PENGAJARAN ELEKTROKIMIA

PENGAJARAN ELEKTROKIMIA

Beberapa reaksi kimia menghasilkan listrik, dan sebaliknya kadang-kadang listrik bisa menghasilkan reaksi kimia. Interkonversi kimia dan energi listrik ini disebut elektrokimia. Dalam reaksi elektrokimia, elektron ditransfer dari satu zat ke zat lain.

Ketika mereka dikendalikan, reaksi elektrokimia sangat bermanfaat bagi manusia. Reaksi kimia yang menghasilkan listrik mengakibatkan aliran elektron dalam kabel dan ion dalam solusi ionik. Reaksi ini melandasi pembentukan sel-sel elektrokimia (galvanik) seperti baterai senter, baterai mobil dan sel bahan bakar. Aliran elektron bergerak melalui konduktor logam ke sebuah perangkat yang menggunakan energi listrik, misalnya globe, motor starter, atau sistem pengapian bahan bakar.

Sebaliknya, kadang-kadang listrik atau energi listrik dari sumber eksternal bisa menimbulkan reaksi kimia. Proses konversi energi listrik menjadi energi kimia disebut elektrolisis. Contohnya mencakup konversi ion emas menjadi lapisan sepuh emas di perhiasan (Au+ – fe à Au) atau ion perak menjadi lapisan sepuh perak pada sendok nikel (Ag+ + e à Ag). Energi listrik juga digunakan dalam pemurnian tembaga dan penyarian logam aluminium dari alumina. Elektron dipaksa melalui kawat logam oleh sebuah sumber energi listrik eksternal, seperti baterai. Ujung kawat disambungkan ke elektroda yang direndam di dalam sebuah elektrolit. Di antarmuka di mana elektroda bertemu dengan elektrolit, reaksi reduksi-oksidasi dipaksa untuk terjadi.

PERKEMBANGAN PEMAHAMAN KITA TENTANG ELEKTROKIMIA

Pemahaman kita tentang elektrokimia telah berkembang seiring waktu. Pada mulanya para ilmuwan menduga bahwa partikel positif adalah arus di dalam konduktor logam, tapi pada masa kini kita tahu bahwa berbagai elektron bermuatan-negatif yang sangat kecil bergerak di seluruh jaringan ion “tetap” bermuatan positif. Pada masa lalu, reduksi oksidasi dirumuskan sebagai transfer oksigen atau hidrogen. Dewasa ini kita lebih sering menggunakan istilah transfer elektron dan perubahan keadaan oksidasi untuk mendefinisikan reduksi oksidasi, karena kedua definisi ini lebih menyeluruh bagi konteks yang berlainan.

Selain itu, penelitian tentang pemahaman siswa tentang elektrokimia bisa digunakan untuk memperbaiki praktek di ruang kelas. Pandangan awal yang akurat tentang arus listrik dan reaksi reduksi-oksidasi diperlukan untuk mengembangkan pemahaman yang lazim diterima umum tentang sel elektrokimia (sel galvanik) dan sel elektrolit.

 

PENGAJARAN UNTUK MENINGKATKAN PEMAHAMAN SISWA TENTANG ELEKTROKIMIA

Pengajaran saya dilandasi oleh penelitian konsepsi alternatif dan bertahun tahun pengalaman. Saya menganggap waktu saya bersama para siswa sebagai kesempatan untuk memaksimalkan pembelajaran; dan untuk mencapai hasil ini saya membangun, mendampingi, dan memfasilitasi pembelajaran, mendorong siswa untuk menikmati, belajar, memikirkan, dan terlibat dalam praktek kimia. Murid-murid saya tengah berada pada dua tahun terakhir mereka di SMA, bersaing untuk mendapatkan tempat yang terbatas di universitas. Sekolah kami memiliki tradisi sains dan matematika yang amat kuat, dengan lebih dari separuh siswa perempuan melanjutkan ke program pasca-sarjana universitas berpangkal-sains.

Bagian berikut meliput pembahasan tentang pendekatan saya terhadap pengajaran arus listrik dan reduksi oksidasi, dan catatan pelajaran untuk memperkenalkan konsep sel elektrokimia dan elektrolit. “Catatan”-nya dipandu oleh guru, dan siswa diminta untuk mendengarkan, memikirkan, menjawab dan mengajukan pertanyaan, dan membuat catatan dari papan tulis selama pelajaran pengantar ini. Langkah berikutnya, mereka mengerjakan kegiatan tindak-lanjut yang menuntut kerja praktis kelompok, berpartisipasi dalam diskusi siswa-dengan-siswa, dan menyelesaikan latihan tertulis untuk mendapatkan tanggapan dan konsolidasi.

 

ARUS LISTRIK

Listrik sering disebut sebagai “aliran elektron” tanpa menyebut arus yang terdapat di dalam cairan. Patokan kepada konsep arus yang primitif ini menimbulkan kesulitan bagi para siswa elektrokimia. Hasilnya adalah mereka mengira bahwa elektron bergerak dalam cairan ionik dan menciptakan mekanisme gerakan ini.

Bagi para murid fisika dan kimia, penggunaan arus konvensional, atau “aliranpositif:’ menimbulkan kesulitan. Siswa cenderung mengkotak-kotakkan pengetahuan mereka, mengatakan bahwa listrikdi dalam kimia dan fisika berbeda karena elektron mengalir dalam arah berlawanan. Penggunaan kebiasaan yang usang ini mengakibatkan keraguan yang besar bagi banyak siswa, dan penggunaan arus yang biasa pada masa sekarang perlu dipertanyakan.

Kesempatan untuk mengembangkan konsep arus listrik muncul dalam pengajaran struktur dan sifat logam, padatan ionik, dan substansi kovalen. Model untuk struktur logam, kisi ion positif dan elektron gerak bermuatan negatif, menyediakan peluang untuk menekankan bahwa arus di dalam logam adalah pergerakan elektron yang mengalami pergeseran.

Demikian pula, padatan ionik yang telah dilarutkan di dalam air untuk membentuk larutan ion gerak positif dan negatif harus dikemukakan dalam diskusi tentang arus  di dalam larutan cair. Untuk menjelaskan konduktivitas ini, perhatian  harus diberikan kepada sumber energi listrik (baterai); aliran elektron dari terminal negatif tegangan terapan melalui konduktor logam; fakta bahwa reaksi yang memperoleh dan kehilangan elektron terjadi pada masing-masing elektroda; dan pergerakan ion positif dan negatif dalam arah yang berlawanan didalam cairan.

Beberapa substansi molekular kovalen tertentu seperti asam juga pecah menjadi ion, dan ini membetikan kesempatan lain untuk membahas konduktivitas di dalam cairan.

 

OKSIDASI DAN REDUKSI

Beberapa model digunakan untuk mendefinisikan reaksi reduksi-oksidasi. Awalnya, oksidasi disebut sebagai reaksi dengan oksigen yang menghasilkan pembentukan oksida dan terhadap reaksi di mana spesies yang bereaksi memperoleh oksigen. Jelas, definisi ini tidak memadai dalam beberapa kasus. Pertimbangkan reaksi magnesium dengan oksigen untuk membentuk magnesium oksida, 2 Mg + O2 → 2MgO. Siswa benar ketika berpikir bahwa magnesium teroksidasi karena ia mendapatkan oksigen, tetapi tidak terpikirkan oleh mereka bahwa oksigen pun tereduksi. Dengan berfokus hanya pada penambahan oksigen, mereka keliru meyakini bahwa oksidasi terjadi secara tersendiri tanpa ada reduksi.

Sebagian siswa keliru menganggap bahwa reaksi sebuah karbonat larut dengan asam, Co32+ 2H+ à H2O + CO2 , adalah reaksi reduksi-oksidasi karena hidrogen mendapatkan oksigen. Yang lain keliru berpikiran bahwa ia merupakan reaksi reduksi-oksidasi karena adanya transfer elektron antara ion hidrogen dan karbonat. Mereka mengira bahwa karbonat telah “kehilangan” dua elektron menuju ion hidrogen yang bermuatan positif.

Untuk mengidentifikasi persamaan reduksi-oksidasi secara tepat, perlu digunakan perubahan keadaan oksidasi atom. Penggunaan beberapa model yang berbeda menyebabkan kebingungan bagi siswa, terutama karena beberapa model terdahulu hanya berlaku untuk situasi spesifik dan karena itu terbatas penerapannya. Mengingat bahwa prasangka cenderung bertahan terhadap perubahan, model-model tidak memadai yang sudah dipelajari dahulu memiliki potensi untuk digeneralisasikan untuk situasi di mana mereka tidak berlaku dan mengusik pembelajaran selanjutnya yang lebih rumit. Alasan penggunaan beberapa model untuk konsep yang sama perlu dijelaskan dengan terang kepada peserta didik. Sebagai contoh, apakah itu karena model “sederhana” digunakan untuk menjadikan informasi yang sulit secara konseptual bisa ditangkap oleh siswa muda, atau apakah itu untuk menunjukkan bagaimana ide-ide di dalam sains berkembang seiring waktu?

Ketika menggunakan perubahan keadaan oksidasi untuk mengidentifikasi persamaan reduksi-oksidasi, kesalahan yang biasa terjadi adalah dengan menggunakan total muatan pada ion poliatomik bukannya keadaan oksidasi masing-masing atom. Sebagai contoh, dalam persamaan H+ + OH à H2O, sebagian siswa mengatakan bahwa angka oksidasi ion hidroksida adalah = -1 dan bahwa ia menjadi nol ketika air terbentuk. Dengan tidak menghitung keadaan oksidasi atom oksigen dan hidrogen, siswa keliru mengidentifikasi ini sebagai sebuah persamaan reduksi-oksidasi.

Kesalahan lain yang umum diperbuat siswa adalah menetapkan elemen-elemen keadaan oksidasi pada ion mereka. Sebagai contoh, siswa seringkali menetapkan logam magnesium keadaan oksidasi +2 bukannya nol untuk elemen. Jika guru menyadari kesalahan pembelajaran ini, mereka bisa lebih memperhatikan ungkapan yang mereka gunakan untuk mendiskusikan segenap konsep ini dan menyeleksi contoh-contoh seperti ini untuk menentang ide-ide yang salah. Strategi ini mengarah pada perbaikanpengajaran dan penlbelajaran.

 

SEL-SEL ELEKTROKIMIA

Rencana pelajaran empat-Iangkah untuk memperkenalkan konsep sel elektrokimia disajikan di bawah ini. Langkah-Iangkah ini membahas pengetahuan prasyarat penting dan bertolak dari penelitian konsepsi alternatif.

  1. Memahami arus: perbaiki definisi tentang arus listrik dengan merujuk kepada tes konduktivitas yang telah dikerjakan sebelumnya oleh siswa. Hal ini memastikan siswa melibatkan gerakan ion di dalam cairan samping aliran elektron di dalam logam.
  2. Mengatasi kesalahpahaman tentang mengapa arus mengalir: lukiskan bahwa reaksi elektrokimia terjadi karena (1) mereka secara energi memungkinkan, dan (2) ada perebutan untuk mendapatkan elektron.
  3. Mengembangkan gagasan tentang perebutan elektron dengan memperkenalkan Tabel Potensi Reduksi Standar: mintalah siswa untuk menulis persamaan ionik untuk reaksi terdahulu dan mendiskusikan dan melabeli Cu2+ sebagai penerima elektron dan Zn sebagai pemberi elektron, Cu2+ (penerima) + Zn (pemberi) à Cu + Zn2+. Kemudian tuliskan separuh persamaan dalam urutan potensi reduksi.

Cu2+ + 2e- à Cu

Zn2+ + 2e- à Zn

Setelah diskusi ini, tunjukkan kepada siswa Tabel Potensi Reduksi Standar.

  1. Memperkenalkan sel-sel elektrokimia dengan membicarakan tentang gagasan mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Dengan menggunakan sel Cu2+/Cu//Zn2+/Zn sebagai demonstrasi dan sebuah diagram di papan tulis, ajukan sejumlah pertanyaan berikut dan ajak siswa untuk terlibat dalam diskusi.
  • Apakah ada cara untuk mengelola Cu di dalam Zn2+ sehingga kita bisa menghasilkan arus? Pertanyaan ini hanya akan bersifat retoris jika siswa tidak memiliki pengalaman sebelumnya tentang sel-sel elektrokimia. Perkenalkan ide tentang pemisahan reagen karena mereka bereaksi secara seketika, dan bimbing siswa menuju ide sel-paruh (half-cell, elektroda tunggal). Tunjukkan kepada siswa sel demonstrasi.
  • Jalan mana yang akan ditempuh elektron untuk bergerak di dalam kawat? Berdasarkan diskusi sebelumnya, siswa semestinya menjawab “dari seng menuju tembaga”. Tambahkan bahwa ion tembaga akan berpindah ke logam tembaga untuk mendapatkan elektron dari permukaan logam, mengakibatkan terbentuknya lebih banyak tembaga.
  • Mengapa elektron berpindah? Siswa semestinya menjawab dari sudut perbedaan energi atau perebutan elektron.

Setelah segenap gagasan pokok ini dikembangkan, peristilahan seperti elektroda, dan anoda dan katoda masing-masing sebagai lokasi oksidasi dan reduksi, bisa. diperkenalkan. Juga, jika perlu, boleh disebutkan bahwa anoda bisa diberi label negatif karena ia memasok elektron untuk sirkuit eksternal dan katoda bisa diberi label positif karena ia menerima elektron. Tekankan bahwa elektroda tidak bermuatan melainkan dengan mengikuti kebiasaan, dilabeli positif dan negatif masing-masingnya. Kalau boleh memilih, saya menghilangkan pelabelan ini karena siswa menjadi bingung ketika mereka menghubungkannya dengan pergerakan ion di dalam sel.

Penjelasan tentang fungsi jembatan garam sebagai “memungkinkan mengalirnya ion untuk mempertahankan netralitas listrik” berguna untuk mengatasi ide yang keliru tentang muatan yang terbentuk disel-paruh dan elektron yang mengalir di dalam elektrolit. Kebutuhan akan garam larut seperti amonium nitrat untuk mencegah reaksi guguran pengendapan yang terjadi di dalam sel-paruh juga bisa dibahas.

Beberapa pelajaran menyusul di mana siswa mengembangkan lebih lanjut ide mereka, dengan menghitung perkiraan Eº untuk sel dan mengaitkan ini dengan kebutuhan untuk memisahkan reagen guna mencegah reaksi spontan (biasanya dengan menggunakan sel-paruh. Mereka juga melakukan percobaan dan menguji ide mereka dalam sejumlah penerapan berbeda.

 

PENGAJARAN SEL-SEL ELEKTROLITIK

Saya memperkenalkan sel elektrolitik dengan membicarakan gagasan tentang pengubahan energi listrik menjadi energi kimia dan dengan menyebutkan beberapa penggunaan sel ini. Ide pokok yang hendak dikembangkan adalah bahwa arus listrik bisa digunakan untuk menghasilkan reaksi kimia. Saya mendemonstrasikan elektrolisis cairan iodida tembaga dengan elektroda grafit dan sekaligus secara diagramatis melalui bagan menggambarkan sel tersebut di papan tulis. Selama sesi tanya-jawab yang dipandu guru, saya menambahkan detail ke bagan untuk memudahkan siswa mengembangkan konsepnya.

Rangkaian pertanyaan yang saya gunakan adalah sebagai berikut:

  1. “Ke arah mana elektron bergerak?” Perhatian siswa ditujukan ke emf/voltase dan pelabelan positif dan negatif atas terminal. Aliran elektron ditandai di bagan sebagai berasal dari terminal negatif, lantaran menurut definisi hal ini memasok elektron ke sirkuit.
  2. “Di mana reaksi-paruh oksidasi akan terjadi, dan di mana reduksi akan terjadi?” Mengikuti pengajuan pertanyaan ini, siswa mampu mengidentifikasi elektroda yang sesuai dan dari situ anoda dan katoda.
  3. Selanjutnya saya berfokus pada pergerakan ion dan menanyakan kepada siswa arah pergerakan ion positif dan ion negatif. Adapun mengenai sel elektrokimia, ion-ion negatif bergerak baik itu searah jarum jam atau sebalik arahnya konsisten dengan aliran elektron, dan ion positif bergerak dalam arah yang berlawanan.
  4. Untuk menentukan reaksi-paruh yang diperkirakan di anoda dan katoda, dan tegangan yang perlu diterapkan, siswa pertama-tama mendaftar spesies yang ada di anoda dan katoda. Kemudian, dengan menggunakan Tabel Potensi Reduksi Standar, mereka menuliskan kemungkinan reaksi anoda dan katoda dari “sisi” meja oksidasi dan reduksi. Selanjutnya, mereka menyeleksi reaksi-paruh yang menghasilkan Eº positif terbesar, dengan mengingat bahwa Eº akan menjadi negatif atau nol.
  5. Berikutnya, siswa menggabungkan reaksi setengah anoda dan katoda untuk mendapatkan persamaan sel dan Eº yang sudah diperkirakan. Implikasi dari voltase negatif/Eº perlu didiskusikan dalam kaitannya dengan tegangan yang dikenakan.

 

CATATAN

  1. Gaya elektromotif, juga dikenal dengan perbedaan potensial.

 

Pamela J. Garnett-

Leave a Reply

Close Menu