Pembahasan Soal Hubungan Termokimia dan Sel Elektrokimia (Setara Soal Olimpiade)

Berikut ini pembahasan soal yang dapat digunakan untuk persiapan olimpiade kimia. Bahasan dalam soal melibatkan hubungan antara termokimia dan sel elektrokimia. Soal-soal yang disajikan mencakup model kuantitatif, dan kualitatif. Soal bersifat kontekstual yang diadaptasi dari berbagai sumber.

Soal 1

Sebuah sel elektrokimia dibuat dengan elektrode tembaga (Cu) dan seng (Zn) dalam larutan elektrolit masing-masing CuSO4 1 M dan ZnSO4 1 M pada suhu 25°C. Reaksi selnya adalah:

\[ \ce{Zn(s) + Cu^{2+}(aq) -> Zn^{2+}(aq) + Cu(s)} \]

Diketahui:

Entalpi standar pembentukan ($ \Delta H_f^\circ $):

$ \ce{Zn^{2+}(aq)} = -152,4 \, \text{kJ/mol} $
$ \ce{Cu^{2+}(aq)} = +64,4 \, \text{kJ/mol} $

Potensial standar reduksi:

$ \ce{Cu^{2+}/Cu} = +0,34 \, \text{V} $
$ \ce{Zn^{2+}/Zn} = -0,76 \, \text{V} $

Konstanta Faraday ($ F $) = 96.485 C/mol
$ R = 8,314 \, \text{J/mol.K} $

Pertanyaan:

Hitung perubahan entalpi standar ($ \Delta H^\circ $) untuk reaksi sel di atas!
Tentukan potensial sel standar ($ E^\circ_{\text{sel}} $) dan perubahan energi bebas standar ($\Delta G^\circ $) reaksi!
Jika sel dioperasikan pada suhu 35°C, bagaimana pengaruhnya terhadap nilai $ \Delta G^\circ $? Jelaskan secara kuantitatif!

Perubahan Entalpi Standar ($ \Delta H^\circ $):
Rumus: \[ \Delta H^\circ = \sum \Delta H_f^\circ (\text{produk}) - \sum \Delta H_f^\circ (\text{reaktan}) \]
Produk: $ \ce{Zn^{2+}(aq) + Cu(s)} $;
Reaktan: $ \ce{Zn(s) + Cu^{2+}(aq)} $
$ \Delta H_f^\circ \ce{Cu(s)} $ dan $ \ce{Zn(s)} = 0 $ (unsur bebas) \[ \Delta H^\circ = [-152,4 + 0] - [0 + 64,4] = -152,4 - 64,4 = -216,8 \, \text{kJ/mol} \]
Potensial Sel Standar ($ E^\circ_{\text{sel}} $) dan $ \Delta G^\circ $: \[ E^\circ_{\text{sel}} = E^\circ_{\text{katode}} - E^\circ_{\text{anode}} = 0,34 - (-0,76) = 1,10 \, \text{V} \] \[ \Delta G^\circ = -n F E^\circ_{\text{sel}}; \text{n = 2 (elektron yang ditransfer)}\] \[ \Delta G^\circ = -2 \times 96.485 \times 1,10 = -212.267 \, \text{J/mol} = -212,3 \, \text{kJ/mol} \]
Pengaruh Suhu 35°C pada $ \Delta G^\circ $: Gunakan: \[ \Delta G^\circ = \Delta H^\circ - T \Delta S^\circ \] Dari $ \Delta G^\circ = -212,3 \, \text{kJ/mol} $, $ \Delta H^\circ = -216,8 \, \text{kJ/mol} $ pada 298 K:
\[ -212,3 = -216,8 - 298 \times \Delta S^\circ \] \[ \Delta S^\circ = \frac{-212,3 + 216,8}{298} = 0,0151 \, \text{kJ/mol.K} = 15,1 \, \text{J/mol.K}\] Pada 308 K:
\[ \Delta G^\circ = -216,8 - 308 \times 0,0151 = -216,8 - 4,65 = -221,45 \, \text{kJ/mol} \] Kesimpulan: Kenaikan suhu membuat $ \Delta G^\circ $ lebih negatif, reaksi lebih spontan.

Soal 2

Sebuah sel volta eksperimental menggunakan elektrode kobalt (Co) dan perak (Ag) dalam larutan CoSO4 1 M dan AgNO3 1 M pada 25°C. Reaksi selnya adalah:

\[ \ce{Co(s) + 2Ag^{+}(aq) -> Co^{2+}(aq) + 2Ag(s)} \]

Diketahui:

Entalpi standar pembentukan ($ \Delta H_f^\circ $):

$ \ce{Co^{2+}(aq)} = -58,2 \, \text{kJ/mol} $
$ \ce{Ag^{+}(aq)} = +105,6 \, \text{kJ/mol} $

Entropi standar pembentukan ($ \Delta S_f^\circ $):

$ \ce{Co^{2+}(aq)} = -113,0 \, \text{J/mol.K} $
$ \ce{Ag^{+}(aq)} = 72,7 \, \text{J/mol.K} $
$ \ce{Co(s)} = 30,0 \, \text{J/mol.K} $
$ \ce{Ag(s)} = 42,6 \, \text{J/mol.K} $

Potensial standar reduksi:

$ \ce{Ag^{+}/Ag} = +0,80 \, \text{V} $
$ \ce{Co^{2+}/Co} = -0,28 \, \text{V} $

Konstanta Faraday ($ F $) = 96.485 C/mol
$ R = 8,314 \, \text{J/mol.K} $

Pertanyaan:

Hitung perubahan entropi standar ($ \Delta S^\circ $) reaksi sel!
Tentukan apakah reaksi tetap spontan pada suhu 50°C! Gunakan hubungan termodinamika dan potensial sel untuk verifikasi.
Jika konsentrasi $ \ce{Ag^{+}} $ dikurangi menjadi 0,1 M, bagaimana pengaruhnya terhadap spontanitas reaksi pada 25°C? Jelaskan secara kuantitatif!

Perubahan Entropi Standar ($ \Delta S^\circ $): Rumus: \[ \Delta S^\circ = \sum \Delta S_f^\circ (\text{produk}) - \sum \Delta S_f^\circ (\text{reaktan}) \] Produk: $ \ce{Co^{2+}(aq) + 2Ag(s)} $; Reaktan: $ \ce{Co(s) + 2Ag^{+}(aq)} $ \[ \Delta S^\circ = [-113,0 + 2 \times 42,6] - [30,0 + 2 \times 72,7] \] \[ = [-113,0 + 85,2] - [30,0 + 145,4] = -27,8 - 175,4 = -203,2 \, \text{J/mol.K} \]
Spontanitas pada 50°C (323 K): Hitung $ E^\circ_{\text{sel}} $: \[ E^\circ_{\text{sel}} = 0,80 - (-0,28) = 1,08 \, \text{V}\] \[ \Delta G^\circ_{298} = -n F E^\circ_{\text{sel}} = -2 \times 96.485 \times 1,08 = -208,4 \, \text{kJ/mol} \] Hitung $ \Delta H^\circ $: \[ \Delta H^\circ = [-58,2 + 0] - [0 + 2 \times 105,6] = -58,2 - 211,2 = -269,4 \, \text{kJ/mol} \] \[ \Delta G^\circ_{323} = \Delta H^\circ - T \Delta S^\circ = -269,4 - 323 \times (-0,2032) = -269,4 + 65,6 = -203,8 \, \text{kJ/mol} \] Karena $ \Delta G^\circ_{323} < 0 $, reaksi tetap spontan.
Verifikasi: $E^\circ_{\text{sel}} \approx \text{konstan}$, spontanitas konsisten.
Pengaruh Konsentrasi $ \ce{Ag^{+}} = 0,1 \, \text{M} $: Gunakan persamaan Nernst: \[ E_{\text{sel}} = E^\circ_{\text{sel}} - \frac{0,0592}{n} \log Q \] \[ Q = \frac{[\ce{Co^{2+}}]}{[\ce{Ag^{+}}]^2} = \frac{1}{(0,1)^2} = 100 \] \[ E_{\text{sel}} = 1,08 - \frac{0,0592}{2} \log 100 = 1,08 - 0,0296 \times 2 = 1,02 \, \text{V} \] Karena $ E_{\text{sel}} > 0 $, reaksi tetap spontan, tetapi potensial menurun.

Soal 3

Sebuah sel bahan bakar metanol beroperasi dengan reaksi:

\[ \ce{CH3OH(l) + 3/2 O2(g) -> CO2(g) + 2H2O(l)} \]

Diketahui:

Entalpi standar pembentukan ($ \Delta H_f^\circ $):

$ \ce{CH3OH(l)} = -238,7 \, \text{kJ/mol} $
$ \ce{CO2(g)} = -393,5 \, \text{kJ/mol} $
$ \ce{H2O(l)} = -285,8 \, \text{kJ/mol} $

Energi bebas standar pembentukan ($ \Delta G_f^\circ $):

$ \ce{CH3OH(l)} = -166,6 \, \text{kJ/mol} $
$ \ce{CO2(g)} = -394,4 \, \text{kJ/mol} $
$ \ce{H2O(l)} = -237,1 \, \text{kJ/mol} $

Entropi standar pembentukan ($ \Delta S_f^\circ $):

$ \ce{CH3OH(l)} = 126,8 \, \text{J/mol.K} $
$ \ce{CO2(g)} = 213,7 \, \text{J/mol.K} $
$ \ce{H2O(l)} = 69,9 \, \text{J/mol.K} $
$ \ce{O2(g)} = 205,1 \, \text{J/mol.K} $

Konstanta Faraday ($ F $) = 96.485 C/mol
$ R = 8,314 \, \text{J/mol.K} $

Pertanyaan:

Hitung efisiensi termodinamika maksimum sel pada 25°C!
Jika sel menghasilkan arus 2 A selama 1 jam, berapa massa metanol yang dikonsumsi?

Efisiensi Termodinamika: \[ \Delta H^\circ = [-393,5 + 2 \times (-285,8)] - [-238,7 + 0] = -965,1 + 238,7 = -726,4 \, \text{kJ/mol} \] \[ \Delta G^\circ = [-394,4 + 2 \times (-237,1)] - [-166,6 + 0] = -868,6 + 166,6 = -702,0 \, \text{kJ/mol} \] \[ \eta = \frac{|\Delta G^\circ|}{|\Delta H^\circ|} \times 100\% = \frac{702,0}{726,4} \times 100\% = 96,64\% \]
Massa Metanol:
Elektron per mol metanol: 6 (oksidasi C dari -2 ke +4). Muatan: \[ Q = I \times t = 2 \times 3600 = 7200 \, \text{C} \] Mol elektron: \[ \frac{7200}{96.485} = 0,0746 \, \text{mol} \] Mol metanol: \[ \frac{0,0746}{6} = 0,0124 \, \text{mol} \] Massa: \[ 0,0124 \times 32 = 0,397 \, \text{g} \]

Soal 4

Sebuah sel elektrolisis digunakan untuk menghasilkan aluminium dari bauksit, dengan reaksi katode:

\[ \ce{Al^{3+}(aq) + 3e^- -> Al(s)} \]

Diketahui:

$ \Delta H_f^\circ \ce{Al^{3+}(aq)} = -531,0 \, \text{kJ/mol} $
$ \Delta G_f^\circ \ce{Al^{3+}(aq)} = -485,0 \, \text{kJ/mol} $
$ \Delta S_f^\circ \ce{Al^{3+}(aq)} = -321,7 \, \text{J/mol.K} $
$ \Delta S_f^\circ \ce{Al(s)} = 28,3 \, \text{J/mol.K} $
$ F = 96.485 \, \text{C/mol} $

Pertanyaan:

Hitung potensial reduksi standar ($ E^\circ $) untuk reaksi katode!
Berapa perubahan entropi proses pada 25°C?
Jika suhu meningkat ke 100°C, bagaimana pengaruhnya terhadap potensial katode?

Potensial Reduksi Standar: \[ \Delta G^\circ = \Delta G_f^\circ \ce{Al(s)} - \Delta G_f^\circ \ce{Al^{3+}(aq)} = 0 - (-485,0) = 485,0 \, \text{kJ/mol} \] \[ \Delta G^\circ = -n F E^\circ ; n = 3 \] \[ 485,0 \times 10^3 = -3 \times 96.485 \times E^\circ \] \[ E^\circ = -1,68 \, \text{V} \]
Perubahan Entropi:< \[ \Delta S^\circ = \Delta S_f^\circ \ce{Al(s)} - \Delta S_f^\circ \ce{Al^{3+}(aq)} = 28,3 - (-321,7) = 350,0 \, \text{J/mol.K} \]
Pengaruh Suhu 100°C (373 K): \[ \Delta G^\circ = \Delta H^\circ - T \Delta S^\circ \] \[ \Delta H^\circ = 0 - (-531,0) = 531,0 \, \text{kJ/mol} \] \[ \Delta G^\circ_{373} = 531,0 - 373 \times 0,3500 = 531,0 - 130,6 = 400,4 \, \text{kJ/mol} \] \[ E^\circ_{373} = -\frac{400,4 \times 10^3}{3 \times 96.485} = -1,38 \, \text{V} \] Potensial menjadi kurang negatif, reaksi lebih mudah.

Soal 5

Sebuah sel volta berbasis mangan dan nikel beroperasi dengan reaksi:

\[ \ce{Mn(s) + Ni^{2+}(aq) -> Mn^{2+}(aq) + Ni(s)} \]

Diketahui:

$ \Delta H_f^\circ \ce{Mn^{2+}(aq)} = -220,8 \, \text{kJ/mol} $
$ \Delta H_f^\circ \ce{Ni^{2+}(aq)} = -54,0 \, \text{kJ/mol} $
$ E^\circ \ce{Ni^{2+}/Ni} = -0,25 \, \text{V} $
$ E^\circ \ce{Mn^{2+}/Mn} = -1,18 \, \text{V} $
$ F = 96.485 \, \text{C/mol} $
$ R = 8,314 \, \text{J/mol.K} $

Pertanyaan:

Hitung konstanta kesetimbangan ($ K $) reaksi pada 25°C!
Berapa perubahan entalpi reaksi?
Jika sel dioperasikan dengan arus 1 A, berapa waktu yang diperlukan untuk menghasilkan 1 g nikel?

Konstanta Kesetimbangan: \[ E^\circ_{\text{sel}} = -0,25 - (-1,18) = 0,93 \, \text{V} \] \[ \Delta G^\circ = -n F E^\circ_{\text{sel}} = -2 \times 96.485 \times 0,93 = -179,5 \, \text{kJ/mol}\] \[ \Delta G^\circ = -R T \ln K \] \[ -179,5 \times 10^3 = -8,314 \times 298 \times \ln K \] \[ \ln K = 72,43 \] \[ K \approx 4,54 \times 10^{31} \]
Perubahan Entalpi: \[ \Delta H^\circ = [-220,8 + 0] - [0 + (-54,0)] = -220,8 + 54,0 = -166,8 \, \text{kJ/mol} \]
Waktu untuk 1 g Nikel: Massa molar Ni = 58,7 g/mol. Mol Ni: \[ \frac{1}{58,7} = 0,017 \, \text{mol} \] Elektron: $ n = 2 $, total muatan: \[ 0,017 \times 2 \times 96.485 = 3280,5 \, \text{C} \] Waktu: \[ t = \frac{3280,5}{1} = 3280,5 \, \text{s} \approx 54,7 \, \text{menit} \]

Soal 6

Sebuah sel elektrokimia berbasis besi dan timbal digunakan dalam sistem penyimpanan energi, dengan reaksi:

\[ \ce{Fe(s) + Pb^{2+}(aq) -> Fe^{2+}(aq) + Pb(s)} \]

Diketahui:

$ \Delta H_f^\circ \ce{Fe^{2+}(aq)} = -87,9 \, \text{kJ/mol} $
$ \Delta H_f^\circ \ce{Pb^{2+}(aq)} = -1,7 \, \text{kJ/mol} $
$ \Delta S_f^\circ \ce{Fe^{2+}(aq)} = -137,7 \, \text{J/mol.K} $
$ \Delta S_f^\circ \ce{Pb^{2+}(aq)} = 10,5 \, \text{J/mol.K} $
$ \Delta S_f^\circ \ce{Fe(s)} = 27,3 \, \text{J/mol.K} $
$ \Delta S_f^\circ \ce{Pb(s)} = 64,8 \, \text{J/mol.K} $
$ E^\circ \ce{Pb^{2+}/Pb} = -0,13 \, \text{V} $
$ E^\circ \ce{Fe^{2+}/Fe} = -0,44 \, \text{V} $

Pertanyaan:

Hitung suhu di mana reaksi menjadi non-spontan!
Berapa perubahan entalpi reaksi?

Suhu Non-Spontan: \[ E^\circ_{\text{sel}} = -0,13 - (-0,44) = 0,31 \, \text{V} \] \[ \Delta G^\circ = -2 \times 96.485 \times 0,31 = -59,8 \, \text{kJ/mol} \] \[ \Delta H^\circ = [-87,9 + 0] - [0 + (-1,7)] = -87,9 + 1,7 = -86,2 \, \text{kJ/mol} \] \[ \Delta S^\circ = [-137,7 + 64,8] - [27,3 + 10,5] = -72,9 - 37,8 = -110,7 \, \text{J/mol.K} \]
Non-spontan: \[ \Delta G^\circ = 0 \] \[ 0 = -86,2 - T \times (-0,1107) \] \[ T = \frac{-86,2}{-0,1107} \approx 779 \, \text{K} \approx 506^\circ \text{C} \]
Perubahan Entalpi:
$$ \Delta H^\circ = -86,2 \, \text{kJ/mol} , \text{(dari perhitungan di atas)}.$$

Soal 7

Sebuah sel elektrokimia berbasis vanadium digunakan dalam baterai aliran redoks, dengan reaksi:

\[ \ce{V^{2+}(aq) + VO^{2+}(aq) + 2H^{+}(aq) -> 2V^{3+}(aq) + H2O(l)} \]

Diketahui:

$ \Delta H_f^\circ \ce{V^{3+}(aq)} = -250,0 \, \text{kJ/mol} $
$ \Delta H_f^\circ \ce{V^{2+}(aq)} = -226,0 \, \text{kJ/mol} $
$ \Delta H_f^\circ \ce{VO^{2+}(aq)} = -486,0 \, \text{kJ/mol} $
$ \Delta H_f^\circ \ce{H2O(l)} = -285,8 \, \text{kJ/mol} $
$ E^\circ \ce{VO^{2+}/V^{3+}} = +0,34 \, \text{V} $
$ E^\circ \ce{V^{3+}/V^{2+}} = -0,26 \, \text{V} $
$ F = 96.485 \, \text{C/mol} $

Pertanyaan:

Hitung perubahan entalpi reaksi!
Berapa potensial sel standar reaksi?
Jika pH larutan meningkat, bagaimana pengaruhnya terhadap potensial sel?

Perubahan Entalpi: \[ \Delta H^\circ = [2 \times (-250,0) + (-285,8)] - [(-226,0) + (-486,0) + 0] \] \[ = [-500,0 - 285,8] - [-712,0] = -785,8 + 712,0 = -73,8 \, \text{kJ/mol} \]
Potensial Sel: katode: $ \ce{VO^{2+}} $, anode: $ \ce{V^{2+}} $. \[ E^\circ_{\text{sel}} = 0,34 - (-0,26) = 0,60 \, \text{V} \]
Pengaruh pH:
Reaksi melibatkan $ \ce{H^{+}} $. Jika pH meningkat ($ [\ce{H^{+}}] $ menurun), maka menurut persamaan Nernst: \[ Q = \frac{[\ce{V^{3+}}]^2}{[\ce{V^{2+}}][\ce{VO^{2+}}][\ce{H^{+}}]^2} \] Penurunan $ [\ce{H^{+}}] $ meningkatkan $ Q $, sehingga $ E_{\text{sel}} $ menurun, reaksi kurang spontan.

Soal 8

Sebuah sel elektrokimia digunakan untuk mendeteksi ion klorida dalam larutan, dengan reaksi:

\[ \ce{Ag(s) + Cl^{-}(aq) -> AgCl(s) + e^-} \text{(anode, terbalik)}\]

Diketahui:

$ \Delta H_f^\circ \ce{AgCl(s)} = -127,0 \, \text{kJ/mol} $
$ \Delta G_f^\circ \ce{AgCl(s)} = -109,8 \, \text{kJ/mol} $
$ \Delta G_f^\circ \ce{Cl^{-}(aq)} = -131,2 \, \text{kJ/mol} $
$ E^\circ \ce{AgCl/Ag, Cl^{-}} = +0,22 \, \text{V} $
$ F = 96.485 \, \text{C/mol} $
$ R = 8,314 \, \text{J/mol.K} $

Pertanyaan:

Hitung perubahan entropi reaksi anode pada 25°C!
Berapa konsentrasi $ \ce{Cl^{-}} $ agar potensial anode menjadi 0 V pada 25°C?

Perubahan Entropi: \[ \Delta G^\circ = \Delta G_f^\circ \ce{AgCl(s)} - \Delta G_f^\circ \ce{Cl^{-}(aq)} = -109,8 - (-131,2) = 21,4 \, \text{kJ/mol} \] \[ \Delta H^\circ = -127,0 - 0 = -127,0 \, \text{kJ/mol} \] \[ \Delta G^\circ = \Delta H^\circ - T \Delta S^\circ \] \[ 21,4 = -127,0 - 298 \times \Delta S^\circ \] \[ \Delta S^\circ = \frac{21,4 + 127,0}{298} = 0,497 \, \text{kJ/mol.K} = 497 \, \text{J/mol.K} \]
Konsentrasi $ \ce{Cl^{-}} $: \[ E = E^\circ - \frac{0,0592}{n} \log \frac{1}{[\ce{Cl^{-}}]} ; \text{(n = 1)}\] \[ 0 = 0,22 - 0,0592 \log \frac{1}{[\ce{Cl^{-}}]} \] \[ \log \frac{1}{[\ce{Cl^{-}}]} = \frac{0,22}{0,0592} = 3,72 \] \[ [\ce{Cl^{-}}] = 10^{-3,72} \approx 1,91 \times 10^{-4} \, \text{M} \]

Soal 9

Sebuah sel elektrokimia berbasis tembaga dan kadmium digunakan dalam sensor lingkungan, dengan reaksi:

\[ \ce{Cd(s) + Cu^{2+}(aq) -> Cd^{2+}(aq) + Cu(s)} \]

Diketahui:

$ \Delta H_f^\circ \ce{Cd^{2+}(aq)} = -75,9 \, \text{kJ/mol} $
$ \Delta H_f^\circ \ce{Cu^{2+}(aq)} = +64,4 \, \text{kJ/mol} $
$ E^\circ \ce{Cu^{2+}/Cu} = +0,34 \, \text{V} $
$ E^\circ \ce{Cd^{2+}/Cd} = -0,40 \, \text{V} $
$ F = 96.485 \, \text{C/mol} $
$ R = 8,314 \, \text{J/mol.K} $

Pertanyaan:

Hitung kerja maksimum yang dihasilkan sel per mol reaksi pada 25°C!
Jika panas lingkungan diserap selama operasi, bagaimana pengaruhnya terhadap $ \Delta H^\circ $?
Berapa potensial sel jika $ [\ce{Cu^{2+}}] = 0,01 \, \text{M} $ dan $ [\ce{Cd^{2+}}] = 2 \, \text{M} $?

Kerja Maksimum: \[ E^\circ_{\text{sel}} = 0,34 - (-0,40) = 0,74 \, \text{V} \] Kerja maksimum: \[ W_{\text{max}} = -\Delta G^\circ = n F E^\circ_{\text{sel}} \] \[ W_{\text{max}} = 2 \times 96.485 \times 0,74 = 142,8 \, \text{kJ/mol} \]
Pengaruh Panas Lingkungan: \[ \Delta H^\circ = [-75,9 + 0] - [0 + 64,4] = -140,3 \, \text{kJ/mol} \] $ \Delta H^\circ $ adalah properti intrinsik reaksi, tidak dipengaruhi panas lingkungan kecuali mengubah suhu, yang tidak disebutkan.
Potensial Sel: \[ Q = \frac{[\ce{Cd^{2+}}]}{[\ce{Cu^{2+}}]} = \frac{2}{0,01} = 200 \] \[ E_{\text{sel}} = 0,74 - \frac{0,0592}{2} \log 200 \] \[ \log 200 \approx 2,30 \] \[ E_{\text{sel}} = 0,74 - 0,0296 \times 2,30 = 0,74 - 0,068 = 0,67 \, \text{V} \]

Soal 10

Sebuah sel elektrokimia berbasis seng dan kromium digunakan dalam aplikasi nanoteknologi untuk deposisi logam presisi, dengan reaksi:

\[ \ce{Cr^{2+}(aq) + Zn(s) -> Cr(s) + Zn^{2+}(aq)} \]

Diketahui:

$ \Delta H_f^\circ \ce{Zn^{2+}(aq)} = -152,4 \, \text{kJ/mol} $
$ \Delta H_f^\circ \ce{Cr^{2+}(aq)} = -147,0 \, \text{kJ/mol} $
$ \Delta G_f^\circ \ce{Zn^{2+}(aq)} = -147,1 \, \text{kJ/mol} $
$ \Delta G_f^\circ \ce{Cr^{2+}(aq)} = -134,0 \, \text{kJ/mol} $
$ E^\circ \ce{Cr^{2+}/Cr} = -0,91 \, \text{V} $
$ E^\circ \ce{Zn^{2+}/Zn} = -0,76 \, \text{V} $
$ F = 96.485 \, \text{C/mol} $
$ R = 8,314 \, \text{J/mol.K} $

Pertanyaan:

Hitung perubahan entalpi ($ \Delta H^\circ $) dan energi bebas ($ \Delta G^\circ $) reaksi!
Berapa jumlah elektron yang ditransfer dalam reaksi? Verifikasi dengan potensial sel standar!
Jika reaksi dilakukan pada skala nano dengan suhu turun ke 0°C, bagaimana pengaruhnya terhadap spontanitas reaksi? Jelaskan secara kuantitatif!

Perubahan Entalpi dan Energi Bebas:
Hitung $ \Delta H^\circ $: \[ \Delta H^\circ = [\Delta H_f^\circ \ce{Cr(s)} + \Delta H_f^\circ \ce{Zn^{2+}(aq)}] - [\Delta H_f^\circ \ce{Cr^{2+}(aq)} + \Delta H_f^\circ \ce{Zn(s)}] \] \[ = [0 + (-152,4)] - [(-147,0) + 0] \] \[ = -152,4 + 147,0 = -5,4 \, \text{kJ/mol} \] Hitung $ \Delta G^\circ $: \[ \Delta G^\circ = [\Delta G_f^\circ \ce{Cr(s)} + \Delta G_f^\circ \ce{Zn^{2+}(aq)}] - [\Delta G_f^\circ \ce{Cr^{2+}(aq)} + \Delta G_f^\circ \ce{Zn(s)}] \] \[ = [0 + (-147,1)] - [(-134,0) + 0] \] \[ = -147,1 + 134,0 = -13,1 \, \text{kJ/mol} \]
Jumlah Elektron yang Ditransfer dan Verifikasi:
Reaksi: \[ \ce{Cr^{2+}(aq) + Zn(s) -> Cr(s) + Zn^{2+}(aq)} \] Setengah reaksi:
- Anode: \[ \ce{Zn(s) -> Zn^{2+}(aq) + 2e^-} \text{(2 elektron dilepaskan).} \] - Katode: \[ \ce{Cr^{2+}(aq) + 2e^- -> Cr(s)} \text{(2 elektron diterima).}\]Jumlah elektron yang ditransfer: **2 elektron**.
Verifikasi dengan potensial sel:
\[ E^\circ_{\text{sel}} = E^\circ_{\text{katode}} - E^\circ_{\text{anode}} = -0,91 - (-0,76) = -0,15 \, \text{V} \] Hitung $ \Delta G^\circ $ dari potensial: \[ \Delta G^\circ = -n F E^\circ_{\text{sel}} \] \[ = -2 \times 96.485 \times (-0,15) \] \[ = 28,95 \, \text{kJ/mol} \] Catatan: $ \Delta G^\circ $ dari potensial positif, menunjukkan reaksi tidak spontan di bawah kondisi standar, bertentangan dengan $ \Delta G^\circ = -13,1 \, \text{kJ/mol} $ dari data pembentukan. Ini menunjukkan kemungkinan inkonsistensi data potensial atau asumsi nano non-standar. Untuk soal ini, kita gunakan $ \Delta G^\circ $ dari data pembentukan untuk konsistensi dengan pertanyaan.
Pengaruh Suhu 0°C (273 K) terhadap Spontanitas:
Hitung $ \Delta S^\circ $: \[ \Delta G^\circ = \Delta H^\circ - T \Delta S^\circ \] \[ -13,1 = -5,4 - 298 \times \Delta S^\circ \] \[ \Delta S^\circ = \frac{-13,1 + 5,4}{298} = \frac{-7,7}{298} = -0,02584 \, \text{kJ/mol.K} = -25,84 \, \text{J/mol.K} \] Pada 273 K:
\[ \Delta G^\circ_{273} = \Delta H^\circ - T \Delta S^\circ \] \[ = -5,4 - 273 \times (-0,02584) \] \[ = -5,4 + 7,05 = 1,65 \, \text{kJ/mol} \] Kesimpulan: Pada 25°C, $ \Delta G^\circ = -13,1 \, \text{kJ/mol} $ (spontan). Pada 0°C, $ \Delta G^\circ = +1,65 \, \text{kJ/mol} $ (tidak spontan). Penurunan suhu membuat reaksi menjadi tidak spontan karena entropi negatif memperburuk kontribusi $ T \Delta S^\circ $.

Silakan koreksi bila ada pembahasan soal yang tidak tepat. Terima kasih.

Pages