modul 108 elektrolisis air

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Halaman 1 dari 9

MODUL 1.08 Elektrolisis Air

I. Pendahuluan

Elektrolisis air merupakan proses untuk menghasilkan gas H2 dan O2 murni

dengan pemanfaatan energi listrik pada sistem. Proses ini lebih ditujukan pada produksi

H2. Selama ini produksi H2 dengan elektrolisis air kurang populer dalam skala industri.

Pada percobaan ini digunakan elektrolit H2SO4. Konsentrasi elektrolit ini dapat

divariasi. Dalam sel elektrolisis dibutuhkan anoda dan katoda. Pada percobaan di Labteka

I ini katoda yang digunakan adalah Ni dan stainless steel, sedangkan anoda yang

digunakan adalah Pt-Ir. Reaksi elektrolisis yang terjadi adalah:

anoda (oksidasi) : 2 H2O O2 + 4 H+ + 4 e- E = +1.23 V

katoda (reduksi) : 2 H+ + 2 e- H2 E = 0 V

Reaksi sel : 2 H2O 2 H2 + O2 E = + 1.23 V

Dari persamaan tersebut diketahui bahwa potensial listrik pada kesetimbangan proses

reaksi tersebut adalah 1.23 V dan energi bebas Gibbs reaksi (G reaksi) adalah 427 kJ/

mol O2. Dengan demikian, agar reaksi elektrolisis dapat berjalan dibutuhkan masukan

energi dari lingkungan. Dalam praktikum ini digunakan energi listrik, berupa sumber arus

DC untuk menambah tegangan sistem.

Pada praktikum ini akan diidentifikasi tenganan kerja, efisiensi arus, dan

kebutuhan energi untuk menghasilkan H2 dalam satuan waktu tertentu. Untuk

mempermudah perhitungan digunakan beberapa asumsi, antara lain:

1. Tekanan dan temperatur ruangan dianggap konstan

2. Gas H2 dianggap sebagai gas ideal sehingga P*V = n*R*T

3. Penentuan jumlah H2 yang dihasilkan, secara teoretis dapat didekati dengan

Hukum Faraday : n.F

Q.Mr m = , dimana = I.dt Q 4. Pada data praktikum dianggap I adalah fungsi waktu : I = f (t)

Efisiensi arus dan kebutuhan energi pada proses elektrolisis bergantung pada jenis

elektroda dan konsentrasi elektrolit yang dipakai.



Modul 1.08 Elektrolisis Air Halaman 2 dari 9

II. Tujuan

Praktikum ini dilakukan dengan tujuan memahami penerapan proses elektrolisis

air untuk memproduksi gas H2 dan mengidentifikasi faktor-faktor yang

mempengaruhinya.

III. Sasaran Pada akhir praktikum teridentifikasi:

1. pengaruh jenis anoda dan katoda terhadap efisiensi arus dan kebutuhan energi

untuk elektrolisis

2. pengaruh konsentrasi elektrolit terhadap efisiensi arus dan kebutuhan energi

untuk elektrolisis

IV. Tinjauan Pustaka

Pada praktikum ini dapat terbukti bahwa efisiensi proses elektrolisis air dalam

menghasilkan gas H2 dipengaruhi oleh konsentrasi elekrolit (dalam hal ini H2SO4) yang

digunakan. Agas proses elektrolisis berlangsung harus terjadi perpindahan elektron dari

anoda ke katoda melalui aliran luar sirkuit listrik (yang menghubungkan 2 elektroda), dan

harus terjadi perpindahan ion antara 2 elektroda dalam elektrolit.

Anoda yang baik adalah logam yang sulit teroksidasi agar tidak mudah rusak,

karena pada anoda terjadi proses oksidasi H2O menjadi ion H+ dan terjadi pelepasan gas

O2. Sedangkan katoda yang baik adalah logam yang mudah melepas gas H2. Anoda Pt

dan Ir yang digunakan adalah anoda yang baik. Demikian juga Ni dan stainless steel yang

digunakan sebagai katoda, sangat baik dalam melepas gas H2 dan konduktivitas listriknya

tinggi sehingga arus listrik yang mengalir relatif besar dan dapat terbaca oleh

amperemeter.

IV.1 Penentuan Tegangan Kerja

Tegangan kesetimbangan dari proses elektrolisis air secara teoretis adalah 1,23

volt. Namun, pada kenyataannya, proses elektrolisis ini memerlukan tegangan yang jauh

lebih besar dari tegangan kesetimbangan tersebut. Hal ini terjadi karena pengukuran

tegangan kesetimbangan 1,23 volt tersebut adalah pada keadaan standar yang tidak dapat




dicapai dengan kondisi praktikum di Labteka, serta pada proses nyatanya selalu terjadi

overpotensial pada sistem.

Overpotensial menyebabkan tegangan kerja jauh lebih besar daripada tegangan

kesetimbangan. Ada 3 jenis overpotensial, yaitu:

1. Overpotensial Ohmik

Overpotensial Ohmik disebabkan adanya hambatan dalam rangkaian listrik dan

dalam elektrolit yang digunakan dalam proses elektrolisis air. Nilai overpotensial

ohmik sangat kecil dibanding nilai overpotensial lainnya.

2. Overpotensial Aktivasi

Overpotensial aktivasi adalah overpotensial yang dibutuhkan untuk mencapai

energi aktivasi dari proses reaksi sehingga reaksi tersebut dapat berjalan.

Overpotensial ini dibutuhkan untuk memulai perpindahan elektron.

3. Overpotensial Konsentrasi

Overpotensial konsentrasi terjadi akibat ketidakseragaman profil konsentrasi

elektrolit sehingga menyebabkan laju difusi menjadi lambat.

Tegangan kerja ditentukan dengan mengubah-ubah besar tegangan sumber

sehingga terjadi jumlah arus yang besarnya tidak berubah lagi walaupun tegangan terus

ditingkatkan. Tegangan minimum saat arus mulai konstan inilah yang disebut tegangan

kerja.

IV.2 Penentuan Efisiensi Arus

Nilai efisiensi arus merupakan nilai yang menunjukkan efisiensu dari proses

elektrolisis air dan dapat ditentukan dengan membandingkan jumlah gas H2 yang

diperoleh dari proses elektrolisis air pada praktikum dengan jumlah gas H2 yang

seharusnya diperoleh berdasarkan perhitungan secara teoretis dengan Hukum Faraday.

Secara teoretis peningkatan konsentrasi zat elektrolit akan meningkatkan efisiensi arus.

Semakin tinggi konsentrasi zat elektrolit, spesi semakin mudah mengion sehingga daya

hantarnya meningkat dan efisiensi arusnya juga meningkat.

IV.3 Kebutuhan Energi

Kebutuhan energi dalam proses elektrolisis air ini ditentukan dengan menghitung

jumlah energi yang dibutuhkan dalam elektrolisis per jumlah mol gas H2 yang dihasilkan.




Berdasarkan literatur semakin besar konsentrasi elektrolit, daya hantar akan meningkat,

sehingga kebutuhan energi per volume gas H2 yang dihasilkan akan semakin kecil.

V. Rancangan Percobaan

V.1 Perangkat dan Alat Ukur

1. Sel Elektrolisis

2. Anoda Pt dan Ir

3. Katoda Ni dan stainless steel

V.2 Bahan/ Zat Kimia

1. Larutan elektrolit H2SO4 dengan berbagai konsentrasi

2. H2O

V.3 Data Literatur

Data literatur yang dibutuhkan adalah:

1. konstanta Faraday

2. konstanta gas Universal (R)

3. physical properties of H20, H2, dan O2

V.4 Data Pengamatan

Run ke- :

Anoda :

Katoda :

Konsentrasi H2SO4 :

Volume H2SO4 :

V.4.1 Penentuan Tegangan

Tekanan : mmHg

Temperatur : 0C

V (Volt) I (A)




Tegangan diubah-ubah, dinaikkan terus sampai nilai kuat arus kistrik tetap.

Kemudian dibuat plot antara tegangan (V) dengan kuat arus yang dihasilkan (I)

dengan garis bantu diperoleh tegangan kesetimbangan adalah tegangan terendah,

saat pertama kali amperemeter menunjukkan kuat arus konstan.

V.4.2 Penentuan Efisiensi Arus

t (detik) I (A)

Volume H2 yang dihasilkan : mL

V.5 Contoh Data dan Langkah Perhitungan

V.5.1 Penentuan Efisiensi Arus

%100*

Mr*I.dt*T*R

V*P*F*n

%100*

F*n

Mr*I.dt

Mr*T*RV*P

%100* teoretisH massa

diperoleh yang H massa

t

0

t

0

2

2

=

=

=

Misalkan dari percobaan diperoleh data I sebagai f (t) pada proses elektrolisis

sebagai berikut:

t (detik) I (A) t (detik) I (A) t (detik) I (A) t (detik) I (A) 30 0.17 930 0.16 1830 0.16 2730 0.16 60 0.17 960 0.16 1860 0.16 2760 0.16 90 0.17 990 0.16 1890 0.16 2790 0.16

120 0.17 1020 0.16 1920 0.16 2820 0.16 150 0.17 1050 0.17 1950 0.16 2850 0.16 180 0.17 1080 0.17 1980 0.16 2880 0.16 210 0.17 1110 0.17 2010 0.16 2910 0.16 240 0.17 1140 0.17 2040 0.16 2940 0.15 270 0.17 1170 0.17 2070 0.16 2970 0.15 300 0.17 1200 0.17 2100 0.16 3000 0.15 330 0.17 1230 0.17 2130 0.16 3030 0.16 360 0.17 1260 0.17 2160 0.16 3060 0.16 390 0.17 1290 0.17 2190 0.16 3090 0.16




420 0.17 1320 0.17 2220 0.16 3120 0.15 450 0.17 1350 0.17 2250 0.16 3150 0.16 480 0.17 1380 0.17 2280 0.16 3180 0.15 510 0.17 1410 0.17 2310 0.16 3210 0.15 540 0.17 1440 0.17 2340 0.16 3240 0.15 570 0.17 1470 0.17 2370 0.16 3270 0.15 600 0.17 1500 0.17 2400 0.16 3300 0.15 630 0.16 1530 0.17 2430 0.16 3330 0.15 660 0.16 1560 0.17 2460 0.16 3360 0.15 690 0.16 1590 0.17 2490 0.16 3390 0.16 720 0.16 1620 0.16 2520 0.16 3420 0.15 750 0.16 1650 0.17 2550 0.16 3450 0.15 780 0.16 1680 0.16 2580 0.16 3480 0.15 810 0.16 1710 0.16 2610 0.16 3510 0.15 840 0.16 1740 0.16 2640 0.16 3540 0.15 870 0.16 1770 0.16 2670 0.16 3570 0.15 900 0.16 1800 0.16 2700 0.16 3600 0.15 Volume H2 yang dihasilkan = 93 mL

Dari rangkaian data tersebut dapat dibuat grafik untuk mengidentifikasi I = f (t)

sebagai berikut:

Arus terhadap Waktu

y = 0.1713e-3E-05x

R2 = 0.6307

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000t (detik)

I (A

)

Maka hubungan arus listrik terhadap waktu dapat didekati dengan persamaan:

t(detik))*-5(-3.10e*0.17138(A) I =

Dari persamaan tersebut didapat nilai

36000

I.dt =0.1713*(-3.10-5)*{exp(-3.10-5*3600)- exp(-3.10-5*0)=2.6305*103 C

Maka:




25.43%

%100*1*10*.63052*303.5*0.082

10*93*1atm*760

704.9*96500*2

%100*Mr*I.dt*T*R

vol*P*F*n

3

3-

t

0

==

=

Dimana:

= efisiensi

n = jumlah elektron yang terlibat dalam reaksi elektrolisis

F = konstanta Faraday

P = tekanan (pada kondisi percobaan) (atm)

vol = volume H2 yang dihasilkan (L)

R = konstanta gas universal (L.atm/mol.K)

T = temperatur (pada kondisi percobaan) (K)

I = kuat arus listrik (A)

t = waktu (detik)

V.5.2 Penentuan Tegangan Kesetimbangan

Misalkan dari percobaan diperoleh data tegangan terhadap arus listrik

sebagai berikut:

Anoda : Pt-Ir [elektrolit] : 0.005 M

Katoda : Ni vol. elektrolit : 1 L

Elekrolit : H2SO4 pH : 2

V (volt) I (A) V (volt) I (A) V (volt) I (A) 2.07 0 4.37 0.46 4.87 0.71 2.47 0.03 4.45 0.45 5.06 0.73 2.91 0.09 4.52 0.53 5.34 0.76 3.22 0.22 4.56 0.57 5.62 0.78 3.78 0.28 4.6 0.62 5.68 0.76 4.18 0.36 4.69 0.67 5.75 0.78 4.27 0.43 4.74 0.72 5.81 0.77 4.33 0.45 5.84 0.78




Plot tegangan terhadap arus listrik tersebut adalah sebagai berikut:

Kurva V terhadap I

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5V (volt)

I (A

)

Dengan garis bantu diperoleh tegangan kesetimbangan proses elektrolisis

tersebut adalah 4.47 volt.

V.5.3 Konsumsi Energi per Volume H2 yang dihasilkan

=mL

W.detikH VolV*QE

2

=

22

t

0

H volkWh

10001*

36001*

H Vol

V*I.dtE

dimana

Q = jumlah muatan listrik (C)

V = tegangan (volt)

I = kuat arus listrik (A)

t = waktu (detik)

Maka untuk hasil percobaan di atas, konsumsi energi dapat di hitung:

=

23- H vol

kWh1000

1*3600

1*10*93

4.47*630.52E = 35.120 kWh/m3 H2




Daftar Pustaka

1. Achmad, Hiskia, Elektrokimia dan Kinetika Kimia, Citra Aditya Bakti, Bandung,

1992

2. Atkins, P.W, Physical Chemistry 6th Edition, Oxford University Press, 1998

3. Prentice, G., Electrochemical Engineering Principles, Prentice Hall International,

Inc.

modul 108 elektrolisis air

Documents