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
| Takrif | Pengoksidaan | Penurunan |
|---|---|---|
| Oksigen | Penambahan O₂ | Kehilangan O₂ |
| Hidrogen | Kehilangan H₂ | Penambahan H₂ |
| Elektron | Kehilangan elektron | Penerimaan elektron |
| Nombor Pengoksidaan | Nombor pengoksidaan bertambah | Nombor 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
- Pengoksidaan: Fe²⁺(ak) → Fe³⁺(ak) + e⁻
- Penurunan: MnO₄⁻(ak) + 8H⁺(ak) + 5e⁻ → Mn²⁺(ak) + 4H₂O(ce)
- Seimbangkan atom, kemudian tambah elektron untuk seimbangkan cas.
Agen Pengoksidaan & Agen Penurunan Biasa
| Agen Pengoksidaan | Setengah Persamaan |
|---|---|
| KMnO₄ berasid | MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O |
| K₂Cr₂O₇ berasid | Cr₂O₇²⁻ + 14H⁺ + 6e⁻ → 2Cr³⁺ + 7H₂O |
| Air klorin, Cl₂ | Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻ |
| Hidrogen peroksida | H₂O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → 2H₂O |
| FeCl₃ | Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺ |
| Agen Penurunan | Setengah Persamaan |
|---|---|
| KI | 2I⁻ → I₂ + 2e⁻ |
| FeSO₄ | Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻ |
| Logam reaktif (Zn) | Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ |
| SO₂ | SO₂ + 2H₂O → SO₄²⁻ + 4H⁺ + 2e⁻ |
Penentuan Nombor Pengoksidaan — Garis Panduan
- Unsur bebas: nombor pengoksidaan = 0
- Ion monoatom = cas ion (Cu²⁺ = +2, Br⁻ = −1)
- Kumpulan 1 = +1, Kumpulan 2 = +2, Kumpulan 13 = +3 dalam sebatian
- Jumlah dalam sebatian = 0; dalam ion poliatom = cas ion
- H dalam sebatian = +1 (kecuali logam hidrida = −1)
- O dalam sebatian = −2 (kecuali peroksida = −1)
- 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⁻ ⇌ H₂ | 0.00 |
| 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.
| Elektrod | Tindak Balas | Terminal |
|---|---|---|
| Anod | Pengoksidaan (E⁰ lebih negatif) | Negatif (−) |
| Katod | Penurunan (E⁰ lebih positif) | Positif (+) |
Sel Daniell (Zn / Cu)
- Anod: Zn(p) → Zn²⁺(ak) + 2e⁻ (E⁰ = −0.76 V)
- Katod: Cu²⁺(ak) + 2e⁻ → Cu(p) (E⁰ = +0.34 V)
- Persamaan ion: Zn(p) + Cu²⁺(ak) → Zn²⁺(ak) + Cu(p)
- Voltan sel: E⁰sel = E⁰(katod) − E⁰(anod) = (+0.34) − (−0.76) = +1.10 V
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 Kimia | Sel Elektrolisis | |
|---|---|---|
| Sumber tenaga | Tindak balas kimia | Bekalan elektrik luaran |
| Tenaga ditukar | Kimia → Elektrik | Elektrik → Kimia |
| Anod | Terminal negatif | Disambung ke terminal positif bateri |
| Katod | Terminal positif | Disambung ke terminal negatif bateri |
Elektrolisis Leburan (contoh: PbBr₂ lebur)
- Anod: 2Br⁻ → Br₂(g) + 2e⁻ → gas perang bromin
- Katod: Pb²⁺ + 2e⁻ → Pb(p) → pepejal kelabu plumbum
3 Faktor Pemilihan Ion dalam Larutan Akueus
| Faktor | Elektrod | Prinsip |
|---|---|---|
| Nilai E⁰ | Katod | Kation E⁰ lebih positif dinyahcas dahulu |
| Nilai E⁰ | Anod | Anion E⁰ kurang positif dinyahcas dahulu |
| Kepekatan larutan | Anod | Ion halida kepekatan tinggi dinyahcas walaupun E⁰ lebih positif |
| Jenis elektrod aktif | Anod | Elektrod aktif (Cu, Ag) larut — tiada anion dinyahcas |
Contoh: Elektrolisis CuSO₄(ak) elektrod karbon
- Katod: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (pepejal perang) — E⁰ Cu²⁺ lebih positif dari H⁺
- Anod: 4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻ (gelembung gas) — E⁰ OH⁻ kurang positif dari SO₄²⁻
Penyaduran Elektrolisis
- Objek yang disalut → katod
- Logam penyalut → anod aktif
- Larutan garam logam penyalut → elektrolit
- Contoh: penyaduran perak — objek jadi katod, logam perak jadi anod, larutan AgNO₃ jadi elektrolit
Penulenan Kuprum
- Kuprum tidak tulen → anod (larut)
- Kuprum tulen → katod (terenap)
- Larutan CuSO₄ → elektrolit
- Kekotoran (logam kurang aktif) terenap di bawah anod
1.5 Pengekstrakan Logam daripada Bijihannya
| Logam | Sumber | Kaedah | Persamaan |
|---|---|---|---|
| Aluminium (Al) | Bauksit (Al₂O₃) | Elektrolisis leburan | Al₂O₃ → 2Al + 1½O₂ |
| Ferum (Fe) | Hematit (Fe₂O₃) | Penurunan karbon (relau bagas) | Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ |
| Plumbum (Pb) | Galena (PbS) | Pemanggangan + penurunan karbon | 2PbO + C → 2Pb + CO₂ |
| Natrium (Na) | NaCl lebur | Elektrolisis (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
- Kedua-dua air dan oksigen mesti hadir — satu sahaja tidak mencukupi
- Proses dipercepatkan oleh elektrolit (air masin), asid, pH rendah, kelembapan tinggi
Kaedah Pencegahan Pengaratan
| Kaedah | Contoh | Cara Kerja |
|---|---|---|
| Salutan galvani (zink) | Tin besi disalut zink | Penghalang fizikal + perlindungan galvanik |
| Salutan cat/minyak | Jambatan, badan kereta | Menghalang sentuhan air & O₂ |
| Salutan logam lain (nikel, krom) | Faucet, roda kereta | Penghalang fizikal |
| Perlindungan galvanik | Blok magnesium pada saluran paip | Logam lebih elektropositif berkorban |
| Aloi | Keluli 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.