ..................................................................................................... 49
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 50
vii
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A Data Eksperimen Pengaruh Voltase Terhadap Produksi Gas Hidrogen pada Elektrolisis Larutan Garam Alkali Klorida ............. 52 Lampiran B Data Eksperimen Pengaruh Voltase Terhadap Produksi Gas Hidrogen pada Elektrolisis Larutan Garam Alkali Tanah Klorida .. 57 Lampiran C Data Eksperimen Pengaruh Konsentrasi Terhadap Produksi Gas Hidrogen pada Elektrolisis Larutan Garam Alkali Klorida ............. 62 Lampiran D Data Eksperimen Pengaruh Konsentrasi Terhadap Produksi Gas Hidrogen pada Elektrolisis Larutan Garam Alkali Tanah Klorida .. 67 Lampiran E Data Ekperimen Pengaruh pH LarutanTerhadap Produksi Gas Hidrogen .......................................................................................... 71 Lampiran F Perhitungan Potensial Elektroda ...................................................... 76 Lampiran G Modul Praktikum Elektrolisis ........................................................... 79
viii
DAFTAR GAMBAR DAN ILUSTRASI Gambar II.1
Pergerakan (a) H+ dan (b) OH- melalui mekanisme transfer proton ....................................................................................................... 12
Gambar II.2 Sel elektrolisis Hoffman ..................................................................13 Gambar II.3 Rancangan alat yang digunakan dalam penelitian ...........................16 Gambar III.1 Susunan alat eksperimen .................................................................21 Gambar III.2 Diagram alir proses elektrolisis larutan garam klorida ...................22 Gambar III.3 Diagram alir proses elektrolisis aquadest pada berbagai pH ..........23 Gambar IV.1 Produksi gas hidrogen vs. voltase pada larutan garam alkali klorida ....................................................................................................... 31 Gambar IV.2 Produksi gas hidrogen vs. voltase pada larutan garam alkali tanah klorida ............................................................................................ 34 Gambar IV.3 Produksi gas hidrogen vs. konsentrasi pada larutan garam alkali klorida ............................................................................................ 36 Gambar IV.4 Produksi gas hidrogen vs. konsentrasi pada larutan garam alkali tanah klorida .................................................................................. 37 Gambar IV.5 Produksi gas klor vs. voltase pada larutan garam alkali klorida .....41 Gambar IV.6 Produksi gas klor vs. voltase pada larutan garam alkali tanah klorida ............................................................................................ 43 Gambar IV.7 Produksi gas klor vs. konsentrasi pada larutan garam alkali klorida ....................................................................................................... 44 Gambar IV.8 Produksi gas klor vs. konsentrasi pada larutan garam alkali tanah klorida ............................................................................................ 46 Gambar IV.9 Produksi gas hidrogen vs. pH .........................................................47
ix
DAFTAR TABEL
Tabel I.1
Beberapa ion yang terkandung dalam air laut (Hussein, 1992) ............2
Tabel II.1 Potensial lebih beberapa gas pada 25oC ................................................6 Tabel II.2 Konduktivitas ion pembatas dalam air pada 25oC (Atkins, 1999) ........9 Tabel II.3 Jari-jari ion golongan alkali dan alkali tanah (Worrall, 1986) ........... 11 Tabel II.4 Daftar potensial reduksi standar (Chang, 2005) ..................................17 Tabel III.1 Komposisi garam klorida yang digunakan pada penentuan pengaruh voltase................................................................................................. 24 Tabel III.2 Komposisi garam klorida yang digunakan pada penentuan pengaruh konsentrasi.......................................................................................... 26 Tabel III.3 Komposisi larutan pada penentuan pengaruh pH ...............................28 Tabel IV.1 Hubungan produksi gas hidrogen dengan konsentrasi ...................... 39
x
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG Singkatan
Nama
BTB FMIPA ITB
Bromtimol Biru Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Insttitut Teknologi Bandung Kurikulum Tingkat Satuan Pembelajaran Madrasah Aliyah Sekolah Menengah Atas
22
Perubahan energi bebas Beda potensial Konsentrasi Medan listrik Potensial elektroda Potensial pada anoda dalam kesetimbangan Potensial pada katoda dalam kesetimbangan Potensial elektroda standar Potensial lebih (overvoltase) pada anoda Potensial lebih (overvoltase) pada katoda Potensial yang harus diberikan Tetapan Faraday Arus Perubahan valensi (banyaknya elektron) Hambatan larutan Kontanta gas Temperatur mutlak Konduktivitas molar pembatas anion Konduktivitas molar pembatas kation Hantaran molar Hantaran molar pembatas Koefisien reaksi Jumlah anion Jumlah kation Jarak elektroda
11 9 8 9 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 8 8 8 8 8 8 8 9
KTSP MA SMA
Lambang ∆G ∆Φ c Ê E Ean Ekat Eo Epa Epk Eterp F I n R R T λλ+ Λm Λom μ νν+
Pemakaian pertama kali pada halaman
3 1 1 1
