TAJUK 2

TERMOKIMIA

SINOPSIS

Topik ini adalah mengenai muatan haba, muatan haba tentu dan muatan haba molar

bagi sesuatu bahan. Alat yang digunakan untuk menentukan muatan haba ini adalah

kalorimeter serta contoh bagaimana mengira muatan haba bahan juga akan

dibincangkan.

HASIL PEMBELAJARAN

1. Mendefinisikan muatan haba

2. Mendefinisikan muatan haba tentu dan muatan haba molar

3. MengenaI pasti cara untuk menggunakan aktiviti PCK untuk mengajar bidang

kurikulum yang sesuai.

KERANGKA TAJUK

Termokimia

2.3 Muatan Haba tentu dan Muatan Haba Molar

Definisi dan contoh

2.2 Muatan Haba

Definisi dan contoh

Activities

Exercises

2.4 Contoh Pengiraan

2.1 Kalorimeter

2.1 Kalorimeter Anda telah mempelajari dalam tajuk lepas bahawa dalam sesuatu tindakbalas

berkemungkinan haba dibebaskan ke persekitaran atau diserap dari persekitaran.

Adakah anda tahu bagaimana haba yang dipindahkan dalam sesuatu tindakbalas itu

diukur dengan tepat? Alat yang digunakan untuk tujuan ini ialah kalorimeter.

Terdapat dua jenis kalorimeter; kalorimeter pada tekanan tetap atau kalorimeter cawan

dan kalorimeter pada isipadu tetap atau kalorimeter bom. Kalorimeter yang paling

mudah adalah kalorimeter cawan yang terdiri daripada sebuah bekas yang ditebat

dengan sebatang pengacau, termometer dan penutup. Ia ditetapkan pada tekanan

atmosfera. Tindakbalas dijalankan di dalam bekas dan haba yang diserap atau

dibebaskan diukur melalui perubahan suhu. Kalorimeter ini sesuai untuk mengukur

haba daripada tindakbalas yang menggunakan larutan.

Rajah 1: Kalorimeter Mudah Kalorimeter yang lebih kompleks ialah kalorimeter bom. Ia digunakan untuk mengukur

haba yang dibebaskan dari tindakbalas yang melibatkan pembakaran. Sampel

dimasukkan ke dalam cawan kecil yang diletakkan dalam ruang beroksigen di dalam

Pengacau

Bekas Penebat

Penutup

Termometer

bekas keluli yang dikenali sebagai bom keluli. Bom keluli ini dimasukkan ke dalam

bekas bertebat yang diisi air. Bahan tindakbalas dibakar menggunakan arus elektrik

dan haba yang terlibat diukur melalui perubahan suhu air.

Rajah 2: Kalorimeter Bom

Rajah 3: Keratan Rentas Kalorimeter Bom

Termometer

Sampel yang dibakar

Air

Bom keluli

Cawan sampel Penebat

Prinsip asas dalam penggunaan kalorimeter ialah: Haba yang dibebaskan dari tindakbalas = haba yang diserap oleh persekitaran Haba yang diserap oleh bahan tindakbalas = haba yang dibebaskan oleh

persekitaran *Persekitaran adalah merujuk kepada kalorimeter atau kalorimeter dan air. Melayari Internet (1 jam) Layari internet untuk mengumpulkan maklumat tentang pelbagai jenis termometer dan

fungsi setiap satu

2.2 Muatan Haba Apabila kalorimeter dan kandungannya menyerap kuantiti haba tentu, suhu yang

meningkat adalah bergantung kepada muatan haba kalorimeter tersebut dan

kandungannya.

Muatan haba (C) ialah kuantiti haba yang diperlukan untuk meningkatkan suhu

sesuatu bahan sebanyak 1o C.

C = q ∆T Berdasarkan formula ini dapat dilihat bahawa muatan haba bahan akan menjadi lebih

besar jika kuantiti haba yang diperlukan untuk perubahan suhu itu, lebih besar dan

nilai muatan haba ini bergantung kepada saiz objek atau bekas dan kandungannya.

Contohnya satu baldi penuh dengan air mempunyai muatan haba yang lebih besar

daripada satu cawan penuh air disebabkan saiznya yang lebih besar.

C : Muatan haba q : Kuantiti haba yang dipindahkan ∆T: Perubahan suhu

2.3 Haba tentu dan Muatan Haba Molar Bagi membandingkan sifat sesuatu bahan muatan haba tidak boleh digunakan kerana

ia bergantung kepada saiz bekas dan bahan tersebut. Haba tentu boleh digunakan

untuk tujuan ini. Haba tentu ialah ialah kuantiti haba yang diperlukan untuk

meningkatkan suhu bagi 1 g bahan sebanyak 1o C . Berkait rapat dengan haba tentu

ialah muatan haba molar ( Cm ) iaitu kuantiti haba yang diperlukan untuk menaikkan

suhu bagi 1 mol bahan sebanyak 10C.

Perbandingan sifat bahan boleh dibuat menggunakan haba tentu dan muatan haba

molar ini kerana jisim dan mol telah ditetapkan bai kedua-dua kuantiti ini. Nilai haba

tertentu dan muatan haba molar bagi beberapa bahan adalah seperti Jadual 1 di

bawah.

Bahan Haba Tertentu (Jg -1 C -1 )

Muatan Haba Molar (Jmol -1 C -1 )

Udara (kering) 1.01 29.1

Aluminium 0.902 24.4

Kuprum 0.385 24.4

Emas 0.129 25.4

NaCl 0.864 50.5

Air (Pepejal) 2.03 36.6

Air (cecair) 4.179 75.3

Jadual 1: Haba Tentu dan Muatan Haba Molar Beberapa Bahan 2.4 Contoh Pengiraan

Semasa membuat pengukuran haba yang terlibat dalam sesuatu tindakbalas

menggunakan kalorimeter, kita harus membuat beberapa andaian.

1. Tiada haba yang hilang ke persekitaran semasa tindakbalas berlaku. Haba yang

dibebaskan oleh bahan tindakbalas semuanya diserap oleh air dalam

kalorimeter

2. Haba tentu larutan adalah sama dengan haba tentu air

3. Ketumpatan larutan sama dengan ketumpatan air iaitu 1g/ml. Jadi jisim bagi 1

ml larutan ialah 1 g.

4. Kalorimeter menyerap kuantiti haba yang boleh diabaikan

Jadi kuantiti haba yang terlibat dalam sesuatu tindakbalas boleh dikira seperti berikut:

Kuantiti haba (J) = Jisim Bahan (g) x Haba Tentu (Jg -1 C -1 ) x Perubahan suhu (o C)

q = m x c x ∆T

Contoh 1

Apabila 10.0 ml larutan Argentum Nitrat 1M ditambah kepada larutan natrium klorida 1

M di dalam kalorimeter, mendakan putih terbentuk dan suhu berubah dari 25 o C

kepada 32.6 oC. Hitung kuantiti haba yang dibebaskan dalam tindakbalas ini. (Haba

tertentu larutan: 4.18Jg-1 oC-1)

Penyelesaian:

Jisim larutan = 10 ml + 10 ml = 20 ml = 20 g

Haba tentu = 4.18Jg-1 oC-1

Perubahan suhu = 32.6 – 25 = 7.6 oC

Kuantiti haba yang dibebaskan = 20 g x 4.18Jg-1 oC-1 x 7.6 oC = 6.4 x 102 J

Contoh 2

Anggapkan Coca Cola mempunyai haba tentu yang sama dengan air iaitu 4.18Jg-1 oC-1

Hitungkan kuantiti haba yang dibebaskan apabila 350 g Coca Cola disejukkan dari 25 o

C kepada 3o C

Penyelesaian:

Kuantiti haba yang dibebaskan = 350 g x 4.18Jg-1 oC x 22 o C = 32186 J = 32.186 kJ

Contoh 3

Tentukan haba tentu bahan X jika sebanyak 186 J haba diperlukan untuk menaikkan

suhu 10 gram sampel tersebut dari 25 o C menjadi 29 o C

Penyelesaian:

Kuantiti haba = Jisim x Haba tentu x Perubahan suhu

Haba tentu = Kuantiti haba

Jisim x perubahan suhu

= 186 J = 4.4 Jg-1 oC

10 g x 4 o C

Perbincangan (2 jam)

Tenaga haba boleh dihasilkan dari sumber tenaga yang boleh diperbaharui dan

tidak boleh diperbaharui.

Bandingkan tenaga yang boleh diperbaharui dan tidak boleh diperbaharui

dengan menggunakan gambarajah pengurusan grafik yang sesuai.

TAJUK 10

ELEKTROKIMIA

SINOPSIS

Elektrokimia adalah satu bidang kimia yang berkaitan dengan perhubungan antara

tenaga elektrik dan tenaga kimia. Proses elektrokimia pula ialah tindakbalas redoks di

mana tenaga telah dibebaskan dan ditukarkan kepada tenaga elektrik atau sebaliknya.

Sama ada kita sedar atau tidak proses elektrokimia ini yang terjadi secara semula jadi

atau hasil ciptaan manusia, telah terlibat dan mempengaruhi kehidupan seharian kita.

Bagaimanapun kakisan besi adalah proses elektrokimia yang berlaku secara

semulajadi dan telah menjejaskan kehidupan manusia. Kedua-dua aplikasi elektrokimia

ini akan dibincangkan dalam tajuk ini..

HASIL PEMBELAJARAN

1. Menyatakan apliksasi elektrokimia dalam kehidupan harian

2. Menerangkan kakisan besi dan cara mengelaknya

KERANGKA TAJUK

10.1 Bateri

Satu daripada aplikasi elektrokimia dalam kehidupan harian ialah bateri. Bateri ialah

alat yang dapat mengubah tenaga kimia kepada tenaga elektrik. Ada bateri yang

mengandungi satu sel voltan (voltaic cell) dengan dua elektrod dan elektrolit yang

sesuai. Terdapat juga bateri yang mengandungi dua atau lebih sel voltan yang

disambung secara bersiri untuk meningkatkan jumlah voltan yang dapat dibekalkan.

Bateri terbahagi kepada tiga jenis iaitu:

Bateri primer atau sel primer: Tindakbalas dalam bateri ini tidak boleh berbalik.

Apabila semua bahan tindakbalas bertukar kepada hasil tindakbalas, arus

elektrik tidak akan dihasilkan lagi.

Bateri sekunder atau sel sekunder: Tindakbalas dalam sel ini boleh berbalik di

mana hasil tindakbalas boleh membentuk bahan tindakbalas semula apabila

arus dilalukan kepadanya (proses mengecas). Ini bermakna bateri jenis ini boleh

melalui beratus-ratus proses discas ketika menggunakannya dan proses cas

apabila dilalukan elektrik kepadanya.

Aplikasi Elektrokimia

10.1 Bateri Bateri primer

- Bateri kering - Bateri zink klorida - Bateri alkali

Bateri sekunder - Bateri plumbum asid - Bateri nikel ion

Bateri bahan api

10.2 Kakisan besi Proses elektrokimia dalam kakisan besi

Cara mengelak kakisan besi

Bateri bahan api: Bateri ini ialah bateri yang hanya akan berfungsi apabila bahan

api di bekalkan secara berterusan atau secara tetap ke dalamnya dan hasil

tindakbalas juga dikeluarkan secara tetap darinya.

Semua jenis bateri ini melibatkan tindakbalas redoks yang kemudiannya

menghasilkan tenaga elektrik. Anda boleh melihat dalam semua tindakbalas dalam

bateri, tindakbalas pengoksidaan akan berlaku di terminal negatif (anod) dan

tindakbalas penurunan akan berlaku di terminal positif. (katod). Istilah ini diberikan

berdasarkan teori yang menyatakan bahawa anod adalah terminal di mana elektron

dibebaskan oleh sesuatu bahan dan katod adalah terminal di mana elektron diterima

oleh sesuatu bahan.

a) Bateri Primer:

Bateri kering/ sel kering

Bateri kering adalah sel kimia yang paling biasa digunakan dan membekalkan 1.5 V

tenaga elektrik akibat daripada tindak balas redoks yang berlaku di dalamnya.

Rajah 1: Bateri Kering

Penutup

Pasta NH4 Cl + ZnCl2 (elektrolit)

Bekas zink (Anod)

Pasta MnO2 (katod)

Rod karbon

Bateri ini biasanya dilabelkan sebagai bateri kegunaan umum. Boleh digunakan pada

semua alat mudah alih yang berkuasa rendah seperti lampu suluh, jam, radio transistor,

alat kawalan jauh (remote control), kalkulator, pencukur elektrik.dan lain-lain.

Ia terdiri daripada zink yang bertindak sebagai bekas dan juga elektrod negatif bagi

bateri ini dan karbon yang disaluti dengan campuran manganum dioksida dan serbuk

karbon sebagai elektrod positif. Sebab itu bateri ini disebut juga bateri zink-karbon.

Sementara elektrolitnya ialah pasta zink klorida dan ammonium klorida.

Tindakbalas kimia yang berlaku dalam bateri ini adalah seperti berikut:

Elektrod negatif: Zink akan dioksidakan kepada ion zink

Zn(p) → Zn2+(ak) + 2 e- Elektrod positif: Ion ammonium dalam elektrolit akan menerima elektron di terminal ini

dan berlaku tindakbalas seperti berikut:

2NH4

+(ak) + 2 e- → H2(g) + 2NH3(ak) 2MnO2(p) + H2(g)→ Mn2O3(p) + H2O(c)

Gas ammonia akan bergabung dengan ion zink membentuk ion komplek Zn(NH3)2

2+.

Tindakbalas keseluruhannya adalah:

Zn(p) + 2MnO2(p) + 2NH4+(ak) → Mn2O3(p) + Zn(NH3)2

2+(ak) + H2O(c)

Serbuk karbon yang dicampurkan dengan manganum dioksida tidak mengambil

bahagian dalam tindakbalas ini. Ia hanya berfungsi untuk meningkatkan kekonduksian

elektrik dalam sel.

Bateri zink klorida

Bateri zink klorida adalah hasil penambahbaikan dari bateri kering. Elektrod sel ini

menggunakan bahan kimia yang lebih tulen, dan memberikan voltan yang yang lebih

tetap dalam tempoh masa yang lebih lama. Biasanya ia dilabelkan sebagai “Heavy

Duty” seperti juga sel alkali dan dapat membekalkan tenaga elektrik 50 % lebih tinggi

dari bateri kering zink-karbon. Anod dan katod bagi bateri ini sama dengan bateri zink-

karbon. Yang berbezanya ialah elektrolitnya yang diperbuat daripad zink klorida sahaja.

Tindakbalas keseluruhan dalam bateri zink klorida ialah

Zn(p) + 2 MnO2(p) + ZnCl2(ak) + 2 H2O(c) → 2 MnO(OH)(p) + 2 Zn(OH)Cl(ak)

Cuba fikirkan apakan bahan yang dioksidakan dan bahan yang diturunkan dalam sel

zink klorida ini.

Bateri alkali

Konsep pembinaan bateri ini adalah sama dengan bateri zink-karbon cuma dalam

bateri alkali, ammonium klorida digantikan dengan kalium hidroksida atau natrium

hidroksida. Ia dapat membekalkan tenaga elektrik 500 % lebih tinggi dari bateri kering

dan dilabelkan sebagai „heavy duty”. Bateri alkali tahan lebih lama kerana logam zink

sebagai anodnya mengkakis kurang cepat dalam keadaan bes berbanding dalam

keadaan asid. Ia digunakan dalam alat elektrik seperti jam, lampu suluh, radio,

pencukur elektrik, dan alat permainan.

Tindakbalas redoks yang berlaku dalam bateri ini adalah seperti berikut:

Anod (-) Zn (p) + 2 OH- (ak) -------> ZnO (p) + H2O (c) + 2e-

Katod (+) 2 MnO2 (p) + 2e- + H2O ( c) -------> Mn2O3 (p) + 2 OH- (ak)

Rajah 2: Bateri Alkali

Serbuk zink (Anod) + Kalium hidroksida, KOH (elektrolit)

MnO2 (Katod) + Kalium hidroksida, KOH (elektrolit)

Pemisah

Penutup anod

Gasket Bekas

b) Bateri Sekunder

Bateri Plumbum Asid

Bateri ini adalah salah satu bateri bolehcas yang diguna secara meluas di seluruh

dunia. Ia membekalkan tenaga elektrik 12V dan biasanya digunakan sebagai sumber

tenaga elektrik bagi kenderaan, jentera berat, kapal selam dan alat kecemasan di

hospital. Bateri ini terdiri daripada enam sel asid-plumbum yang disambung secara

bersiri dan disebut juga bateri basah kerana elektrolitnya dalam bentuk cecair iaitu asid

sulfurik cair. Anod bagi bateri ini ialah logam plumbum dan katod pula ialah plumbum

(II) oksida yang disalut pada logam plumbum.

Rajah 3: Bateri Plumbum Asid

Tindakbalas redoks yang berlaku di dalam bateri semasa digunakan (discas) dan

semasa mengecas ditunjukkan pada Rajah 3. Semasa digunakan mendakan Plumbum

(II) sulfat akan terbentuk dan menyaluti elektrod. Ini menjadikan kuasa bateri semakin

berkurang. Tetapi apabila bateri ini disambungkan kepada sumber elektrik ia akan dicas

semula. Plumbum (II) sulfat akan terurai kepada Plumbum (II) oksida semula.

PbO2 ditampal dalam jaringan Pb (katod)

Pb ditampal dalam jaringan Pb (anod)

Pemisah

Fikirkan

Teliti Rajah 4 dan kenal pasti bahan yang dioksidakan dan diturunkan dalam bateri

plumbum asid semasa mendiscas dan semasa mengecas.

Rajah 4: Tindakbalas Redoks Dalam Bateri Plumbum Asid

Bateri Litium Ion

Penggunaan teknologi terkini dalam bidang komunikasi dan elektronik menjadikan

bateri litium ion amat berguna. Ia digunakan sebagai bateri kepada alat-alat elektronik

seperti komputer riba, telefon bimbit, kamera, MP3, PDA dan iPod

Anod bagi bateri ini ialah grafit dan katod pula samada lapisan nipis oksida (seperti

litium atau kobalt oksida), polianion (seperti litium ferum posfat) atau litium manganese

oksida.Elektrolitnya terdiri daripada campuran karbonat organik seperti ethylene

karbonat atau dietil karbonat yang mengandungi ion kompleks litium.

Bateri litium-ion lebih mahal tetapi ia boleh digunakan pada julat suhu yang lebih luas

dan boleh dicas semula. Ia mempunyai ketumpatan tenaga yang tinggi dan perlu masa

yang lebih lama untuk dicas semula walaupun saiznya lebih kecil dan lebih ringan.

Rajah 5: Bateri Ion Litium

Semasa digunakan (discas), elektron dibebaskan di anod dan ion litium bergerak dari

elektrod negatif (anod) ke elektrod positif (katod) melalui elektrolit dan pemisah.

Semasa mengecasnya semula di mana arus dari luar dibekalkan, ion litium akan

bergerak dari katod ke nod semula.

Anod

Katod

Anod Katod

Rajah 6 : Proses Dalam bateri Ion Litium Anod: 6C (p) + xLi+ (ak) + xe- Lix C6 (ak)

Katod: LiCoO2

– (ak) + xe- Li1-xCoO2 (ak) + xLi+ (ak)

c. Bateri bahan api Bahan api fosil adalah sumber utama tenaga tetapi pertukaran bahanapi fosil ini kepada

tenaga elektrik adalah satu proses yang tidak efisien. Hanya 40 % daripada tenaga

kimia hasil pembakaran bahanapi dapat ditukarkan kepada tenaga elektrik. Oleh kerana

pembakaran adalah sejenis tindakbalas redoks maka pertukaran tenaga kimia dalam

bahanapi kepada tenaga elektrik boleh dibuat secara elektrokimia.

Bateri bahan api ialah sel elektrokimia yang memerlukan bahanapi dibekalkan secara

berterusan di anod untuk dapat berfungsi. Ia terdiri daripada anod lengai (inert anodes)

di mana agen penurunan atau bahanapi dibekalkan dan kemudiannya dioksidakan. Di

katod pula, juga jenis logam lengai, agen pengoksidaan dibekalkan bagi

mengoksidakan bahanapi tersebut. Elektrolit biasanya adalah larutan kalium hidroksida

panas. Bahanapi yang digunakan boleh dalam bentuk gas dan cecair.

cas

discas

cas

discas

Discas

Cas

Satu contoh bateri bahan api yang paling mudah ialah sel bahan api hydrogen-oksigen.

Ia terdiri daripada karbon poros yang mengandungi nikel sebagai anod, karbon poros

yang mengandungi nikel dan nikel oksida sebagai katod serta larutan kalium hidroksida

panas sebagai elektrolit.. Nikel dan nikel oksida yang digunakan ini bertindak sebagai

mangkin kepada tindakbalas. Tindakbalas redoks dalam sel ini adalah seperti berikut:

Anod: 2H2 (g) + 4OH- (ak) 4H2O (c) + 4e (Pengoksidaan)

Katod: O2 (g) + 2H2O (c ) + 4e 4OH- (ak) (Penurunan)

2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (c)

Tindakbalas kimia yang berlaku ini akan ditukarkan kepada tenaga elektrik selagi bahan

api terus dibekalkan secara tetap di anod dan hasilnya iaitu air sentiasa dikeluarkan

secara tetap dari sel. Sel ini biasanya digunakan dalam kapal angkasa dan kapal

selam.

Rajah 7: Bateri Bahan api Hidrogen-Oksigen

Mengumpul Maklumat

Membuat Nota

Jadual berikut menunjukkan komponen dan kegunaan dua jenis bateri. Kumpulkan

maklumat tentang jenis bateri yang lain dan lengkapkan maklumat dalam jadual seperti

di bawah

Sel kimia Terminal (-) Terminal (+) Elektrolit Kegunaan

Sel merkuri

Berbentuk butang

Membekalkan arus 1.2V

Zink Merkuri (II) oksida

Campuran zink hidroksida dan larutan kalium hidroksida

Digunakan dalam jam tangan dan kamera

Sel nikel-kadmium

Beroperasi dengan prinsip yang sama seperti akumulator asid-plumbum, tetapi menggunakan bahan kimia yang berlainan.

Kadmium Nikel (IV) oksida

Larutan kalium hidroksida

Digunakan dalam alat-alat elektrik seperti gerudi, peralatan di taman, dan alat-alat mudah alih yang lain serta lampu kecemasan.

10.2 Kakisan Besi

a) Proses Elektokimia dalam Kakisan Besi

Tindakbalas yang berlaku di dalam bateri adalah sumber penting kepada penghasilan

arus elektrik. Tindakbalas yang sama terjadi semasa kakisan besi tetapi ia boleh

menyebabkan satu fenomena yang sangat tidak diingini. Di sini akan dibincangkan

asas elektrokimia dalam proses kakisan dan seterusnya kita akan melihat bagaimana

prinsip elektrokimia digunakan untuk mencegah besi dari mengalami kakisan.

Kakisan bagi sesuatu logam berlaku apabila logam kehilangan elektron secara spontan

dan dioksidakan untuk membentuk ion logam. Logam itu dikatakan terkakis dan

terhakis sedikit demi sedikit.

M (p) Mn+ (ak) + ne- (pengoksidaan)

Sebagai contoh jika magnesium, Mg, kehilangan elektron untuk membentuk ion

magnesium, Mg2+, magnesium dikatakan terkakis dan menipis sedikit demi sedikit.

Mg (p) Mg2+ (ak) + 2e-

Logam yang terletak di atas siri elekrokimia (lebih elektropositif) lebih mudah terkakis.

Ini adalah kerana logam tersebut adalah lebih cenderung untuk melepaskan elektron

untuk membentuk ion logam. Sebagai contoh, aluminium, Al, adalah lebih mudah

terhakis berbanding dengan kuprum, Cu. Ini kerana aluminium, Al , adalah lebih

elektropositif daripada kuprum,Cu.

Kakisan logam secara elektrokimia merupakan satu tindak balas redoks yang berlaku

apabila dua logam yang berlainan keelektropositifan bersentuhan dalam satu elektrolit.

Logam yang lebih elektropositif akan menderma elektron (mengalami pengoksidaan)

dan terkakis. Logam ini akan bertindak sebagai elektrod negatif, manakala logam yang

kurang elektropositif akan menjadi elektrod positif di mana berlakunya tindakbalas

penurunan padanya.

Kakisan sesuatu logam boleh dipercepatkan dengan kehadiran elektrolit seperti asid

dan larutan garam. Kadar kakisan sesuatu logam juga boleh dipercepatkan jika kedua-

dua logam yang bersentuhan itu berada pada kedudukan yang lebih jauh antara satu

sama lain dalam siri elektrokimia. Kedudukan logam dalam siri elektrokimia adalah

seperti Jadual 1di bawah, Ini bermaksud logam magnesium lebih cepat terkakis jika

bersentuhan dengan argentum berbanding jika ia bersentuhan dengan logam zink

dengan kehadiran elektrolit yang sama.

Siri elektrokimia / Siri redoks

K

Na

Ca

Mg

Al

Zn

Semakin kurang elektropositif Fe

(Semakin sukar mengkakis) Sn

Pb

(H)

Cu

Hg

Ag

Au

Jadual 1: Siri Elektrokimia

Kakisan besi yang lebih dikenali sebagai pengaratan besi amat penting untuk dipelajari

kerana besi digunakan secara meluas di dunia ini dan kesan dari proses pengaratan ini

akan menyebabkan kerugian yang besar.

Proses pengaratan besi berlaku dengan adanya air dan oksigen dan berlaku

mengikut lima peringkat seperti yang diterangkan dalam Rajah di bawah.

[Type a

Peringkat 2

Peringkat 1

Peringkat 3

Di pusat titisan air (anod/terminal negatif), besi,

Fe, kehilangan elektron dan dioksidakan kepada

ion ferum (II), Fe2+. Ion ferum(II), Fe2+ terlarut

dalam air. Besi terkakis.

Anod:

Fe Fe2+ + 2e-

Elektron yang terbebas oleh besi, Fe, mengalir

ke pinggir titisan air melalui besi.

Di pinggir titisan air (katod/terminal positif), elekton

diterima oleh oksigen terlarut dan air, dan

diturunkan kepada ion hidroksida, OH-.

Katod:

O2(g)+ 2H2O(ce)+ 4e- 4OH-(ak) (penurunan)

Titisan air

e- e

-

OH- Fe

2+ OH

-

Katod Katod

O2+ 2H2O+ 4e- 4OH

- O2+ 2H2O+ 4e- 4OH

-

Anod

Fe Fe2+

+ 2e-

Besi

Titisan air

Rajah 8: Proses dan Peringkat Pengaratan Besi)

Seperti yang dinyatakan di bahagian sebelum ini, logam berlainan yang bersentuhan

dengan besi dapat mempercepatkan atau memperlambatkan pengaratan (kakisan)

besi. Jika besi, Fe, bersentuhan dengan suatu logam lain yang lebih elektropositif

seperti magnesium, Mg, aluminium, Al, dan zink, Zn, besi tidak terkakis walaupun

lapisan pelindungi logam lain itu telah tercalar. Ini adalah kerana logam yang lebih

elektropositif ini lebih mudah membebaskan elektron dan akan terkakis dengan lebih

cepat, manakala logam yang kurang elektropositif akan dilindungi daripada terkakis.

Peringkat 4

Peringkat 5

Ion ferum(II), Fe2+, dan ion hidroksida, OH-,

bergabung membentuk pepejal hijau ferum(II)

hidroksida, Fe(OH)2

Fe2+(ak) + 2OH-(ak) Fe(OH)2 (p)

Ferum(II) hidroksida, Fe(OH)2 , kemudian dioksidakan

oleh oksigen dalam udara kepada pepejal perang

ferum(III) oksida terhidrat, Fe2O3.xH2 O (karat)

2Fe(OH)2 (p) oksigen di udara Fe2O3.xH2 O (p)

karat

Kakisan besi dapat dipercepatkan dengan kehadiran elektrolit seperti asid atau larutan

garam. Besi di kawasan perindustrian terkakis (berkarat) dengan lebih cepat kerana

kilang mengeluarkan gas berasid seperti sulfur dioksida , SO2, nitrogen dioksida, NO2,

dan hidrogen sulfida, H2S, yang larut dalam air hujan membentuk hujan asid. Hujan

asid bertindak sebagai elektrolit untuk mempercepatkan pengaratan besi.

b. Kaedah mencegah pengaratan besi

Pengaratan besi akan berlaku berterusan selagi besi bersentuhan dengan air/wap air

dan oksigen. Pelbagai kaedah boleh dilakukan bagi mengelakkan besi dari berkarat dan

asas kepada kaedah-kaedah ini adalah seperti berikut:

Mengelakkan permukaan besi dari bersentuhan dengan air/wap air dan oksigen

Menyadurkan besi dengan logam yang lebih aktif dari besi dalaam Siri Elektrokimia

Perlindungan katod (Cathodic protection)

Mengelakkan permukaan besi dari bersentuhan dengan air/wap air dan oksigen

Bagi tujuan ini, besi boleh disadur dengan logam lain yang lebih tahan kakisan seperti

timah, emas, perak dan lain-lain mengikut kegunaan. Besi juga boleh dicat atau disapu

dengan minyak. Besi tidak akan berkarat selagi saduran logam atau cat itu masih elok.

Tetapi jika saduran itu rosak dan cat telah terkeluar, besi akan mula berkarat semula.

Contohnya penyaduran besi dengan satu lapisan stanum.

Rajah 9: Penyaduran Besi dengan Stanum

Besi

Stanum

Lapisan air

Fe Fe 2+

2e

2e

O 2 + 2 H 2 O 4OH -

Fe Fe 2+

Besi akan dilindungi oleh stanum dari bersentuhan dengan air/wap air dan oksigen di

udara menyebabkan besi tidak berkarat. Tetapi besi akan terkakis (berkarat) dengan

lebih cepat jika lapisan pelindung stanumnya telah tercalar. Ini kerana besi adalah lebih

elektropositif daripada stanum. Dalam kes ini:

a) Logam ferum,Fe, bertindak sebagai anod (terminal negatif). Atom ferum, Fe

melepaskan elektron dan dioksidakan kepada ion ferum(II), Fe2+.

Fe (p) Fe2+ (ak) + 2e- (pengoksidaan)

b) Elektron-elektron yang terbebas mengalir ke bahagian lain logam yang bertindak

sebagai katod.

c) Di katod, elektron-elektron diterima oleh oksigen terlarut dan air dan diturunkan

kepada ion-ion hidroksida, OH-.

O2(g)+ 2H2O(c)+ 4e- 4OH-(ak) (penurunan)

d) Logam ferum terkakis dengan lebih cepat.

Jadi kaedah ini hanya dianggap sebagai perlindungan sementara sahaja.

Menyadurkan besi dengan logam yang lebih elektropositif dari besi dalam Siri

Elektrokimia

Proses ini disebut juga penggalvanian. Melalui kaedah ini besi biasanya disadurkan

dengan satu lapisan logam zink yang merupakan sejenis logam yang terletak di atas

dari besi dalam Siri Elektrokimia. Kaedah ini menggunakan prinsip elektrokimia yang

menyatakan logam yang lebih elektropositif lebih mudah terkakis dan boleh melindungi

logam yang kurang elektropositif daripadanya dari terkakis. Selain dari itu, logam zink

digunakan sebab ia murah dan dapat melekat dengan kuat pada permukaan besi.

Satu lapisan zink pada permukaan besi dapat mengelakkan besi dari bersentuhan

dengan air/wap air dan oksigen di udara dan ini dapat mencegah besi dari berkarat.

Rajah 10: Penggalvanian Besi: Penyaduran Besi dengan Zink

Walaupun lapisan pelindung, zink tercalar, besi masih dilindungi daripada terkakis. Ini

adalah kerana zink adalah lebih elektropositif daripada besi. Dalam kes ini:

a) Logam zink, Zn, bertindak sebagai anod (terminal negatif). Atom zink, Zn

melepaskan elektron dan dioksidakan kepada ion zink, Zn2+.

Zn (p) Zn2+ (ak) + 2e- (pengoksidaan)

b) Elektron yang terbebas dari anod diterima oleh logam ferum, Fe, yang bertindak

sebagai katod (terminal positif).

c) Di katod, elektron yang diterima oleh oksigen terlarut dan air dan diturunkan

kepada ion hidroksida, OH-.

O2(g)+ 2H2O(ce)+ 4e- 4OH-(ak) (penurunan)

d) Ion zink, Zn2+, dan ion hidroksida, OH-, bergabung membentuk pepejal putih zink

hidroksida, Zn(OH)2.

e) Logam zink terhakis. Logam ferum dilindungi daripada terkakis.

Perlindungan katod (Cathodic protection)

Kaedah ini ialah satu kaedah di mana sesuatu logam dilindungi dari kakisan dengan

menyambungkannya kepada suatu logam lain yang lebih mudah dioksidakan (lebih

elektropositif dalam Siri Elektrokimia). Melalui kaedah ini, logam yang kedua ini tidak

semestinya menutupi keseluruhan permukaan logam yang hendak dilindungi itu.

Contohnya paip besi bawah tanah dilindungi dari berkarat dengan menyambungkan nya

dengan dawai magnesium bertebat. Dawai magnesium hanya bersentuh sedikit sahaja

dengan paip besi ini, tetapi ia masih boleh melindungi besi dari berkarat. Dawai

Besi

Zink

Lapisan air

Zn Zn2+

Zn Zn2+

2e 2e

O2 + 2 H2O 4OH

-

magnesium bertindak sebagai anod dan akan terkakis kerana magnesium lebih

elektropositif dari besi. Magnesium dikenali juga sebagai logam/anod korban.

Manakala besi akan bertindak sebagai katod yang dilindungi dari terkakis

Anod: Mg (p) Mg2+ (ak) + 2e

Katod: O2 (g) + 4H+ (ak) + 4e 2H2O (c)

Selagi terdapat sedikit logam magnesium menyentuh besi, keseluruhan besi tidak akan

berkarat.

Rajah 11: Perlindungan Katod ke atas Besi

Mengumpul Maklumat

Merujuk kepada buku rujukan dan laman web yang sesuai kumpulkan maklumat

berkaitan tajuk berikut:

a) Lain-lain aplikasi proses elektrokimia dalam kehidupan harian

b) Lain-lain cara mencegah pengaratan besi.

SOALAN LATIHAN

1. Dalam satu eksperimen 0.100 g gas hidrogen dan 0.800 g gas oksigen telah

dimampatkan ke dalam bekas 1 L yang kemudiannya diletakkan ke dalam

kalorimeter yang mempunyai haba tentu 9.08 x 104 J oC 1. Suhu awal

kalorimeter adalah 25.000 oC dan selepas tindakbalas suhu akhir kalorimeter

menjadi 25.155 oC.

Hitung kuantiti haba yang dibebaskan semasa tindakbalas antara H2 dan O2 bagi

membentuk 1 mol H2O. (Andaikan semua haba yang dibebaskan diserap oleh

kalorimeter).

2. Kakisan logam tidak hanya berlaku kepada besi tetapi kepada logam-logam lain

juga. Malah terdapat banyak lagi logam lain yang lebih mudah mengkakis

berbanding besi.

Terangkan mengapakan kakisan ke atas logam-logam lain tidak menjadi

masalah utama kepada kehidupan manusia di dunia ini.

3. Sel elektrokimia boleh terbentuk di dalam mulut kita jika terdapat gigi yang

ditampal.

Terangkan komponen-komponen sel tersebut dan tindakbalas redoks yang

berlaku di dalamnya.

Rujukan Breck, Brown, McCowan (1981). Chemistry for science and engineering . Toronto: Mc

Graw Hill Ryerson Limited

Brown, T.L., Lemay, H.E., & Bursten, B.E. (2000). Chemistry: The Central Science. (8th

ed.). New Jersey: Prentice Hall Chang, Raymond (1994).Chemistry ( International edition; Fifth Edition). New Jersey:

Mc Graw Hill

McMurry,J. & Fay,R.C. (2001). Chemistry. (3rd ed.). New Jersey: Prentice Hall. Petrucci, Harwood (1997). General Chemistry. Principal & Modern Applications

(Seventh Edition) . New Jersey: Prentice Hall Yeap (2009). Chemistry Form 4. Selangor: Pearson Malaysia Sdn Bhd