Persamaan Nernst: Penerapan dan Soal-Soal untuk SMA Kelas 3

Persamaan Nernst: Penerapan dan Soal-Soal untuk SMA Kelas 3

I. Pendahuluan

Persamaan Nernst merupakan salah satu konsep penting dalam elektrokimia yang menjelaskan potensial elektroda suatu sel elektrokimia pada kondisi non-standar. Berbeda dengan potensial standar (E°), yang diukur pada kondisi standar (konsentrasi 1 M, tekanan 1 atm, suhu 298 K), persamaan Nernst memungkinkan perhitungan potensial elektroda pada konsentrasi, tekanan, dan suhu yang berbeda. Pemahaman persamaan ini sangat krusial bagi siswa SMA kelas 3 dalam memahami prinsip kerja sel volta dan sel elektrolisis, serta aplikasinya dalam berbagai bidang.

II. Rumusan Persamaan Nernst

Persamaan Nernst: Penerapan dan Soal-Soal untuk SMA Kelas 3

Persamaan Nernst secara umum dirumuskan sebagai berikut:

E = E° – (RT/nF) ln Q

di mana:

  • E = potensial sel pada kondisi non-standar (volt)
  • E° = potensial sel standar (volt)
  • R = konstanta gas ideal (8,314 J/mol.K)
  • T = suhu dalam Kelvin (K)
  • n = jumlah elektron yang terlibat dalam reaksi redoks
  • F = konstanta Faraday (96485 C/mol)
  • Q = tetapan reaksi kesetimbangan (hasil kali konsentrasi produk dipangkatkan koefisiennya dibagi hasil kali konsentrasi reaktan dipangkatkan koefisiennya)

Pada suhu 298 K (25°C), persamaan Nernst dapat disederhanakan menjadi:

E = E° – (0,0592/n) log Q

Persamaan ini lebih mudah digunakan dalam perhitungan karena nilai (RT/F) pada suhu 298 K sudah dikonversi menjadi 0,0592 V.

III. Penerapan Persamaan Nernst

Persamaan Nernst memiliki beragam penerapan, antara lain:

  • Menghitung potensial sel pada kondisi non-standar: Ini adalah penerapan utama persamaan Nernst. Dengan mengetahui potensial standar dan konsentrasi reaktan dan produk, kita dapat menghitung potensial sel aktual.

  • Menentukan arah reaksi spontan: Jika E > 0, reaksi berlangsung spontan. Jika E < 0, reaksi tidak spontan.

  • Menentukan titik kesetimbangan: Pada titik kesetimbangan, E = 0, sehingga persamaan Nernst dapat digunakan untuk menentukan nilai Q pada kesetimbangan (K).

  • Analisis kimia kuantitatif: Persamaan Nernst dapat digunakan dalam berbagai metode analisis, seperti potensiometri, untuk menentukan konsentrasi ion dalam larutan.

  • Studi korosi: Persamaan Nernst membantu memahami mekanisme korosi dan memprediksi laju korosi pada kondisi tertentu.

IV. Contoh Soal dan Pembahasan

Berikut beberapa contoh soal dan pembahasan yang relevan untuk siswa SMA kelas 3:

Soal 1:

Sebuah sel volta terdiri dari elektroda Zn dan Cu. Reaksi selnya adalah:

Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)

Potensial standar sel (E°) adalah +1,10 V. Hitung potensial sel pada suhu 25°C jika konsentrasi [Zn²⁺] = 0,1 M dan [Cu²⁺] = 1 M.

Pembahasan:

Reaksi sel: Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)

n = 2 (karena transfer 2 elektron)

E° = +1,10 V

[Zn²⁺] = 0,1 M

[Cu²⁺] = 1 M

Q = [Zn²⁺]/[Cu²⁺] = 0,1/1 = 0,1

Menggunakan persamaan Nernst pada suhu 25°C:

E = E° – (0,0592/n) log Q

E = 1,10 – (0,0592/2) log 0,1

E = 1,10 – (0,0296) (-1)

E = 1,10 + 0,0296

E = 1,1296 V

Soal 2:

Sel volta terdiri dari elektroda perak (Ag) dan tembaga (Cu). Reaksi yang terjadi adalah:

2Ag⁺(aq) + Cu(s) → 2Ag(s) + Cu²⁺(aq)

Potensial standar sel (E°) adalah +0,46 V. Jika potensial sel terukur adalah +0,38 V pada suhu 25°C dan [Cu²⁺] = 0,1 M, tentukan konsentrasi [Ag⁺].

Pembahasan:

Reaksi sel: 2Ag⁺(aq) + Cu(s) → 2Ag(s) + Cu²⁺(aq)

n = 2

E° = +0,46 V

E = +0,38 V

[Cu²⁺] = 0,1 M

Q = [Cu²⁺]/[Ag⁺]²

Menggunakan persamaan Nernst pada suhu 25°C:

E = E° – (0,0592/n) log Q

0,38 = 0,46 – (0,0592/2) log ([Cu²⁺]/[Ag⁺]²)

-0,08 = -0,0296 log (0,1/[Ag⁺]²)

log (0,1/[Ag⁺]²) = 2,70

0,1/[Ag⁺]² = 10²⁷⁰ ≈ 501

[Ag⁺]² = 0,1/501

[Ag⁺] = √(0,1/501) ≈ 0,0141 M

Soal 3:

Suatu sel elektrokimia memiliki reaksi:

Fe³⁺(aq) + e⁻ → Fe²⁺(aq) E° = +0,77 V

Hitung potensial elektroda pada suhu 25°C jika konsentrasi [Fe³⁺] = 0,01 M dan [Fe²⁺] = 1 M.

Pembahasan:

Reaksi reduksi: Fe³⁺(aq) + e⁻ → Fe²⁺(aq)

n = 1

E° = +0,77 V

[Fe³⁺] = 0,01 M

[Fe²⁺] = 1 M

Q = [Fe²⁺]/[Fe³⁺] = 1/0,01 = 100

E = E° – (0,0592/n) log Q

E = 0,77 – (0,0592/1) log 100

E = 0,77 – 0,1184

E = 0,6516 V

V. Kesimpulan

Persamaan Nernst merupakan alat yang ampuh untuk menghitung potensial sel pada kondisi non-standar. Pemahaman yang mendalam tentang persamaan ini dan penerapannya sangat penting bagi siswa SMA kelas 3 dalam memahami konsep elektrokimia secara komprehensif. Melalui latihan soal yang beragam, siswa dapat memperdalam pemahaman dan kemampuan mereka dalam menyelesaikan permasalahan terkait persamaan Nernst. Dengan demikian, mereka akan siap menghadapi tantangan dalam pembelajaran elektrokimia yang lebih lanjut.