Pembahasan Soal #9 OSP Kimia 2025 (Elektrokimia)

Pada kendaraan bermotor, aki digunakan sebagai sumber energi utama untuk menghidupkan mesin dan menyediakan daya sistem kelistrikan saat mesin mati. Aki merupakan salah satu jenis baterai yaitu baterai asam timbal (Lead acid) yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik melalui reaksi elektrokimia. Komponen yang terdapat pada aki terdiri dari elektroda positif Pb(s)/PbO₂(s) dan elektroda negatif Pb(s) dengan elektrolit H₂SO₄. Potensial elektroda standar untuk beberapa reaksi setengah sel pada T = 298 K diberikan sebagai berikut :

Reaksi	E° (V)
PbO2(s) + SO42−(aq) + 2e− → PbSO4(s) + 2H2O(l)	+1,69
PbO2(s) + 4H+ + 2e− → Pb2+(aq) + 2H2O(l)	+1,46
Pb2+(aq) + 2e− → Pb(s)	−0,13
PbSO4(s) + 2e− → Pb(s) + SO42−(aq)	−0,36
O2(g) + 4H+(aq) + e− → 2H2O(l)	+1,23
2H+(aq) + 2e− → H2(g)	0,00

Pembahasan OSP 2025:
Nomor 1, Nomor 2, Nomor 3, Nomor 4, Nomor 5, Nomor 6, Nomor 7, Nomor 8, Nomor 9

---

Perubahan entalpi pembentukan standar beberapa spesi pada 298 K :

Spesi	ΔH° (kJ/mol)
PbO2(s)	−277,4
H2O(l)	−285,8
Pb2+(aq)	1,6
SO42−(aq)	−909,3
PbSO4(s)	−920,0

a. Zat yang berperan sebagai anoda adalah ....

1. Pb²⁺(aq)
2. PbO₂(s)
3. H₂O(l)
4. Tidak tahu
5. Pb(s)
6. PbSO₄(s)

b. Zat yang berperan sebagai katoda adalah ....

1. Pb(s)
2. PbSO₄(s)
3. PbO₂(s)
4. H₂O(l)
5. Tidak tahu
6. Pb²⁺(aq)

c. Nilai potensial sel standar (E°_sel) aki pada kondisi discharge adalah ...... V.

d. Nilai perubahan entalpi dan perubahan energi bebas Gibbs untuk reaksi total sel elektrokimia pada keadaan standar adalah: ΔH°_r = ..... kJ/mol, ΔG°_r = ..... kJ/mol.

Energi kimia yang dihasilkan dari reaksi elektrokimia selama proses discharge digunakan untuk melakukan kerja listrik. Perubahan energi bebas pada reaksi discharge menunjukkan nilai maksimum kerja listrik W_max sesuai persamaan :
W_max = ΔG°_r
Nilai W_max diperoleh ketika sel elektrokimia berlangsung secara reversibel misalnya pada saat diberikan arus yang sangat rendah. Asumsikan sel menerima/melapaskan panas terhadap lingkungan untuk mencegah sel mengalami panas/dingin berlebih.

e. Jumlah kalor yang diterima sel dari lingkungan adalah ..... kJ/mol.

f. Fraksi W_max yang diperoleh dari pertukaran panas sel dengan lingkungan secara reversibel adalah ...... .

Proses discharge pada aki disertai penurunan konsentrasi elektrolit H₂SO₄(aq). Dalam larutan jenuh nilai Quotien (Q) harus dinyatakan dalam nilai aktifitas (a). Konsentrasi spesi dalam larutan (c) yang dipengaruhi oleh nilai koefisien aktifitas (γ) adalah:
a = c × γ
Nilai aktifitas H₂O (a_H2O) dan hasil kali aktifitas spesi H₂SO₄ (a_SO4²⁻)·(a_H⁺)² dalam kondisi discharge dan charged pada T = 298 K dapat dilihat pada tabel berikut:

Kondisi	H2SO4 (molal)	aH2O	(aSO42−)·(aH+)2
Discharge	1,00	0,9618	0,0018
Charged	5,00	0,7032	0,8847

g. Perubahan nilai potensial sel (E_sel) ketika aki mengalami kondisi discharge pada T = 298 K adalah ...... V.
Petunjuk : Asumsikan H₂SO₄ terdisosiasi sempurna dan semua spesi padat dalam keadaan standar.

h. Pada kondisi tertentu, elektrolisis air dapat menggunakan proses pengisian daya (charging) aki. Pilih benar/salah untuk pernyataan-pernyataan berikut ini:

1. Pada proses pengisian daya (charging), kutub positif dari arus listrik dihubungkan dengan elektroda yang mengalami reduksi sedangkan kutub negatif pada elektroda yang mengalami oksidasi. Benar/salah?
2. Potensial sel dipengaruhi jumlah spesi Pb(s) di dalam sel elektrokimia. Benar/salah?
3. Pengisian daya berlebih (overcharging) pada sel aki dalam waktu yang cukup lama menyebabkan perubahan gas oksigen dan hidrogen di permukaan elektroda menjadi campuran gas yang mudah melekat. Benar/salah?
4. Jika pengisian daya selesai, oksigen akan terbentuk pada elektroda negatif. Benar/salah?
5. Total energi yang tersimpan dalam sel dibatasi oleh jumlah mol Pb(s) pada elektroda negatif atau jumlah mol Pb⁴⁺ pada elektroda positif, tergantung mana yang jumlahnya lebih sedikit. Benar/salah?

i. Nilai potensial sel standar (E°_standar) pada baterai Lead-MSA adalah ...... V.

j. Kadar timbal dalam elektrolit baterai lead-MSA ditentukan dengan pengukuran menggunakan elektroda selektif ion (ESI) Pb²⁺. Sebanyak 10,0 mL sampel dipindahkan ke dalam labu ukur 100,0 mL dan diencerkan hingga tanda batas. Selanjutnya, sebanyak 50,0 mL aliquot diambil dan dimasukkan ke dalam gelas kimia lalu diukur dengan metode ESI-Pb²⁺. Potensial yang diperoleh dari hasil pengukuran alikuot sampel adalah −0,0529 V. Setelah itu 1,00 mL larutan standar Pb²⁺ 0,05 M dimasukkan ke dalam larutan yang sama lalu diukur kembali dan menghasilkan potensial −0,0442 V. Konsentrasi Pb²⁺ yang terukur dalam sampel adalah ...... M.

---

Pembahasan Soal

---

a

Zat yang Berperan sebagai Anoda

Tentukan zat yang berperan sebagai anoda pada sel aki (saat discharge).

Konsep dasar

Pada sel galvanik (sel discharge), anoda adalah elektroda tempat berlangsungnya oksidasi. Pada aki, elektroda negatif adalah Pb(s).

Reaksi di anoda

Pb(s) + SO₄²⁻(aq) → PbSO₄(s) + 2e⁻

Pb(s) melepas elektron → mengalami oksidasi → bertindak sebagai anoda.

Anoda = Pb(s)

b

Zat yang Berperan sebagai Katoda

Tentukan zat yang berperan sebagai katoda pada sel aki (saat discharge).

Konsep dasar

Katoda adalah elektroda tempat berlangsungnya reduksi. Pada aki, elektroda positif adalah PbO₂(s).

Reaksi di katoda

PbO₂(s) + SO₄²⁻(aq) + 4H⁺(aq) + 2e⁻ → PbSO₄(s) + 2H₂O(l)

PbO₂(s) menerima elektron → mengalami reduksi → bertindak sebagai katoda.

Katoda = PbO₂(s)

c

Potensial Sel Standar (E°_sel) saat Discharge

Hitung E°_sel reaksi aki saat discharge.

Reaksi setengah sel

Katoda (reduksi):

PbO₂(s) + SO₄²⁻(aq) + 4H⁺ + 2e⁻ → PbSO₄(s) + 2H₂O(l) E° = +1,69 V

Anoda (oksidasi) — kebalikan dari reduksi standar:

Pb(s) + SO₄²⁻(aq) → PbSO₄(s) + 2e⁻ E°_oksidasi = +0,36 V

Data: PbSO₄(s) + 2e⁻ → Pb(s) + SO₄²⁻(aq), E° = −0,36 V (reduksi). Saat dibalik jadi oksidasi, tanda berubah: E°_oksidasi = +0,36 V.

Perhitungan E°_sel

E°sel = E°katoda − E°anoda(reduksi) E°sel = (+1,69) − (−0,36) = +2,05 V

E°_sel = +2,05 V

d

ΔH°_r dan ΔG°_r Reaksi Total

Tentukan ΔH°_r dan ΔG°_r untuk reaksi total aki saat discharge.

Reaksi total sel (discharge)

Pb(s) + PbO₂(s) + 2SO₄²⁻(aq) + 4H⁺(aq) → 2PbSO₄(s) + 2H₂O(l)

Menghitung ΔH°_r (Hukum Hess)

ΔH°_r = Σ ΔHf°(produk) − Σ ΔHf°(reaktan)

Spesi	n	ΔHf° (kJ/mol)	Kontribusi (kJ)
PbSO₄(s) — produk	2	−920,0	−1840,0
H₂O(l) — produk	2	−285,8	−571,6
Pb(s) — reaktan	1	0	0
PbO₂(s) — reaktan	1	−277,4	−277,4
SO₄²⁻(aq) — reaktan	2	−909,3	−1818,6
H⁺(aq) — reaktan	4	0	0

ΔH°_r = (−1840,0 − 571,6) − (0 − 277,4 − 1818,6)
ΔH°_r = −2411,6 − (−2096,0)
ΔH°_r = −2411,6 + 2096,0 = −315,6 kJ/mol

Menghitung ΔG°_r

ΔG°_r = −nFE°sel

n = 2 elektron, F = 96485 C/mol, E°sel = +2,05 V:

ΔG°_r = −(2)(96485)(2,05) = −395.588 J/mol ≈ −395,6 kJ/mol

ΔH°_r = −315,6 kJ/mol
ΔG°_r = −395,6 kJ/mol

e

Kalor dari Lingkungan & Fraksi W_maks

e) Berapa kalor yang diterima sel dari lingkungan?

Kalor yang diterima sel (q)

Untuk proses reversibel isotermal, berlaku:

q = ΔH°_r − ΔG°_r

q = (−315,6) − (−395,6) = +80,0 kJ/mol

Nilai positif → sel menyerap kalor dari lingkungan sebesar +80,0 kJ/mol.

Interpretasi fisik: |ΔG| > |ΔH|, sehingga selain dari reaksi kimia, sel menyerap panas dari lingkungan untuk menghasilkan kerja listrik yang lebih besar dari entalpi reaksi. Ini konsisten dengan ΔS > 0 (entropi meningkat).

e) Kalor diterima sel = +80,0 kJ/mol

f

Fraksi W_maks

f) Berapa fraksi W_maks yang berasal dari pertukaran panas?

Fraksi W_maks dari pertukaran panas

\[\begin{aligned} \text{Fraksi} &= \frac{q}{W_{\text{maks}}} = \frac{q}{|\Delta G^\circ_r|} \\[6pt] &= \frac{80{,}0}{395{,}6} \approx 0{,}202 \end{aligned}\]

Sekitar 20,2% dari kerja listrik maksimum berasal dari panas yang diserap sel dari lingkungan.

f) Fraksi ≈ 0,202

g

E_sel pada Kondisi Discharge (Aktivitas Nyata)

Hitung E_sel dan ΔE_sel menggunakan aktivitas spesi pada kondisi discharge nyata.

Ekspresi Q reaksi

Pb(s) + PbO₂(s) + 2H⁺(aq) + 2SO₄²⁻(aq) → 2PbSO₄(s) + 2H₂O(l)

Spesi padat (Pb, PbO₂, PbSO₄) aktivitasnya = 1, sehingga:

$Q = \dfrac{\left(a_{\text{H}_2\text{O}}\right)^2}{\left[\left(a_{\text{SO}_4^{2-}}\right)\cdot\left(a_{\text{H}^+}\right)^2\right]^2}$

Substitusi nilai aktivitas

Parameter	Nilai
aH₂O	0,9618
(aSO₄²⁻) · (aH⁺)²	0,0018

$Q = \dfrac{(0{,}9618)^2}{(0{,}0018)^2} = \dfrac{0{,}9251}{3{,}24\times10^{-6}} \approx 2{,}855\times10^{5}$

Persamaan Nernst

\[\begin{aligned} E_{\text{sel}} &= E^\circ_{\text{sel}} - \dfrac{RT}{nF}\ln Q \\[6pt] &= 2{,}05 - \dfrac{0{,}02569}{2}\times\ln(2{,}855\times10^{5}) \\[6pt] &= 2{,}05 - (0{,}012845)(12{,}561) \\[6pt] &= 2{,}05 - 0{,}1614 \\[6pt] &= 1{,}889\ \text{V} \end{aligned}\]

Perubahan dari kondisi standar:

ΔE_sel = 1,889 − 2,05 = −0,161 V

E_sel (discharge) = ≈ 1,89 V
ΔE_sel = ≈ −0,161 V

h

Benar/Salah — Pernyataan Seputar Proses Charging

Tentukan benar atau salah untuk setiap pernyataan berikut terkait proses pengisian (charging) aki.

Pernyataan 1

"Pada proses charging, kutub positif arus listrik dihubungkan ke elektroda yang mengalami reduksi, kutub negatif ke elektroda yang mengalami oksidasi."

SALAH

Pada elektrolisis (charging), kutub (+) sumber listrik dihubungkan ke anoda → tempat oksidasi (PbSO₄ → PbO₂). Kutub (−) dihubungkan ke katoda → tempat reduksi (PbSO₄ → Pb). Pernyataan terbalik.

Pernyataan 2

"Potensial sel dipengaruhi jumlah spesi Pb(s) di dalam sel elektrokimia."

SALAH

Pb(s) adalah zat padat murni; aktivitasnya = 1 dan tidak bergantung pada jumlahnya. Oleh karena itu potensial sel (melalui persamaan Nernst) tidak dipengaruhi oleh jumlah mol Pb(s).

Pernyataan 3

"Overcharging pada sel aki dalam waktu yang cukup lama menyebabkan perubahan gas oksigen dan hidrogen di permukaan elektroda menjadi campuran gas yang mudah melekat."

BENAR

Pada overcharging, air terurai melalui elektrolisis: O₂ terbentuk di anoda (+) dan H₂ terbentuk di katoda (−). Kedua gas ini menempel di permukaan elektroda sebagai gelembung sebelum terlepas. Campuran H₂ dan O₂ di ruang sel bersifat sangat reaktif.

Pernyataan 4

"Jika pengisian daya selesai, oksigen akan terbentuk pada elektroda negatif."

SALAH

O₂ dihasilkan melalui oksidasi air di anoda = elektroda positif. Elektroda negatif (katoda) menghasilkan H₂ dari reduksi H⁺.

Pernyataan 5

"Total energi tersimpan dibatasi oleh jumlah mol Pb(s) di elektroda negatif atau mol Pb⁴⁺ di elektroda positif, tergantung mana yang lebih sedikit."

BENAR

Kapasitas sel dibatasi oleh pereaksi pembatas: mol Pb(s) di elektroda negatif atau mol PbO₂ (Pb dalam keadaan oksidasi +4) di elektroda positif. Prinsip pereaksi pembatas berlaku — kapasitas ditentukan oleh yang jumlahnya lebih sedikit.

1. SALAH   2. SALAH   3. BENAR   4. SALAH   5. BENAR

Baterai Lead-MSA & Analisis Pb²⁺

i

E°_sel Baterai Lead-MSA

Tentukan E°_sel standar baterai Lead-Methanesulfonate (Lead-MSA).

Apa itu baterai Lead-MSA?

Baterai Lead-MSA menggunakan elektrolit asam metanasulfonat (CH₃SO₃H) sebagai pengganti H₂SO₄. Elektroda tetap berbasis Pb/PbO₂, tetapi produk reaksi adalah Pb(CH₃SO₃)₂ yang larut — sehingga pasangan redoks yang relevan adalah Pb²⁺/Pb dan PbO₂/Pb²⁺.

Reaksi setengah sel Lead-MSA

Katoda (reduksi):

PbO₂(s) + 4H⁺ + 2e⁻ → Pb²⁺(aq) + 2H₂O(l) E° = +1,46 V

Anoda (oksidasi):

Pb(s) → Pb²⁺(aq) + 2e⁻ E°_oksidasi = +0,13 V

(Kebalikan dari: Pb²⁺ + 2e⁻ → Pb, E° = −0,13 V)

Perhitungan E°_sel

E°sel = E°katoda − E°anoda(reduksi) E°sel = (+1,46) − (−0,13) = +1,59 V

E°_sel (Lead-MSA) = +1,59 V

j

Konsentrasi Pb²⁺ dalam Sampel (Metode Penambahan Standar — ESI)

Tentukan konsentrasi Pb²⁺ dalam sampel asli menggunakan metode penambahan standar dengan elektroda selektif ion (ESI).

Data yang diberikan

Parameter	Nilai
Volume sampel awal	10,0 mL
Labu ukur pengenceran	100,0 mL
Aliquot yang dianalisis	50,0 mL
Larutan standar ditambahkan	1,00 mL dari 0,05 M
E₁ (sebelum penambahan standar)	−0,0529 V
E₂ (setelah penambahan standar)	−0,0442 V

Faktor Nernst untuk Pb²⁺ (n = 2, T = 298 K)

$S = \dfrac{RT \times ln10}{nF} = \dfrac{0,05916}{2} = 0,02958~V/dekade$

Metode penambahan standar

Misal konsentrasi Pb²⁺ dalam aliquot 50,0 mL = C_x. Setelah penambahan 1,00 mL standar 0,05 M:

$C_{x+s} = \dfrac{C_x × 50,0 + 0,05 \times 1,00}{50,0 + 1,00} = \dfrac{50C_x + 0,05}{ 51,0}$

Selisih potensial:

ΔE = E₂ − E₁ = −0,0442 − (−0,0529) = +0,0087 V

ΔE = S × log $\dfrac{C_{x+s}}{C_x}$

Penyelesaian C_x

\(\begin{aligned} 0{,}0087 &= 0{,}02958 \times \log_{10}\!\left[\frac{50C_x + 0{,}05}{51C_x}\right]\\ \log_{10}\!\left[\frac{50C_x + 0{,}05}{51C_x}\right] &= \frac{0{,}0087}{0{,}02958} \\&= 0{,}2941\\ \frac{50C_x + 0{,}05}{51C_x} &= 10^{0{,}2941} \\&= 1{,}9684\\ 50C_x + 0{,}05 &= 1{,}9684 \times 51 \times C_x\\& = 100{,}39\, C_x\\ 0{,}05 &= 50{,}39\, C_x\\ C_x &= \frac{0{,}05}{50{,}39}\\&= 9{,}923 \times 10^{-4}\ \text{M} \quad \text{(dalam aliquot)} \end{aligned}\)

Koreksi ke konsentrasi sampel asli

Sampel awal 10,0 mL diencerkan ke 100,0 mL → faktor pengenceran FP = 10:

$C_{asli} = C_x \times FP = 9,923 \times 10^{-4} × 10 = 9,923 \times 10^{-3}~M$

Verifikasi:
$$C_{x+s} = \dfrac{9,923 \times 10^{-4} \times 50 + 0,05 \times 1,00}{51} = 1,953 \times 10^{-3}~ M$$ $$\Delta E = 0,02958 \times log\left(\dfrac{1,953 \times 10^{-3}}{9,923 \times 10^{-4}}\right) = 0,02958 \times 0,2941 = 0,0087~V$$

C_Pb²⁺ dalam aliquot = ≈ 9,92 × 10⁻⁴ M
C_Pb²⁺ dalam sampel asli = ≈ 9,92 × 10⁻³ M (≈ 0,0099 M)