Nota Kimia T5 Bab 1: Keseimbangan Redoks SPM

Nota lengkap Keseimbangan Redoks Tingkatan 5 KSSM — tindak balas redoks, nombor pengoksidaan, keupayaan elektrod piawai E⁰, sel kimia Daniell, elektrolisis, penyaduran dan pengaratan.

1.1 Pengoksidaan dan Penurunan

Tindak balas redoks ialah tindak balas kimia yang melibatkan pengoksidaan dan penurunan berlaku secara serentak. Istilah redox berasal daripada Reduction + Oxidation.

4 Takrif Tindak Balas Redoks

TakrifPengoksidaanPenurunan
OksigenPenambahan O₂Kehilangan O₂
HidrogenKehilangan H₂Penambahan H₂
ElektronKehilangan elektronPenerimaan elektron
Nombor PengoksidaanNombor pengoksidaan bertambahNombor pengoksidaan berkurang
Contoh: 2Mg(p) + CO₂(g) → 2MgO(p) + C(p)
Mg dioksidakan (tambah O₂) → agen penurunan
CO₂ diturunkan (hilang O₂) → agen pengoksidaan

Menulis Setengah Persamaan

Agen Pengoksidaan & Agen Penurunan Biasa

Agen PengoksidaanSetengah Persamaan
KMnO₄ berasidMnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O
K₂Cr₂O₇ berasidCr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O
Air klorin, Cl₂Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻
Hidrogen peroksidaH₂O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → 2H₂O
FeCl₃Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺
Agen PenurunanSetengah Persamaan
KI2I⁻ → I₂ + 2e⁻
FeSO₄Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻
Logam reaktif (Zn)Zn → Zn²⁺ + 2e⁻
SO₂SO₂ + 2H₂O → SO₄²⁻ + 4H⁺ + 2e⁻

Penentuan Nombor Pengoksidaan — Garis Panduan

  1. Unsur bebas: nombor pengoksidaan = 0
  2. Ion monoatom = cas ion (Cu²⁺ = +2, Br⁻ = −1)
  3. Kumpulan 1 = +1, Kumpulan 2 = +2, Kumpulan 13 = +3 dalam sebatian
  4. Jumlah dalam sebatian = 0; dalam ion poliatom = cas ion
  5. H dalam sebatian = +1 (kecuali logam hidrida = −1)
  6. O dalam sebatian = −2 (kecuali peroksida = −1)
  7. Kumpulan 17: F sentiasa −1; Cl/Br/I = −1 kecuali terikat pada O

Penyesaran Logam (Siri Elektrokimia)

Logam yang lebih elektropositif (nilai E⁰ lebih negatif) boleh menyesarkan logam kurang elektropositif daripada larutan garamnya.

Zn(p) + Cu(NO₃)₂(ak) → Zn(NO₃)₂(ak) + Cu(p)

Penyesaran Halogen

Halogen yang berada lebih atas dalam Kumpulan 17 (lebih reaktif, agen pengoksidaan lebih kuat) menyesarkan halogen di bawah:

Cl₂(ak) + 2KBr(ak) → Br₂(ak) + 2KCl(ak)

1.2 Keupayaan Elektrod Piawai (E⁰)

Keupayaan elektrod piawai, E⁰ diukur pada keadaan piawai: kepekatan ion 1.0 mol dm⁻³, tekanan 1 atm, suhu 25°C, dengan elektrod hidrogen piawai sebagai rujukan (E⁰ = 0.00 V).

Siri Keupayaan Elektrod Piawai (pilihan)

Tindak balas sel setengah (penurunan)E⁰ / V
Li⁺ + e⁻ ⇌ Li−3.04
K⁺ + e⁻ ⇌ K−2.92
Mg²⁺ + 2e⁻ ⇌ Mg−2.38
Al³⁺ + 3e⁻ ⇌ Al−1.66
Zn²⁺ + 2e⁻ ⇌ Zn−0.76
Fe²⁺ + 2e⁻ ⇌ Fe−0.44
2H⁺ + 2e⁻ ⇌ H₂0.00
Cu²⁺ + 2e⁻ ⇌ Cu+0.34
I₂ + 2e⁻ ⇌ 2I⁻+0.54
Fe³⁺ + e⁻ ⇌ Fe²⁺+0.77
Ag⁺ + e⁻ ⇌ Ag+0.80
Cl₂ + 2e⁻ ⇌ 2Cl⁻+1.36
MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ ⇌ Mn²⁺ + 4H₂O+1.52
Petua: Nilai E⁰ lebih positif → ion di sebelah kiri = agen pengoksidaan lebih kuat.
Nilai E⁰ lebih negatif → atom di sebelah kanan = agen penurunan lebih kuat.

1.3 Sel Kimia

Sel kimia (sel voltan / sel galvani) menukarkan tenaga kimia kepada tenaga elektrik melalui tindak balas redoks.

ElektrodTindak BalasTerminal
AnodPengoksidaan (E⁰ lebih negatif)Negatif (−)
KatodPenurunan (E⁰ lebih positif)Positif (+)

Sel Daniell (Zn / Cu)

Notasi Sel

Elektrod(p) | Elektrolit(ak) ‖ Elektrolit(ak) | Elektrod(p)
Anod (terminal −)              Katod (terminal +)
Contoh: Zn(p) | Zn²⁺(ak) ‖ Cu²⁺(ak) | Cu(p)

Titian garam / pasu berliang berfungsi untuk melengkapkan litar elektrik dan mengekalkan kecairan cas dalam kedua-dua larutan.

1.4 Sel Elektrolisis

Elektrolisis ialah proses penguraian elektrolit kepada unsur juzuknya apabila arus elektrik dialirkan. Ia menukarkan tenaga elektrik kepada tenaga kimia.

Sel KimiaSel Elektrolisis
Sumber tenagaTindak balas kimiaBekalan elektrik luaran
Tenaga ditukarKimia → ElektrikElektrik → Kimia
AnodTerminal negatifDisambung ke terminal positif bateri
KatodTerminal positifDisambung ke terminal negatif bateri

Elektrolisis Leburan (contoh: PbBr₂ lebur)

3 Faktor Pemilihan Ion dalam Larutan Akueus

FaktorElektrodPrinsip
Nilai E⁰KatodKation E⁰ lebih positif dinyahcas dahulu
Nilai E⁰AnodAnion E⁰ kurang positif dinyahcas dahulu
Kepekatan larutanAnodIon halida kepekatan tinggi dinyahcas walaupun E⁰ lebih positif
Jenis elektrod aktifAnodElektrod aktif (Cu, Ag) larut — tiada anion dinyahcas

Contoh: Elektrolisis CuSO₄(ak) elektrod karbon

Penyaduran Elektrolisis

Penulenan Kuprum

1.5 Pengekstrakan Logam daripada Bijihannya

LogamSumberKaedahPersamaan
Aluminium (Al)Bauksit (Al₂O₃)Elektrolisis leburanAl₂O₃ → 2Al + 1½O₂
Ferum (Fe)Hematit (Fe₂O₃)Penurunan karbon (relau bagas)Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
Plumbum (Pb)Galena (PbS)Pemanggangan + penurunan karbon2PbO + C → 2Pb + CO₂
Natrium (Na)NaCl leburElektrolisis (sel Downs)Na⁺ + e⁻ → Na
Tembaga (Cu)Kalkopirit (CuFeS₂)Peleburan + penulenan elektrolisis—

1.6 Pengaratan

Pengaratan ialah proses pengoksidaan ferum, Fe oleh oksigen dan air menghasilkan karat (ferum(III) oksida terhidrat, Fe₂O₃·xH₂O).

Syarat Pengaratan

Kaedah Pencegahan Pengaratan

KaedahContohCara Kerja
Salutan galvani (zink)Tin besi disalut zinkPenghalang fizikal + perlindungan galvanik
Salutan cat/minyakJambatan, badan keretaMenghalang sentuhan air & O₂
Salutan logam lain (nikel, krom)Faucet, roda keretaPenghalang fizikal
Perlindungan galvanikBlok magnesium pada saluran paipLogam lebih elektropositif berkorban
AloiKeluli nirkarat (Fe + Cr + Ni)Cr₂O₃ membentuk lapisan pelindung
Perlindungan Galvanik: Logam yang lebih elektropositif (E⁰ lebih negatif) seperti Zn atau Mg menjadi anod dan dikorbankan, melindungi ferum daripada teroksida.

Soalan lazim

Apakah perbezaan antara agen pengoksidaan dan agen penurunan?

Agen pengoksidaan mengoksidakan bahan lain dan diturunkan sendiri (menerima elektron). Agen penurunan menurunkan bahan lain dan dioksidakan sendiri (membebaskan elektron). Nilai E⁰ lebih positif → agen pengoksidaan lebih kuat; nilai E⁰ lebih negatif → agen penurunan lebih kuat.

Bagaimana menentukan terminal negatif (anod) dan terminal positif (katod) dalam sel kimia?

Elektrod dengan nilai E⁰ lebih negatif ialah anod (terminal negatif, tempat pengoksidaan berlaku). Elektrod dengan nilai E⁰ lebih positif ialah katod (terminal positif, tempat penurunan berlaku). Elektron mengalir dari anod ke katod melalui wayar.

Bagaimana cara mengira voltan sel kimia?

E⁰sel = E⁰(katod) − E⁰(anod). Contoh sel Daniell: E⁰sel = (+0.34) − (−0.76) = +1.10 V. Nilai positif mengesahkan tindak balas berlaku secara spontan.

Apakah 3 faktor yang mempengaruhi hasil elektrolisis larutan akueus?

(1) Nilai E⁰ — kation E⁰ lebih positif dinyahcas di katod; anion E⁰ kurang positif dinyahcas di anod. (2) Kepekatan larutan — ion halida kepekatan tinggi dinyahcas di anod walaupun E⁰ lebih positif. (3) Jenis elektrod — elektrod aktif seperti kuprum larut di anod; tiada anion dinyahcas.

Mengapa aluminium diekstrak melalui elektrolisis bukan penurunan karbon?

Aluminium adalah logam yang sangat reaktif (E⁰ = −1.66 V) dan lebih elektropositif daripada karbon. Karbon tidak dapat menurunkan Al₂O₃. Oleh itu, elektrolisis leburan bauksit (Al₂O₃) digunakan menggunakan elektrod karbon dalam proses Hall-Héroult.