elektrolisis air (els)

MODUL PRAKTIKUM
LABORATORIUM INSTRUKSIONAL TEKNIK KIMIA
ELEKTROLISIS AIR
(ELS)
Disusun oleh:
Robby Sukma Dharmawan
Dr. Isdiriayani Nurdin
Dr. Hary Devianto
Dr. Ardiyan Harimawan
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2014
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Elektrolisis Air
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI.............................................................................................................................. 2
DAFTAR GAMBAR ................................................................................................................. 3
BAB I PENDAHULUAN .......................................................................................................... 4
BAB II TUJUAN DAN SASARAN PERCOBAAN................................................................. 5
2.1. Tujuan Percobaan............................................................................................................ 5
2.2. Sasaran Percobaan .......................................................................................................... 5
BAB III RANCANGAN PERCOBAAN .................................................................................. 6
3.1. Alat .................................................................................................................................. 6
3.2. Bahan/Zat Kimia ............................................................................................................. 6
3.3. Kondisi Percobaan .......................................................................................................... 6
3.3.2. Variabel yang Divariasikan.......................................................................................... 7
3.3.3. Variabel Terikat ........................................................................................................... 7
3.4. Rangkaian Alat................................................................................................................ 7
BAB IV PROSEDUR KERJA ................................................................................................... 8
4.1. Persiapan ......................................................................................................................... 8
4.2. Pengukuran Overpotensial Minimum ............................................................................. 8
4.3. Pengukuran Efsiensi Arus dan Konsumsi Energi ........................................................... 8
DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................................. 11
LAMPIRAN A TABEL DATA MENTAH ............................................................................. 12
LAMPIRAN B PROSEDUR PERHITUNGAN ...................................................................... 13
LAMPIRAN C SPESIFIKASI LITERATUR ......................................................................... 14
ELS
2
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Elektrolisis Air
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Rangkaian Alat ....................................................................................................... 7
Gambar 2. Diagram Alir Percobaan ......................................................................................... 9
ELS
3
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Elektrolisis Air
BAB I
PENDAHULUAN
Secara terminologi, elektrolisis merupakan proses pemecahan (lisis) senyawa dengan bantuan
energi listrik. Proses elektrolisis memegang banyak peranan penting dalam industri, salah
satunya dalam produksi hidrogen murni yang berguna dalam industri makanan dan obatobatan. Hidrogen murni terutama digunakan pada proses metalurgi khusus dalam jumlah
kecil (W, Mo, Ge) dan untuk mentransformasi minyak menjadi lemak yang dapat dimakan.
Hidrogen dapat diperoleh secara ekonomis melalui elektrolisis air dalam elektrolit asam
maupun basa.
Sementara itu, pada elektrolisis air juga dihasilkan oksigen sebagai produk samping.
Konsumsi oksigen dunia hanya sekitar 1/10 dari jumlah oksigen yang merupakan produk
samping elektrolisis sehingga oksigen elektrolitik dianggap terlalu mahal bila dibandingkan
dengan oksigen yang dihasilkan dari distilasi udara cair. Jika oksigen elektrolitik tidak
digunakan di tempat, maka oksigen sering dibuang begitu saja. Namun, karena tingkat
kemurniannya yang tinggi (99,6 %), kadang-kadang oksigen elektrolitik dimampatkan dan
diangkut untuk penggunaan khusus.
ELS
4
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Elektrolisis Air
BAB II
TUJUAN DAN SASARAN PERCOBAAN
2.1. Tujuan Percobaan
Percobaan ini bertujuan untuk memahami fenomena-fenomena overpotensial evolusi
hidrogen yang terjadi di permukaan elektroda selama berlangsungnya proses elektrolisis air.
2.2. Sasaran Percobaan
Sasaran yang hendak dicapai melalui percobaan ini adalah sebagai berikut.
1. Mengidentifikasi pengaruh jenis elektroda terhadap overpotensial minimum proses
elektrolisis air
2. Mengidentifikasi pengaruh jenis dan konsentrasi elektrolit terhadap overpotensial
minimum proses elektrolisis air
3. Menghitung efisiensi arus dan konsumsi energi proses elektrolisis air.
ELS
5
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Elektrolisis Air
BAB III
RANCANGAN PERCOBAAN
3.1. Alat
Peralatan yang digunakan dalam praktikum adalah sebagai berikut.
a. Gelas kimia 500 mL
j. Laptop
b. Gelas kimia 1000 mL
k. Batang pengaduk
c. Buret 25 mL
l. Filler
d. Corong
m. Termometer
e. Elektroda Pt-Ir (Anoda)
n. Sumber listrik DC
f. Pipet volume 25 mL
o. Elektroda
g. Labu takar 1000 mL
p. Botol semprot
h. Kabel listrik
q. Statif dan klep
i. Multimeter
3.2. Bahan/Zat Kimia
Daftar bahan yang digunakan dalam percobaan adalah sebagai berikut.
a. Aqua dm
b. H2SO4 18 M
c. Padatabn KOH/NaOH
d. Isolator tape
e. Kertas abrasif
3.3. Kondisi Percobaan
Kondisi percobaan terdiri dari variabel percobaan yang dibuat tetap dan variabel percobaan
yang diubah.
3.3.1. Variabel yang Dibuat Tetap
a. Tekanan udara ruang (660 – 700 mmHg)
b. Temperatur ruang (23 – 28 oC)
c. Jenis anoda (kawat Pt-Ir)
d. Volume elektrolit (250 mL)
e. Jarak antar elektroda (1 cm)
ELS
6
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Elektrolisis Air
f. Luas permukaan elektroda
3.3.2. Variabel yang Divariasikan
a. Jenis katoda
b. Jenis elektrolit (KOH/NaOH atau H2SO4)
c. Konsentrasi elektrolit (larutan H2SO4 dan larutan NaOH dengan berbagai macam
variasi konsentrasi)
3.3.3. Variabel Terikat
a. Overpotensial minimum
b. Jumlah gas hidrogen yang dihasilkan
c. Temperatur larutan
3.4. Rangkaian Alat
Rangkaian alat yang digunakan dalam percobaan dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Rangkaian Alat
ELS
7
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Elektrolisis Air
BAB IV
PROSEDUR KERJA
Percobaan terdiri dari tiga bagian utama, yaitu bagian persiapan, penentuan overpotensial
minimum dan penentuan efisiensi arus serta konsumsi energi elektrolisis air.
4.1. Persiapan
Beberapa persiapan yang harus dilakukan adalah sebagai berikut.
1. Persiapan elektrolit
Larutan elektrolit yang digunakan adalah larutan kalium hidroksida atau asam sulfat
yang diencerkan. Konsentrasi elektrolit yang dipakai disesuaikan dengan variasi pada
penugasan. Volume larutan elektrolit untuk setiap percobaan sama yaitu 300 mL.
2. Persiapan elektroda
Anoda yang dipakai untuk percobaan ini adalah kawat Pt – Ir berdiameter 0,5 mm dan
panjang 22 cm. Sedangkan katoda yang digunakan disesuaikan dengan variasi pada
penugasan. Elektroda dibersihkan dengan menggunakan kertas abrasif di bawah aliran
air.
3. Perangkaian Alat
Alat dirangkai sedemikian sehingga sesuai dengan rangkaian alat pada Gambar 1.
4.2. Pengukuran Overpotensial Minimum
1. Sumber listrik dinyalakan pada tegangan minimum
2. Variasikan arus dengan memutar potensiometer pada sumber arus DC
3. Lakukan pembacaan terhadap amperemeter dan voltmeter setiap kenaikan 0,1 mA.
Overpotensial diperoleh ketika pembacaan tegangan bernilai sama 4 kali berturutturut.
4.3. Pengukuran Efsiensi Arus dan Konsumsi Energi
Setelah melakukan percobaan menentukan overpotensial minimum sehingga mendapatkan
kondisi yang menghasilkan overpotensial minimum paling kecil, elektrolisis air kemudian
ELS
8
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Elektrolisis Air
dilakukan pada kondisi yang bersangkutan dengan variasi potensial sel di atas potensial
minimum tersebut. Pada percobaan ini, data yang harus dicatat adalah:
1. Kondisi operasi, disesuaikan dengan kondisi yang menghasilkan overpotensial
minimum paling kecil.
2. Potensial sel, divariasikan 300 mV, 600 mV dan 900 mV di atas overpotensial
minimum.
3. Rapat arus, dicatat setiap detik dalam satu run elektrolisis menggunakan bantuan
software.
4. Elektrolisis dilakukan selama 3600 detik karena dianggap selama waktu tersebut rapat
arus sudah relatif stabil.
5. Jumlah gas hidrogen yang dihasilkan.
Diagram alir percobaan diperlihatkan dalam Gambar 2.
Gambar 2. Diagram Alir Percobaan
ELS
9
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
ELS
Elektrolisis Air
10
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Elektrolisis Air
DAFTAR PUSTAKA
Jean Besson et Jacques Guitton. 1972. Manipulations d’electrochimie, introduction a vla
theorie et a la pratique de la cinetique electrochimique. Paris: MASSON & CIE.
Pletcher, D. and Walsh, Frank C. 1993. Industrial Electrochemistry. Glasgow: Blackie
Academic & Professional.
Prentice, G. 1991. Electrochemical Engineering Principles, Prentice-Hall International, Inc.
ELS
11
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Elektrolisis Air
LAMPIRAN A
TABEL DATA MENTAH
A.1. Penentuan Overpotensial Minimum
Run keKatoda
Jenis elektrolit :
Konsentrasi
Temperatur
Tekanan
:
:
:
:
:
No
I (mA)
V (volt)
1
2
3
A.2. Penentuan Efisiensi Arus dan Konsumsi Energi
Run keKatoda
Jenis elektrolit :
Konsentrasi
Temperatur
Tekanan
H2 yang dihasilkan
:
:
:
:
:
:
Waktu (menit)
I (mA)
V (volt)
0
1
2
...
60
*gunakan bantuan software untuk mencatat data persatuan detik salama 1 jam (sekali run)
ELS
12
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Elektrolisis Air
LAMPIRAN B
PROSEDUR PERHITUNGAN
B.1. Perhitungan Volume H2SO4
Gunakan persamaan pengenceran untuk menghitung jumlah volume H2SO4 pekat yang
dibutuhkan untuk mencapai konsentrasi H2SO4 sesuai dengan penugasan.
V1 = V2 x M2 / M1
B.2. Perhitungan Muatan Listrik
Muatan listrik merupakan perkalian antara arus (A) dengan waktu (detik). Nilainya dihitung
dengan pendekatan grafik, yaitu menghitung luas di bawah kurva arus dan waktu. Metode
yang digunakan adalah metode trapesium.
∑
B.3. Perhitungan Efisiensi Arus
Untuk menghitung efisiesi arus, gunakan persamaan berikut.
∫
B.4. Perhitungan Konsumsi Energi per Satuan Volume H2
∫
∫
ELS
13
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Elektrolisis Air
LAMPIRAN C
SPESIFIKASI LITERATUR
C.1. Tetapan Faraday
F = 96.485,3 (C/ekivalen)
Sumber : bird, B. Byron. Transport Phenomena 2nd Ed. 2002. New York : John Wiley and
Sons, Inc.)
C.2. Tabel Potensial Standar
Reaksi ½ sel
3+
-
Potensial standar (V)
Au + 3e  Au
+1,420
O2 + 4H+ + 4e-  2H2O
+1,229
Pt2+ + 2e-  Pt
+1,2
Ag+ + e-  Ag
+0,800
3+
-
Fe + e  Fe
2+
+0,771
O2 + 2H2O + 4e-  4(OH-)
+0,401
Cu2+ + 2e-  Cu
+0,340
2H+ + 2e-  H2
0,000
Pb2+ + 2e-  Pb
-0,126
2+
-
Sn + 2e  Sn
-0,136
Ni2+ + 2e-  Ni
-0,250
Co2+ + 2e-  Co
-0,277
Cd2+ + 2e-  Cd
-0,403
Fe2+ + 2e-  Fe
-0,440
3+
-
Cr + 3e  Cr
-0,744
Zn2+ + 2e-  Zn
-0,763
2H2O + 2e-  H2 + 2(OH-)
-0,828
Al3+ + 3e-  Al
-1,662
Mg2+ + 2e-  Mg
-2,363
+
-
Na + e  Na
-2,714
K+ + e -  K
-2,924
Sumber : Callister, William D. Materials Science and Engineering : An Introduction 7 th Ed.
2002. New York : John Wiley and Sons, Inc.)
ELS
14
Laboratorium Instruksional Teknik Kimia
Elektrolisis Air
C.3. Tetapan Gas Ideal
R = 82,0578 cm3.atm/mol/K
Sumber : bird, B. Byron. Transport Phenomena 2nd Ed. 2002. New York : John Wiley and
Sons, Inc.)
C.4. Konduktivitas Listrik
Temukan konduktivitas listrik logam yang digunakan sebagai elektroda (sesuai dengan
penugasan)!
ELS
15