Kimia notesnota, bab 1

Keseimbangan Redoks

Notes made with reference toNota dibuat dengan rujukan kepada TextbookBuku teks Kimia Tingkatan 5 (KSSM), pageshalaman 2–60

What this chapter coversMatlamat bab ini

Saya boleh memerihalkan tindak balas redoks melalui aktiviti (1.1.1)
Saya boleh menerangkan tindak balas redoks berdasarkan penambahan atau kehilangan oksigen dan hidrogen, pemindahan elektron dan perubahan nombor pengoksidaan (1.1.2)
Saya boleh menentukan nombor pengoksidaan, menamakan sebatian mengikut sistem IUPAC, serta menulis setengah persamaan dan persamaan ion (1.1.2)
Saya boleh mengkaji tindak balas penyesaran logam dan halogen sebagai tindak balas redoks (1.1.3)
Saya boleh memerihal keupayaan elektrod piawai dan elektrod hidrogen piawai (1.2.1)
Saya boleh menentukan agen pengoksidaan dan agen penurunan serta meramal tindak balas berdasarkan nilai keupayaan elektrod piawai (1.2.2)
Saya boleh menerangkan tindak balas redoks dalam sel kimia, menulis notasi sel dan menghitung voltan sel (1.3.1)
Saya boleh menghuraikan elektrolisis sebatian lebur dan membezakan elektrolit dengan bukan elektrolit (1.4.1, 1.4.2)
Saya boleh menerangkan faktor yang mempengaruhi hasil elektrolisis larutan akueus: nilai E°, kepekatan dan jenis elektrod (1.4.3)
Saya boleh membandingkan sel kimia dengan sel elektrolisis (1.4.4)
Saya boleh menghuraikan penyaduran dan penulenan logam secara elektrolisis (1.4.5)
Saya boleh menerangkan pengekstrakan logam daripada bijihnya melalui elektrolisis dan penurunan oleh karbon (1.5.1, 1.5.2)
Saya boleh menghuraikan pengaratan sebagai tindak balas redoks dan mengeksperimen pencegahan pengaratan besi (1.6.1, 1.6.2)

1.1Pengoksidaan dan penurunan

Tindak balas redoks ialah tindak balas kimia yang melibatkan pengoksidaan dan penurunan berlaku secara serentak. Istilah redox berasal daripada reduction dan oxidation.

Tindak balas redoks boleh dijelaskan melalui empat takrifan (Rajah 1.1): penambahan atau kehilangan oksigen, penambahan atau kehilangan hidrogen, pemindahan elektron dan perubahan nombor pengoksidaan.

Konsep	Pengoksidaan	Penurunan
Oksigen	Penambahan oksigen	Kehilangan oksigen
Hidrogen	Kehilangan hidrogen	Penambahan hidrogen
Elektron	Kehilangan elektron	Penerimaan elektron
Nombor pengoksidaan	Bertambah	Berkurang

Agen pengoksidaan ialah bahan yang mengoksidakan bahan lain dan diturunkan dalam tindak balas (penerima elektron). Agen penurunan ialah bahan yang menurunkan bahan lain dan dioksidakan (penderma elektron).

Contoh: 2Mg + CO₂ → 2MgO + C (m.s. 4-5)

Mg mengalami penambahan oksigen, maka Mg ialah bahan yang dioksidakan dan agen penurunan.
CO₂ mengalami kehilangan oksigen, maka CO₂ ialah bahan yang diturunkan dan agen pengoksidaan.

Contoh tanpa oksigen: H₂S + Cl₂ → S + 2HCl (m.s. 5-6)

H₂S kehilangan hidrogen, maka H₂S dioksidakan (agen penurunan). Cl₂ mengalami penambahan hidrogen, maka Cl₂ diturunkan (agen pengoksidaan).

Kesilapan lazim: agen pengoksidaan bukan bahan yang dioksidakan. Agen pengoksidaan ialah bahan yang diturunkan; agen penurunan ialah bahan yang dioksidakan.

Pemindahan elektron: Aktiviti Makmal 1A

Dalam Aktiviti Makmal 1A, pemindahan elektron pada suatu jarak dikaji dengan tiub-U. Lengan X mengandungi larutan kalium iodida, KI, dan lengan Y mengandungi larutan kalium manganat(VII) berasid, KMnO₄. Asid sulfurik, H₂SO₄ 1.0 mol dm⁻³, memisahkan kedua-dua larutan dan melengkapkan litar sebagai elektrolit. Elektrod karbon disambungkan kepada galvanometer.

Tiub-U dengan larutan kalium iodida di sebelah kiri dan larutan kalium manganat(VII) di sebelah kanan, elektrod karbon disambung kepada galvanometer — Pemindahan elektron pada suatu jarak (Rajah 1.3).

Rajah daripada buku teks Kimia Tingkatan 5 KSSM, Rajah 1.3, m.s. 9.

Terminal negatif (KI, agen penurunan): 2I⁻ → I₂ + 2e⁻. Larutan tidak berwarna menjadi perang.
Terminal positif (KMnO₄, agen pengoksidaan): MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O. Larutan ungu menjadi tidak berwarna.
Elektron mengalir melalui wayar daripada terminal negatif ke terminal positif.

Menulis setengah persamaan dan persamaan ion

Langkah menulis setengah persamaan: (1) tulis bahan tindak balas dan hasil; (2) seimbangkan bilangan atom setiap unsur; (3) hitung jumlah cas pada kedua-dua belah; (4) tambah elektron pada bahagian cas yang lebih positif supaya jumlah cas seimbang. Untuk persamaan ion, samakan bilangan elektron kedua-dua setengah persamaan, jumlahkan, dan batalkan elektron.

Persamaan ion bagi I⁻ dan MnO₄⁻ berasid

Pengoksidaan ①: 2I⁻ → I₂ + 2e⁻ (darab 5)
Penurunan ②: MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O (darab 2)
Jumlahkan dan batalkan 10e⁻: 10I⁻ + 2MnO₄⁻ + 16H⁺ → 5I₂ + 2Mn²⁺ + 8H₂O
Semak cas: kiri = 10(-1) + 2(-1) + 16(+1) = +4; kanan = 2(+2) = +4.

Agen pengoksidaan lazim	Setengah persamaan penurunan
Kalium manganat(VII) berasid, KMnO₄	MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O
Kalium dikromat(VI) berasid, K₂Cr₂O₇	Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O
Air klorin, Cl₂	Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻
Air bromin, Br₂	Br₂ + 2e⁻ → 2Br⁻
Ferum(III) klorida, FeCl₃	Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺
Hidrogen peroksida berasid, H₂O₂	H₂O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → 2H₂O

Agen penurunan lazim	Setengah persamaan pengoksidaan
Kalium iodida, KI	2I⁻ → I₂ + 2e⁻
Kalium bromida, KBr	2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻
Ferum(II) sulfat, FeSO₄	Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻
Logam reaktif (contoh: zink)	Zn → Zn²⁺ + 2e⁻
Sulfur dioksida, SO₂	SO₂ + 2H₂O → SO₄²⁻ + 4H⁺ + 2e⁻

Jadual berdasarkan Jadual 1.1 dan 1.2, buku teks Kimia Tingkatan 5 KSSM, m.s. 10.

Nombor pengoksidaan

Nombor pengoksidaan (keadaan pengoksidaan) ialah cas unsur dalam sebatian jika pemindahan elektron berlaku dalam atom untuk membentuk ikatan kimia dengan atom lain. Garis panduan (m.s. 11-12):

Garis panduan	Contoh
Nombor pengoksidaan semua unsur ialah sifar	Na, C, He, O₂, Cl₂, S₈ = 0
Ion monoatom: sama dengan cas ion itu	Cu²⁺ = +2; Br⁻ = -1; Al³⁺ = +3
Kumpulan 1, 2 dan 13 dalam sebatian: +1, +2 dan +3	LiCl: Li = +1; MgO: Mg = +2; AlCl₃: Al = +3
Jumlah nombor pengoksidaan dalam sebatian = 0	SO₃: x + 3(-2) = 0, maka S = +6
Jumlah dalam ion poliatom = cas ion itu	CO₃²⁻: x + 3(-2) = -2, maka C = +4
Hidrogen +1, kecuali dalam logam hidrida (-1)	HCl: H = +1; NaH: H = -1
Oksigen -2, kecuali dalam peroksida (-1)	MgO: O = -2; H₂O₂: O = -1
Kumpulan 17 biasanya -1; positif jika terikat kepada unsur yang lebih elektronegatif seperti oksigen	HF: F = -1; KClO: Cl = +1; BrO₃⁻: Br = +5

Menentukan nombor pengoksidaan unsur yang bergaris

MnO₄⁻: x + 4(-2) = -1, maka Mn = +7.
Ba(OH)₂: x + 2(-2) + 2(+1) = 0, maka Ba = +2.
AlH₃: Al = +3, maka 3 + 3x = 0 dan H = -1 (hidrida logam).
C₂O₄²⁻: 2x + 4(-2) = -2, maka 2x = +6 dan C = +3.
VO²⁺: x + (-2) = +2, maka V = +4.

Tindak balas redoks dari segi nombor pengoksidaan: pengoksidaan ialah apabila nombor pengoksidaan bertambah; penurunan ialah apabila nombor pengoksidaan berkurang. Contoh: C + O₂ → CO₂; C berubah daripada 0 kepada +4 (dioksidakan, agen penurunan) dan O berubah daripada 0 kepada -2 (diturunkan, agen pengoksidaan).

Tindak balas bukan redoks tiada perubahan nombor pengoksidaan. Dalam AgNO₃ + NaCl → AgCl + NaNO₃, Ag kekal +1, Cl kekal -1, N kekal +5 dan O kekal -2, maka tindak balas ini bukan tindak balas redoks.

Penamaan sebatian mengikut sistem IUPAC

Logam peralihan sering mempunyai lebih daripada satu nombor pengoksidaan. Angka roman dalam nama menunjukkan nombor pengoksidaan logam itu: Fe(NO₃)₂ ialah ferum(II) nitrat dan Fe(NO₃)₃ ialah ferum(III) nitrat. Logam yang hanya mempunyai satu nombor pengoksidaan tidak memerlukan angka roman (contoh: magnesium nitrat, aluminium oksida).

Formula	Nombor pengoksidaan	Nama IUPAC
MnO₂	Mn = +4	Mangan(IV) oksida
KMnO₄	Mn = +7	Kalium manganat(VII)
CrCl₃	Cr = +3	Kromium(III) klorida
K₂Cr₂O₇	Cr = +6	Kalium dikromat(VI)
Cu₂O	Cu = +1	Kuprum(I) oksida
CuO	Cu = +2	Kuprum(II) oksida
Fe₂O₃	Fe = +3	Ferum(III) oksida

Tentukan nombor pengoksidaan Cr dalam K₂Cr₂O₇ dan namakan Al₂O₃ serta Fe₂O₃ mengikut sistem IUPAC. Mengapakah hanya satu daripadanya memerlukan angka roman?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

2(+1) + 2x + 7(-2) = 0, maka 2x = +12 dan Cr = +6. Fe₂O₃ ialah ferum(III) oksida kerana ferum mempunyai lebih daripada satu nombor pengoksidaan. Aluminium hanya mempunyai +3, maka Al₂O₃ ialah aluminium oksida.

Pertukaran ion ferum(II) dan ion ferum(III) (Aktiviti Makmal 1B)

Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻: pengoksidaan; nombor pengoksidaan Fe bertambah daripada +2 kepada +3. Air bromin sebagai agen pengoksidaan; kehadiran Fe³⁺ disahkan dengan larutan natrium hidroksida (mendakan perang).
Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺: penurunan; nombor pengoksidaan Fe berkurang daripada +3 kepada +2. Serbuk zink sebagai agen penurunan; kehadiran Fe²⁺ disahkan dengan larutan natrium hidroksida (mendakan hijau).
Larutan ferum(II) sulfat mesti baru disediakan kerana Fe²⁺ mudah dioksidakan oleh oksigen dalam udara.

Tindak balas penyesaran

Penyesaran logam: logam yang lebih elektropositif menyesarkan logam yang kurang elektropositif daripada larutan garamnya. Keelektropositifan ialah kecenderungan atom membebaskan elektron untuk membentuk kation.

Zink dimasukkan ke dalam larutan kuprum(II) nitrat

Pemerhatian: warna biru larutan semakin pudar; pepejal perang terenap; kepingan zink semakin nipis.
Pengoksidaan: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (zink dioksidakan, agen penurunan)
Penurunan: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (ion kuprum(II) diturunkan, agen pengoksidaan)
Persamaan ion: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu
Persamaan kimia: Zn + Cu(NO₃)₂ → Zn(NO₃)₂ + Cu

Penyesaran halogen: halogen yang lebih reaktif (lebih atas dalam Kumpulan 17) menyesarkan halogen di bawahnya daripada larutan halidanya. Semakin ke bawah Kumpulan 17, kekuatan halogen sebagai agen pengoksidaan semakin berkurang manakala kekuatan ion halida sebagai agen penurunan semakin meningkat.

Air klorin dimasukkan ke dalam larutan kalium bromida

Pemerhatian: larutan tidak berwarna menjadi perang (bromin terhasil); air klorin kuning kehijauan menjadi tidak berwarna.
Pengoksidaan: 2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻
Penurunan: Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻
Persamaan ion: 2Br⁻ + Cl₂ → Br₂ + 2Cl⁻
Persamaan kimia: 2KBr + Cl₂ → Br₂ + 2KCl

Dalam Aktiviti Makmal 1D, pelarut organik 1,1,1-trikloroetana, CH₃CCl₃, digunakan untuk melarutkan halogen supaya warna halogen mudah dikenal pasti. Contohnya, iodin memberi warna ungu dalam pelarut organik.

Adakah tindak balas penyesaran berlaku apabila kepingan kuprum dimasukkan ke dalam larutan magnesium nitrat? Jelaskan.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Tidak. Kuprum kurang elektropositif daripada magnesium, maka kuprum ialah agen penurunan yang lebih lemah dan tidak dapat menyesarkan magnesium.

1.2Keupayaan elektrod piawai

Keupayaan elektrod ialah beza keupayaan yang terhasil apabila wujud keseimbangan antara kepingan logam M dengan larutan akueus yang mengandungi ion logam Mⁿ⁺ dalam suatu setengah sel. Nilai keupayaan elektrod suatu setengah sel diukur dengan membandingkannya dengan elektrod hidrogen piawai (elektrod rujukan, E° = 0.00 V).

Keadaan piawai untuk mengukur E°: (i) kepekatan ion dalam larutan akueus 1.0 mol dm⁻³; (ii) tekanan gas 1 atm (101 kPa); (iii) suhu 25 °C (298 K); (iv) platinum digunakan sebagai elektrod lengai jika setengah sel bukan elektrod logam.

Elektrod hidrogen piawai: gas hidrogen 1 atm, wayar platinum, elektrod platinum bersalut platinum(IV) oksida dalam asid dengan ion hidrogen 1.0 mol dm-3 — Elektrod hidrogen piawai (Rajah 1.14).

Rajah daripada buku teks Kimia Tingkatan 5 KSSM, Rajah 1.14, m.s. 22.

Setengah sel hidrogen: 2H⁺ + 2e⁻ ⇌ H₂, E° = 0.00 V. Apabila elektrod zink (dalam Zn²⁺ 1.0 mol dm⁻³) disambungkan kepada elektrod hidrogen piawai dengan titian garam, voltmeter membaca 0.76 V. Zink menjadi terminal negatif (Zn → Zn²⁺ + 2e⁻), maka Zn²⁺ + 2e⁻ ⇌ Zn, E° = -0.76 V.

Agen pengoksidaan dan agen penurunan

Semua setengah persamaan ditulis sebagai penurunan: agen pengoksidaan + elektron ⇌ agen penurunan. Sebahagian daripada Jadual 1.6 (m.s. 24):

Tindak balas sel setengah	E° / V (298 K)
Li⁺ + e⁻ ⇌ Li	-3.04
K⁺ + e⁻ ⇌ K	-2.92
Na⁺ + e⁻ ⇌ Na	-2.71
Mg²⁺ + 2e⁻ ⇌ Mg	-2.38
Al³⁺ + 3e⁻ ⇌ Al	-1.66
Zn²⁺ + 2e⁻ ⇌ Zn	-0.76
Fe²⁺ + 2e⁻ ⇌ Fe	-0.44
Ni²⁺ + 2e⁻ ⇌ Ni	-0.25
Sn²⁺ + 2e⁻ ⇌ Sn	-0.14
Pb²⁺ + 2e⁻ ⇌ Pb	-0.13
2H⁺ + 2e⁻ ⇌ H₂	0.00
Cu²⁺ + 2e⁻ ⇌ Cu	+0.34
O₂ + 2H₂O + 4e⁻ ⇌ 4OH⁻	+0.40
I₂ + 2e⁻ ⇌ 2I⁻	+0.54
Fe³⁺ + e⁻ ⇌ Fe²⁺	+0.77
Ag⁺ + e⁻ ⇌ Ag	+0.80
Br₂ + 2e⁻ ⇌ 2Br⁻	+1.07
Cl₂ + 2e⁻ ⇌ 2Cl⁻	+1.36
MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ ⇌ Mn²⁺ + 4H₂O	+1.52
S₂O₈²⁻ + 2e⁻ ⇌ 2SO₄²⁻	+2.01
F₂ + 2e⁻ ⇌ 2F⁻	+2.87

Spesies di sebelah kiri dengan E° lebih positif atau kurang negatif: lebih cenderung menerima elektron, lebih mudah diturunkan, agen pengoksidaan yang lebih kuat.
Spesies di sebelah kanan dengan E° lebih negatif atau kurang positif: lebih cenderung membebaskan elektron, lebih mudah dioksidakan, agen penurunan yang lebih kuat.

Adakah kuprum menyesarkan argentum daripada larutan argentum nitrat?

E°(Ag⁺/Ag) = +0.80 V lebih positif daripada E°(Cu²⁺/Cu) = +0.34 V. Maka Ag⁺ ialah agen pengoksidaan yang lebih kuat dan Cu ialah agen penurunan yang lebih kuat. Tindak balas berlaku:
Cu + 2Ag⁺ → Cu²⁺ + 2Ag; Cu + 2AgNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2Ag.
Cu dengan Mg(NO₃)₂: E°(Mg²⁺/Mg) = -2.38 V lebih negatif daripada +0.34 V, maka Cu ialah agen penurunan yang lebih lemah daripada Mg dan tiada tindak balas.

Tindak balas berlaku apabila agen penurunan (logam atau ion di kanan) mempunyai E° lebih negatif daripada E° agen pengoksidaan (spesies di kiri).

1.3Sel kimia

Sel kimia (sel voltan atau sel galvani) menukarkan tenaga kimia kepada tenaga elektrik. Dua logam berlainan jenis dicelup ke dalam elektrolit dan disambungkan dengan wayar penyambung. Tindak balas redoks menyebabkan pengaliran elektron.

Terminal negatif (anod): logam dengan E° lebih negatif; berlaku pengoksidaan; elektron dibebaskan.
Terminal positif (katod): logam dengan E° lebih positif; berlaku penurunan.
Elektron mengalir dari terminal negatif ke terminal positif melalui wayar; arus mengalir dari terminal positif ke terminal negatif.
Titian garam atau pasu berliang membenarkan ion bergerak untuk melengkapkan litar.

Rajah daripada buku teks Kimia Tingkatan 5 KSSM, Rajah 1.18, m.s. 28.

Sel Daniell

Anod (Zn): Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (pengoksidaan)
Katod (Cu): Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (penurunan)
Persamaan ion: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu
Notasi sel (anod di kiri, katod di kanan; ║ ialah titian garam atau pasu berliang): Zn(p) | Zn²⁺(ak, 1.0 mol dm⁻³) ║ Cu²⁺(ak, 1.0 mol dm⁻³) | Cu(p)
Voltan sel: E°_sel = E°_katod - E°_anod = (+0.34) - (-0.76) = +1.10 V

Untuk setengah sel bukan logam (contoh Fe²⁺/Fe³⁺ atau Br⁻/Br₂), elektrod platinum, Pt, digunakan dan ditulis dalam notasi, contohnya Pt(p) | Fe²⁺(ak), Fe³⁺(ak) ║ Ag⁺(ak) | Ag(p).

Hitung E°_sel bagi Mg(p) | Mg²⁺(ak) ║ Ag⁺(ak) | Ag(p), dan nyatakan terminal negatif.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

(+0.80) - (-2.38) = +3.18 V. Magnesium ialah terminal negatif (anod) kerana E° lebih negatif.

Kesilapan lazim: E°_sel = E°_katod - E°_anod, dan nilai E° tidak didarab dengan bilangan elektron. Voltan sel kimia biasa sentiasa positif.

1.4Sel elektrolisis

Elektrolit ialah bahan yang mengalirkan arus elektrik dalam keadaan lebur atau larutan akueus dan mengalami perubahan kimia. Bukan elektrolit ialah bahan yang tidak mengalirkan arus elektrik dalam semua keadaan.

Sebatian ion (contoh PbBr₂, NaCl): pepejal tidak mengalirkan elektrik kerana ion terikat dalam kekisi; leburan atau larutan akueus mengalirkan elektrik kerana ion bergerak bebas.
Sebatian kovalen (contoh asetamida, glukosa): bukan elektrolit kerana wujud sebagai molekul dan tiada ion bergerak bebas. Asid dan alkali mengion dalam air dan mengalirkan elektrik.
Konduktor (logam, grafit) mengalirkan elektrik melalui elektron bebas tanpa perubahan kimia, dan kekonduksian berkurang apabila suhu meningkat. Elektrolit mengalirkan elektrik melalui ion bergerak bebas dan mengalami penguraian; kekonduksian bertambah apabila suhu meningkat.

Elektrolisis ialah proses penguraian suatu sebatian dalam keadaan lebur atau larutan akueus kepada unsur juzuknya apabila arus elektrik mengalir melaluinya.

Elektrolisis sebatian lebur (Aktiviti Makmal 1E)

Anion bergerak ke anod (pengoksidaan) dan kation bergerak ke katod (penurunan). Mentol hanya menyala apabila PbBr₂ telah lebur kerana ion Pb²⁺ dan Br⁻ barulah bergerak bebas.

Elektrod	Pemerhatian	Setengah persamaan
Anod	Gas perang dibebaskan (bromin)	2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻ (pengoksidaan)
Katod	Pepejal kelabu terbentuk (plumbum)	Pb²⁺ + 2e⁻ → Pb (penurunan)

Persamaan ion keseluruhan: Pb²⁺ + 2Br⁻ → Pb + Br₂. Gas bromin ialah gas beracun.

Faktor yang mempengaruhi hasil elektrolisis larutan akueus

Dalam larutan akueus, ion H⁺ dan OH⁻ daripada penceraian air, H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻, turut hadir. Tiga faktor menentukan ion yang dinyahcas:

Faktor	Elektrod	Ion yang dipilih untuk dinyahcas
Nilai E°	Anod	Anion dengan E° lebih negatif atau kurang positif
Nilai E°	Katod	Kation dengan E° lebih positif atau kurang negatif
Kepekatan larutan	Anod	Hanya jika ada ion halida: ion halida berkepekatan tinggi dinyahcas walaupun E° ion halida lebih positif
Jenis elektrod	Anod	Hanya untuk elektrod aktif (contoh kuprum, argentum): tiada anion dinyahcas; atom logam anod mengion menjadi ion logam

Larutan kuprum(II) sulfat, elektrod karbon (Aktiviti Makmal 1F)

Ion hadir: Cu²⁺, H⁺, SO₄²⁻, OH⁻.
Katod: Cu²⁺ (E° +0.34 V) lebih positif daripada H⁺ (0.00 V), maka Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. Pepejal perang terenap.
Anod: OH⁻ (E° +0.40 V) kurang positif daripada SO₄²⁻ (+2.01 V), maka 4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻. Gelembung gas tidak berwarna (oksigen) dibebaskan.

Dalam asid sulfurik cair dengan elektrod karbon, anod menghasilkan oksigen (4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻) dan katod menghasilkan hidrogen (2H⁺ + 2e⁻ → H₂).

Kesan kepekatan dan jenis elektrod

Kepekatan (Eksperimen 1B): dalam asid hidroklorik 1.0 mol dm⁻³, ion Cl⁻ dinyahcas di anod (gas klorin, 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻, memutihkan kertas litmus biru lembap); dalam asid hidroklorik 0.0001 mol dm⁻³, ion OH⁻ dinyahcas (gas oksigen, menyalakan kayu uji berbara).
Jenis elektrod (Eksperimen 1C): elektrolisis CuSO₄ dengan elektrod karbon menghasilkan oksigen di anod dan warna biru larutan semakin pudar; dengan elektrod kuprum, anod semakin nipis (Cu → Cu²⁺ + 2e⁻) dan warna biru larutan tidak berubah.

Membandingkan sel kimia dengan sel elektrolisis

Peta buih berganda membandingkan sel elektrolisis dan sel kimia dengan elektrod kuprum dalam larutan kuprum(II) sulfat — Persamaan dan perbezaan sel kimia dan sel elektrolisis (Rajah 1.32).

Rajah daripada buku teks Kimia Tingkatan 5 KSSM, Rajah 1.32, m.s. 43.

	Sel kimia	Sel elektrolisis
Perubahan tenaga	Tenaga kimia kepada tenaga elektrik	Tenaga elektrik kepada tenaga kimia
Elektrod	Pasangan logam berlainan jenis	Pasangan logam yang sama jenis (atau karbon)
Anod	Terminal negatif	Disambung kepada terminal positif bateri
Katod	Terminal positif	Disambung kepada terminal negatif bateri
Tindak balas	Pengoksidaan di anod dan penurunan di katod; elektron mengalir dari anod ke katod melalui wayar
Warna larutan CuSO₄ (elektrod kuprum)	Semakin pudar	Tidak berubah

Kesilapan lazim: anod ialah tempat pengoksidaan dalam kedua-dua sel. Dalam sel kimia anod ialah terminal negatif, tetapi dalam sel elektrolisis anod bersambung kepada terminal positif bateri.

Penyaduran dan penulenan logam

Penyaduran: objek yang hendak disadur ialah katod, logam penyadur ialah anod, dan elektrolit ialah larutan akueus yang mengandungi ion logam penyadur. Contoh menyadur cincin besi dengan kuprum: anod Cu → Cu²⁺ + 2e⁻; katod Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. Warna biru CuSO₄ tidak berubah kerana kadar atom Cu mengion di anod sama dengan kadar ion Cu²⁺ dinyahcas di katod.
Penulenan: kuprum tak tulen ialah anod (semakin nipis; bendasing terhimpun di bawah anod), kuprum tulen ialah katod (semakin tebal), dan elektrolit ialah larutan garam kuprum seperti kuprum(II) nitrat. Anod: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻; katod: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. Kuprum untuk pendawaian elektrik mesti 99.99% tulen.

1.5Pengekstrakan logam daripada bijihnya

Logam tidak reaktif seperti emas dan perak wujud sebagai unsur. Logam reaktif diekstrak daripada bijihnya (oksida, sulfida atau karbonat) mengikut kedudukan dalam siri kereaktifan (Rajah 1.39: K, Na, Mg, Al, C, Zn, Fe, Sn, Pb, Cu, Hg, Ag, Au):

Logam sangat reaktif (lebih reaktif daripada karbon, contoh Al): elektrolisis bijih lebur.
Logam sederhana reaktif (kurang reaktif daripada karbon, contoh Zn, Fe, Sn, Pb): penurunan oleh karbon.
Logam kurang reaktif (Cu, Hg): dipanaskan secara langsung dalam udara. Logam tidak reaktif (Ag, Au): wujud sebagai unsur.

Pengekstrakan aluminium melalui elektrolisis

Sel elektrolisis untuk pengekstrakan aluminium dengan anod dan katod karbon, campuran leburan aluminium oksida dan kriolit, dan saluran keluar aluminium lebur — Pengekstrakan aluminium daripada aluminium oksida (Rajah 1.37).

Rajah daripada buku teks Kimia Tingkatan 5 KSSM, Rajah 1.37, m.s. 49.

Bauksit ditulenkan untuk mendapatkan aluminium oksida, Al₂O₃ (alumina), yang dileburkan. Takat lebur Al₂O₃ lebih kurang 2000 °C; kriolit, Na₃AlF₆, dilebur bersama untuk merendahkan takat lebur.

Anod (karbon): ion oksida mendermakan elektron, 2O²⁻ → O₂ + 4e⁻ (pengoksidaan).
Katod (karbon): ion aluminium menerima elektron, Al³⁺ + 3e⁻ → Al (penurunan). Aluminium lebur lebih tumpat, tenggelam di bawah dan dialirkan keluar.
Oksigen panas bertindak balas dengan anod karbon membentuk CO₂ (C + O₂ → CO₂), maka anod karbon perlu diganti dari semasa ke semasa.
Kesan negatif: penggunaan tenaga elektrik yang tinggi dan sisa bauksit (enapcemar merah) beracun. Mengitar semula aluminium menjimatkan 95% tenaga dan mengurangkan pencemaran.

Pengekstrakan besi melalui penurunan oleh karbon

Hematit, Fe₂O₃, dipanaskan dengan arang kok, C, dan batu kapur, CaCO₃, dalam relau bagas.

Relau bagas dengan tiga zon, kemasukan udara panas, sanga dan leburan besi — Relau bagas (Rajah 1.38).

Rajah daripada buku teks Kimia Tingkatan 5 KSSM, Rajah 1.38, m.s. 50.

Zon	Tindak balas
Zon 1	C + O₂ → CO₂ (eksotermik; suhu mencecah 1600 °C)
Zon 2	C + CO₂ → 2CO (endotermik; CO ialah agen penurunan)
Zon 3	Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂; 2Fe₂O₃ + 3C → 4Fe + 3CO₂
Penyingkiran bendasing	CaCO₃ → CaO + CO₂; CaO + SiO₂ → CaSiO₃ (sanga, berada di atas leburan besi)

Penurunan oleh logam yang lebih reaktif

Dalam tindak balas termit, aluminium menurunkan ferum(III) oksida: Fe₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Fe. Haba yang tinggi menghasilkan besi lebur, berguna untuk menyambung landasan kereta api.

Mengapakah aluminium tidak boleh diekstrak daripada aluminium oksida dengan karbon?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Aluminium lebih reaktif daripada karbon, maka karbon tidak dapat menurunkan aluminium oksida. Elektrolisis leburan Al₂O₃ perlu digunakan.

1.6Pengaratan

Kakisan logam ialah tindak balas redoks apabila logam dioksidakan secara spontan apabila atom logam membebaskan elektron membentuk ion logam: M → Mⁿ⁺ + ne⁻. Semakin elektropositif suatu logam, semakin mudah logam itu terkakis. Pengaratan ialah kakisan logam besi.

Besi berkarat apabila terdedah kepada air dan oksigen. Mekanisme dalam titisan air (Rajah 1.41): besi di bahagian tengah titisan air yang kepekatan oksigennya rendah menjadi anod (terminal negatif); besi di hujung titisan yang kepekatan oksigennya tinggi menjadi katod (terminal positif).

Titisan air pada permukaan besi dengan anod di tengah, katod di tepi, ion Fe2+ dan oksigen — Mekanisme pengaratan besi (Rajah 1.41).

Rajah daripada buku teks Kimia Tingkatan 5 KSSM, Rajah 1.41, m.s. 53.

Anod: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻ (pengoksidaan).
Katod: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ (penurunan). Oksigen ialah agen pengoksidaan dan besi ialah agen penurunan.
Fe²⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂ (hijau), dioksidakan oleh oksigen kepada ferum(III) oksida terhidrat, Fe₂O₃.xH₂O (karat perang).
Karat bersifat rapuh dan telap, maka air dan oksigen meresap ke besi di bawahnya dan pengaratan berterusan. Asid atau garam mempercepat pengaratan kerana larutan menjadi elektrolit yang lebih baik.

Kesan logam lain ke atas pengaratan (Eksperimen 1E)

Paku besi dililit dengan logam dalam agar-agar yang mengandungi larutan kalium heksasianoferat(III) dan fenolftalein. Warna biru menunjukkan kehadiran Fe²⁺ (besi berkarat); warna merah jambu menunjukkan OH⁻ (penurunan oksigen).

Logam yang bersentuhan dengan besi	Kesan	Sebab
Mg, Al, Zn (lebih elektropositif)	Besi lambat berkarat	Logam itu membebaskan elektron lebih mudah, maka ia dioksidakan (Zn → Zn²⁺ + 2e⁻) dan besi dilindungi
Sn, Pb, Cu (kurang elektropositif)	Besi lebih cepat berkarat	Besi lebih mudah membebaskan elektron (Fe → Fe²⁺ + 2e⁻)

Cara pencegahan pengaratan besi

Permukaan perlindungan: cat, gris atau minyak, lapisan plastik; penggalvanian (zink), penyaduran timah (stanum) atau penyaduran kromium.
Perlindungan logam korban: besi disambung kepada logam yang lebih elektropositif seperti magnesium atau zink (bongkah zink pada badan kapal, blok magnesium pada paip bawah tanah dan tiang pelantar minyak). Logam korban terkakis dahulu dan perlu diganti dari semasa ke semasa.
Pengaloian: keluli nirkarat ialah aloi besi dengan karbon, kromium dan nikel; kromium dan nikel membentuk lapisan oksida yang melindungi.

Kesilapan lazim: tin makanan yang disadur timah dan kemik berkarat lebih cepat kerana timah kurang elektropositif daripada besi (E° Sn = -0.14 V, Fe = -0.44 V), maka besi mudah dioksidakan. Bumbung besi galvani yang tercalar masih dilindungi kerana zink lebih elektropositif daripada besi.

Tulis setengah persamaan yang berlaku di katod semasa pengaratan besi dan namakan agen pengoksidaan.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻. Agen pengoksidaan ialah oksigen kerana oksigen diturunkan.