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 2.1 Kalorimeter 2.2 Muatan Haba Definisi dan contoh Activities Termokimia 2.3 Muatan Haba tentu dan Muatan Haba Molar Definisi dan contoh 2.4 Contoh Pengiraan
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. Termometer Penutup Bekas Penebat Pengacau 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
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. Termometer Air Sampel yang dibakar Penebat Cawan sampel Bom keluli Rajah 2: Kalorimeter Bom Rajah 3: Keratan Rentas Kalorimeter Bom
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 1 o C. C = q T C : Muatan haba q : Kuantiti haba yang dipindahkan T: Perubahan suhu 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.
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 1 o C. Berkait rapat dengan haba tentu ialah muatan haba molar ( C m ) iaitu kuantiti haba yang diperlukan untuk menaikkan suhu bagi 1 mol bahan sebanyak 1 0 C. 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 o C. Hitung kuantiti haba yang dibebaskan dalam tindakbalas ini. (Haba tertentu larutan: 4.18Jg -1 o C -1 ) Penyelesaian: Jisim larutan = 10 ml + 10 ml = 20 ml = 20 g Haba tentu = 4.18Jg -1 o C -1 Perubahan suhu = 32.6 25 = 7.6 o C Kuantiti haba yang dibebaskan = 20 g x 4.18Jg -1 o C -1 x 7.6 o C = 6.4 x 10 2 J Contoh 2 Anggapkan Coca Cola mempunyai haba tentu yang sama dengan air iaitu 4.18Jg -1 o C -1 Hitungkan kuantiti haba yang dibebaskan apabila 350 g Coca Cola disejukkan dari 25 o C kepada 3 o C
Penyelesaian: Kuantiti haba yang dibebaskan = 350 g x 4.18Jg -1 o C 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 o C 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 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 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.
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. Penutup Bekas zink (Anod) Pasta MnO 2 (katod) Rod karbon Pasta NH 4 Cl + ZnCl 2 (elektrolit) Rajah 1: Bateri Kering
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) Zn 2+ (ak) + 2 e - Elektrod positif: Ion ammonium dalam elektrolit akan menerima elektron di terminal ini dan berlaku tindakbalas seperti berikut: 2NH + 4 (ak) + 2 e - H 2 (g) + 2NH 3 (ak) 2MnO 2 (p) + H 2 (g) Mn 2 O 3 (p) + H 2 O(c) Gas ammonia akan bergabung dengan ion zink membentuk ion komplek Zn(NH 3 ) 2+ 2. Tindakbalas keseluruhannya adalah: Zn(p) + 2MnO 2 (p) + 2NH 4 + (ak) Mn 2 O 3 (p) + Zn(NH 3 ) 2 2+ (ak) + H 2 O(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 zinkkarbon. Yang berbezanya ialah elektrolitnya yang diperbuat daripad zink klorida sahaja. Tindakbalas keseluruhan dalam bateri zink klorida ialah Zn(p) + 2 MnO 2 (p) + ZnCl 2 (ak) + 2 H 2 O(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) + H 2 O (c) + 2e - Katod (+) 2 MnO 2 (p) + 2e - + H 2 O ( c) -------> Mn 2 O 3 (p) + 2 OH - (ak) Penutup anod Serbuk zink (Anod) + Kalium hidroksida, KOH (elektrolit) Gasket Bekas Pemisah MnO 2 (Katod) + Kalium hidroksida, KOH (elektrolit) Rajah 2: Bateri Alkali
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. PbO 2 ditampal dalam jaringan Pb (katod) Pb ditampal dalam jaringan Pb (anod) Pemisah 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.
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. Katod Anod 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 Discas Katod Cas Rajah 6 : Proses Dalam bateri Ion Litium Anod: 6C (p) + xli + (ak) + xe - cas discas Li x C 6 (ak) Katod: LiCoO 2 (ak) + xe - c. Bateri bahan api cas discas Li 1-x CoO 2 (ak) + xli + (ak) 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.
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: 2H 2 (g) + 4OH - (ak) 4H 2 O (c) + 4e (Pengoksidaan) Katod: O 2 (g) + 2H 2 O (c ) + 4e 4OH - (ak) (Penurunan) 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O (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 Sel nikel-kadmium Beroperasi dengan prinsip yang sama seperti akumulator asid-plumbum, tetapi menggunakan bahan kimia yang berlainan. Zink Kadmium Merkuri (II) oksida Nikel (IV) oksida Campuran zink hidroksida dan larutan kalium hidroksida Larutan kalium hidroksida Digunakan dalam jam tangan dan kamera Digunakan dalam alat-alat elektrik seperti gerudi, peralatan di taman, dan alatalat 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) M n+ (ak) + ne - (pengoksidaan) Sebagai contoh jika magnesium, Mg, kehilangan elektron untuk membentuk ion magnesium, Mg 2+, magnesium dikatakan terkakis dan menipis sedikit demi sedikit. Mg (p) Mg 2+ (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 keduadua 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.
Titisan air OH - Fe 2+ OH - Katod Katod O 2 + 2H 2 O+ 4e - 4OH - Anod O 2 + 2H 2 O+ 4e - 4OH - Fe Fe 2+ + 2e - Besi Peringkat 1 Di pusat titisan air (anod/terminal negatif), besi, Fe, kehilangan elektron dan dioksidakan kepada ion ferum (II), Fe 2+. Ion ferum(ii), Fe 2+ terlarut dalam air. Besi terkakis. Anod: Fe Fe 2+ + 2e - Peringkat [Type a 2 Elektron yang terbebas oleh besi, Fe, mengalir ke pinggir titisan air melalui besi. Peringkat 3 Di pinggir titisan air (katod/terminal positif), elekton diterima oleh oksigen terlarut dan air, dan diturunkan kepada ion hidroksida, OH -. Katod: O 2 (g)+ 2H 2 O(ce)+ 4e - 4OH - (ak) (penurunan)
Peringkat 4 Ion ferum(ii), Fe 2+, dan ion hidroksida, OH -, bergabung membentuk pepejal hijau ferum(ii) hidroksida, Fe(OH) 2 Fe 2+ (ak) + 2OH - (ak) Fe(OH) 2 (p) Peringkat 5 Ferum(II) hidroksida, Fe(OH) 2, kemudian dioksidakan oleh oksigen dalam udara kepada pepejal perang ferum(iii) oksida terhidrat, Fe 2 O 3. xh 2 O (karat) 2Fe(OH) 2 (p) oksigen di udara Fe 2 O 3. xh 2 O (p) karat 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.
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, SO 2, nitrogen dioksida, NO 2, dan hidrogen sulfida, H 2 S, 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. Lapisan air O 2 + 2 H 2 O 4OH - Stanum Besi Fe Fe 2+ 2e 2e Fe Fe 2+ Rajah 9: Penyaduran Besi dengan Stanum
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), Fe 2+. Fe (p) Fe 2+ (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 -. O 2 (g)+ 2H 2 O(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.
Lapisan air O 2 + 2 H 2 O 4OH - Zink Zn Zn 2+ 2e Zn Zn 2+ 2e Besi 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, Zn 2+. Zn (p) Zn 2+ (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 -. O 2 (g)+ 2H 2 O(ce)+ 4e - 4OH - (ak) (penurunan) d) Ion zink, Zn 2+, 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
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) Mg 2+ (ak) + 2e Katod: O 2 (g) + 4H + (ak) + 4e 2H 2 O (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 10 4 J o C 1. Suhu awal kalorimeter adalah 25.000 o C dan selepas tindakbalas suhu akhir kalorimeter menjadi 25.155 o C. Hitung kuantiti haba yang dibebaskan semasa tindakbalas antara H 2 dan O 2 bagi membentuk 1 mol H 2 O. (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. (8 th 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. (3 rd 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