Elektrokimia

Bab ini meminta tiga kegunaan elektrolisis dan proses yang menggunakan elektrolisis dalam pengolahan air sisa m/s 176. Bateri kereta elektrik yang unggul dapat menghasilkan dan menyimpan tenaga yang banyak, mengecas dengan lebih cepat, tahan lama dan ringan m/s 177.

6.1 Sel Elektrolitik

Elektrokimia merupakan kajian tentang hubung kait antara fenomena elektrik dengan kimia dalam dua jenis sel elektrokimia m/s 178. Dalam sel elektrolitik, arus elektrik mengalir melalui elektrolit untuk menghasilkan tindak balas kimia, jadi tenaga elektrik ditukar menjadi tenaga kimia m/s 178. Dalam sel kimia, perubahan kimia menghasilkan arus elektrik, jadi tenaga kimia ditukar menjadi tenaga elektrik m/s 178. Elektrolisis ialah proses penguraian sesuatu sebatian dalam keadaan leburan atau akueus kepada unsur juzuknya apabila arus elektrik mengalir melaluinya m/s 178.

Sel elektrolitik terdiri daripada sumber elektrik seperti bateri, anod yang disambungkan pada terminal positif, katod yang disambungkan pada terminal negatif, dan elektrolit yang mengandungi kation dan anion m/s 178. Elektrolisis tidak akan berlaku jika tiada arus elektrik yang mengalir melalui elektrolit m/s 179. Elektrolit ialah bahan dalam keadaan leburan atau akueus yang dapat mengalirkan arus elektrik dan mengalami perubahan kimia, manakala bukan elektrolit tidak dapat mengalirkan arus elektrik m/s 179. Leburan plumbum(II) bromida, leburan natrium klorida, larutan natrium hidroksida dan larutan kuprum(II) sulfat ialah elektrolit, manakala naftalena, asetamida, larutan glukosa dan etanol ialah bukan elektrolit m/s 179. Natrium klorida ialah sebatian ion yang terdiri daripada ion natrium, Na⁺, dan ion klorida, Cl⁻ m/s 179.

Semasa elektrolisis, kation yang bercas positif bergerak ke katod dan anion yang bercas negatif bergerak ke anod m/s 180. Dalam leburan plumbum(II) bromida, ion plumbum(II), Pb²⁺, bergerak ke katod manakala ion bromida, Br⁻, bergerak ke anod m/s 180. Elektrolit tidak dapat mengalirkan elektrik dalam keadaan pepejal kerana tiada ion yang bebas bergerak m/s 180. Dalam Eksperimen 6.1, mentol menunjukkan sama ada pepejal plumbum(II) bromida, leburan plumbum(II) bromida dan larutan kuprum(II) sulfat dapat mengalirkan elektrik m/s 180. Elektrolisis plumbum(II) bromida ialah demonstrasi oleh guru yang dijalankan di dalam kebuk wasap m/s 181.

Tiga faktor mempengaruhi pemilihan ion untuk dinyahcas pada elektrod bagi larutan akueus: kedudukan ion dalam siri elektrokimia, kepekatan elektrolit dan jenis elektrod m/s 182. Apabila ion positif dinyahcas, ion menerima elektron dan menjadi neutral, dan apabila ion negatif dinyahcas, ion menderma elektron m/s 182.

Dalam siri elektrokimia, semakin tinggi kedudukan sesuatu logam, semakin mudah atom logam tersebut menderma elektron m/s 183. Ion-ion di bahagian bawah siri elektrokimia, seperti ion argentum dan ion hidroksida, lebih cenderung untuk dinyahcas m/s 183. Dalam larutan natrium sulfat, ion hidrogen dinyahcas pada katod untuk menghasilkan gas hidrogen, dan ion hidroksida dinyahcas pada anod untuk menghasilkan gas oksigen m/s 183. Dalam larutan kuprum(II) sulfat, ion kuprum(II) dinyahcas kerana kurang elektropositif berbanding ion hidrogen, jadi kuprum terenap pada katod dan gas oksigen terhasil pada anod m/s 184. Dalam Eksperimen 6.2, hipotesisnya ialah semakin rendah kedudukan ion dalam siri elektrokimia, semakin mudah ion itu dinyahcas m/s 184. Gas daripada larutan magnesium nitrat dan larutan natrium sulfat diuji dengan kayu uji berbara dan kayu uji bernyala m/s 185.

Ion negatif yang lebih pekat dalam elektrolit lebih cenderung dipilih untuk dinyahcas pada anod m/s 186. Dalam larutan natrium klorida pekat seperti 1.0 mol dm⁻³, ion klorida dinyahcas dan gas klorin terhasil pada anod m/s 187. Dalam larutan natrium klorida cair seperti 0.0001 mol dm⁻³, ion hidroksida dinyahcas dan gas oksigen terhasil pada anod m/s 187. Eksperimen 6.3 membandingkan asid hidroklorik 1.0 mol dm⁻³ dengan 0.0001 mol dm⁻³, dan gas klorin merupakan gas beracun m/s 187. Jika warna kertas litmus biru lembap luntur, gas di dalam tabung uji ialah gas halogen m/s 188.

Jika anod ialah logam yang sama dengan ion logam dalam elektrolit, atom logam di anod mengion dan melarut, logam terenap pada katod, dan kepekatan ion logam tidak berubah m/s 189. Dengan elektrod argentum dalam larutan argentum nitrat, elektrod argentum melarut dan argentum terenap pada katod m/s 189. Dengan elektrod karbon dalam larutan argentum nitrat, gas oksigen terhasil di anod dan kepekatan ion argentum berkurang m/s 190. Eksperimen 6.4 membandingkan elektrod karbon dengan elektrod kuprum dalam larutan kuprum(II) sulfat 0.1 mol dm⁻³ m/s 190.

Logam seperti kalium, natrium, kalsium, magnesium dan aluminium diekstrakkan daripada leburan bijih atau garamnya secara elektrolisis m/s 191. Dalam penulenan logam, logam yang tidak tulen dijadikan anod dan logam yang tulen dijadikan katod, tempat logam tulen terenap m/s 191. Dalam penyaduran logam, emas, platinum atau perak disadur pada logam lain supaya kelihatan lebih menarik dan tahan kakisan m/s 191. Elektro-penggumpalan ialah teknik inovatif untuk merawat air sisa yang mengaplikasikan elektrolisis dan penggumpalan m/s 191. Dalam elektro-penggumpalan, anod aluminium menghasilkan ion aluminium, Al³⁺, dan gelembung gas hidrogen terbebas dari katod m/s 192. Ion aluminium, ion hidroksida dan bahan pencemar bergabung untuk menghasilkan flok, yang dibawa naik oleh gelembung gas hidrogen atau tenggelam ke dasar m/s 192.

6.2 Sel Kimia

Sel kimia ringkas terdiri daripada dua logam berlainan yang dicelup ke dalam suatu elektrolit dan disambungkan melalui litar luar dengan wayar penyambung m/s 192. Dalam sel magnesium dan kuprum, magnesium menjadi terminal negatif kerana magnesium lebih elektropositif berbanding dengan kuprum m/s 193. Magnesium mendermakan elektron, membentuk ion magnesium dan larut dalam larutan kuprum(II) sulfat m/s 193. Elektron mengalir melalui litar luar dari magnesium ke kuprum, tempat ion kuprum(II) menerimanya dan pepejal kuprum terenap pada jalur kuprum m/s 193. Pergerakan elektron melalui litar luar menghasilkan tenaga elektrik, jadi perubahan tenaga adalah dari tenaga kimia kepada tenaga elektrik m/s 193.

Dalam Aktiviti 6.2, pita magnesium dan jalur kuprum dalam 150 cm³ larutan natrium klorida 1.0 mol dm⁻³ disambungkan kepada voltmeter m/s 194. Bacaan voltmeter dibandingkan bagi magnesium dan kuprum, sepasang pita magnesium, dan sepasang jalur kuprum m/s 194. Dalam Aktiviti 6.3, projek STEM membina sel kimia ringkas yang menghasilkan tenaga elektrik daripada buah-buahan atau bahagian tumbuhan lain dan air laut m/s 195.