Sel elektrolisis adalah sel elektrokimia di mana energi listrik digunakan untuk menjalankan reaksi redoks tidak spontan. Reaksi elektrolisis dapat didefinisikan sebagai reaksi peruraian zat dengan menggunakan arus listrik. Prinsip kerja sel elektrolisis adalah menghubungkan kutub negatif dari sumber arus searah ke katode dan kutub positif ke anode sehingga terjadi overpotensial yang menyebabkan reaksi reduksi dan oksidasi tidak spontan dapat berlangsung. Elektron akan mengalir dari katode ke anode. Ion-ion positif akan cenderung tertarik ke katode dan tereduksi, sedangkan ion-ion negatif akan cenderung tertarik ke anode dan teroksidasi.

Susunan Sel Elektrolisis

Secara umum, sel elektrolisis tersusun dari:

• Sumber listrik yang menyuplai arus searah (dc), misalnya baterai.
• Anode, yaitu elektrode tempat terjadinya reaksi oksidasi.
• Katode, yaitu elektrode tempat terjadinya reaksi reduksi.
• Elektrolit, yaitu zat yang dapat menghantarkan listrik.

Susunan sel elektrolisis (Sumber: Brown, Theodore L. et al. 2015. Chemistry: The Central Science (13th edition). New Jersey: Pearson Education, Inc.)

Pada gambar di atas, terlihat rangkaian sel elektrolisis lelehan NaCl. Sel elektrolisis tidak memerlukan jembatan garam seperti halnya sel Volta. Elektrode yang digunakan dapat berupa elektrode inert seperti platina atau grafit yang tidak teroksidasi ataupun tereduksi dalam sel.

Proses elektrolisis dimulai dengan dialirkan arus listrik searah dari sumber tegangan listrik. Elektron dari kutub negatif akan mengalir menuju ke katode. Akibatnya, ion-ion positif Na⁺ dalam lelehan NaCl akan tertarik ke katode dan menyerap elektron untuk tereduksi menjadi Na yang netral. Sementara itu, ion-ion negatif Cl⁻ dalam lelehan akan tertarik ke anode di kutub positif. Ion-ion Cl⁻ akan teroksidasi menjadi gas Cl₂ yang netral dengan melepas elektron. Elektron tesebut kemudian dialirkan anode dan diteruskan ke kutub positif sumber tegangan listrik. Jadi, reaksi redoks yang terjadi pada sel elektrolisis lelehan NaCl dapat ditulis sebagai berikut.

• Katode (reduksi)     : Na⁺(l) + e⁻ → Na(l)
• Anode (oksidasi)    : 2Cl⁻(l) → Cl₂(g) + 2e⁻
• Reaksi sel (redoks) : 2Na⁺(l) + 2Cl⁻(l) → 2Na(l) + Cl₂(g)

Reaksi Elektrolisis

Secara umum, elektrolisis lelehan senyawa ionik melibatkan reaksi redoks yang lebih sederhana. Hal ini dikarenakan tanpa adanya air, kation akan direduksi di katode dan anion akan dioksidasi di anoda. Sebagai contoh, pada elektrolisis lelehan MgBr₂, ion Mg²⁺ akan tereduksi di katode membentuk logam Mg dan ion Br⁻ akan teroksidasi di anode membentuk gas Br₂.

Namun, jika reaksi elektrolisis berlangsung dalam sistem larutan, ada beberapa reaksi redoks yang bersaing sehingga reaksi cenderung agak kompleks. Beberapa faktor yang menentukan reaksi elektrolisis larutan elektrolit antara lain sebagai berikut.

1. Sesi-spesi yang berada di dalam larutan elektrolit

• spesi yang tereduksi adalah spesi dengan potensial reduksi lebih positif
• spesi yang teroksidasi adalah spesi dengan potensial reduksi lebih negatif (potensial oksidasi lebih positif)

2. Sifat bahan elektrode, inert atau aktif

• elektrode inert adalah elektrode yang tidak terlibat dalam reaksi redoks elektrolisis. Contoh: platina (Pt), emas (Au), dan grafit (C)
• elektrode aktif adalah elektrode yang dapat terlibat dalam reaksi redoks elektrolisis. Contoh: tembaga (Cu), krom (Cr), dan nikel (Ni)

3. Potensial tambahan (overpotensial) yang diberikan

• Overpotensial dibutuhkan untuk melampaui interaksi pada permukaan elektrode yang umumnya sering terjadi ketika elektrolisis menghasilkan gas.

Berdasarkan data potensial elektrode standar, reaksi elektrolisis larutan elektrolit pada keadaan standar dapat diprediksikan mengikuti ketentuan berikut.

Sebagai contoh, perhatikan perbedaan elektrolisis larutan AgNO₃ dengan elektrode grafit dan elektrode perak (Ag) berikut.

a. Elektrolisis larutan AgNO₃ dengan elektrode grafit

Pada katode, spesi yang mengalami reduksi adalah Ag⁺. Hal ini dikarenakan Ag tidak termasuk logam aktif yang potensial reduksinya lebih negatif dari potensial reduksi air.

Katode: Ag⁺(aq) + e⁻ → Ag(s)

Pada anode, elektrode grafit termasuk elektrode inert sehingga tidak teroksidasi. Spesi NO₃⁻ merupakan sisa asam oksi yang sukar teroksidasi, akibatnya air yang akan teroksidasi.

Anode: 2H₂O(l) → 4H⁺(aq) + O₂(g) + 4e⁻

b. Elektrolisis larutan AgNO₃ dengan elektrode perak

Pada katode, spesi yang mengalami reduksi adalah Ag⁺. Spesi yang tereduksi di katode tidak bergantung pada elektrode yang digunakan, namun hanya bergantung pada jenis kation larutan elektrolit.

Katode: Ag⁺(aq) + e⁻ → Ag(s)

Pada anode, elektrode Ag tidak termasuk elektrode inert sehingga akan teroksidasi.

Anode: Ag(s) → Ag⁺(aq) + e⁻

Contoh Soal Sel Elektrolisis dan Pembahasan

Tulislah reaksi elektrolisis berikut.

a. elektrolisis larutan CuSO₄ dengan elektrode tembaga

b. elektrolisis larutan KI dengan elektrode grafit

c. elektrolisis lelehan CaCl₂ dengan elektrode platina

Jawab:

a. CuSO₄(aq) → Cu²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq)

Cu tidak termasuk logam aktif, sehingga kation Cu²⁺ akan tereduksi di katode. Oleh karena elektrode tembaga (Cu) tidak termasuk elektrode inert, maka anode Cu akan teroksidasi.

Katode     : Cu²⁺(aq) + 2e⁻ → Cu(s)

Anode       : Cu(s) → Cu²⁺(aq) + 2e⁻

Reaksi sel : Cu(s)_anode → Cu(s)_katode

b. KI(aq) → K⁺(aq) + I⁻(aq)

K termasuk logam aktif, sehingga air akan tereduksi di katode. Oleh karena elektrode grafit termasuk elektrode inert dan anion I⁻ tidak termasuk sisa asam oksi, maka anion I⁻ akan teroksidasi di anode.

Katode     : 2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq)

Anode       : 2I⁻(aq) → I₂(g) + 2e⁻

Reaksi sel : 2H₂O(l) + 2I⁻(aq) → H₂(g) + 2OH⁻(aq) + I₂(g)

c. CaCl₂(l) → Ca²⁺(l) + 2Cl⁻(l)

Pada elektrolisis lelehan senyawa ionik CaCl₂ dengan elektrode platina (termasuk elektrode inert), kation Ca²⁺ akan tereduksi di katode dan anion Cl⁻ akan teroksidasi di anode.

Katode     : Ca²⁺(l) + 2e⁻ → Ca(s)

Anode       : 2Cl⁻(l) → Cl₂(g) + 2e⁻

Reaksi sel : Ca²⁺(l) + 2Cl⁻(l) → Ca(s) + Cl₂(g)

Referensi

Brown, Theodore L. et al. 2015. Chemistry: The Central Science (13^th edition). New Jersey: Pearson Education, Inc.

Johari, J.M.C. & Rachmawati, M. 2008. Kimia SMA dan MA untuk Kelas XII Jilid 3. Jakarta: Esis

Petrucci, Ralph H. et al. 2017. General Chemistry: Principles and Modern Applications (11^th edition). Toronto: Pearson Canada Inc.

Purba, Michael. 2007. Kimia 3A untuk SMA Kelas XII. Jakarta: Erlangga

Silberberg, Martin S. & Amateis, Patricia. 2015. Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change (7^th edition). New York: McGraw-Hill Education

Kontributor: Nirwan Susianto, S.Si.

Alumni Kimia FMIPA UI

Materi StudioBelajar.com lainnya:

1. Struktur Atom
2. Termokimia
3. Model Atom