13.5 Application of electrochemistry
Unit ini menerangkan aplikasi elektrokimia: sel bahan api hidrogen-oksigen, pengekstrakan aluminium, penganodan aluminium, sel diafragma untuk klorin dan rawatan efluen industri.
SP 13.5.1Explain the hydrogen-oxygen fuel cell and its importance;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Explain (Menerangkan)
Calon perlu menerangkan tindak balas di anod dan katod sel bahan api hidrogen-oksigen (hydrogen-oxygen fuel cell) serta kepentingannya.
- IsiTindak balas selHuraian
Anod: H₂ + 2OH⁻ → 2H₂O + 2e⁻; katod: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻; keseluruhan 2H₂ + O₂ → 2H₂O, E°sel ≈ +1.23 V.
ContohElektron dari anod mengalir melalui motor kenderaan ke katod.
- IsiKepentinganHuraian
Hasil hanya air, kecekapan tinggi dan bekalan berterusan selagi bahan api dibekalkan; cabaran ialah penyimpanan H₂ dan kos mangkin Pt.
ContohDigunakan dalam kapal angkasa: air yang terhasil boleh diminum oleh angkasawan.
JadualSel bahan api hidrogen-oksigen (elektrolit alkali)
| Elektrod | Tindak balas |
|---|---|
| Anod (negatif) | H₂(g) + 2OH⁻(aq) → 2H₂O(l) + 2e⁻ |
| Katod (positif) | O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e⁻ → 4OH⁻(aq) |
| Keseluruhan | 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l); E°sel ≈ +1.23 V |
Poin utamaKepentingan sel bahan api
- Hasil sampingan hanya air: tiada CO₂, SO₂ atau NOₓ di tempat penggunaan.
- Kecekapan tukaran tenaga lebih tinggi daripada enjin pembakaran.
- Membekal elektrik secara berterusan selagi bahan api dibekalkan (digunakan dalam kapal angkasa dan kenderaan).
- Cabaran: penyimpanan H₂ dan kos mangkin platinum.
SP 13.5.2Explain the extraction of aluminium by electrolysis;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Explain (Menerangkan)
Calon perlu menerangkan pengekstrakan aluminium melalui elektrolisis alumina dalam kriolit lebur, termasuk tindak balas elektrod, dan kitar semula aluminium serta kelebihannya (catatan RPT).
- IsiProses elektrolisisHuraian
Al₂O₃ dilarutkan dalam kriolit lebur (Na₃AlF₆) untuk merendahkan suhu kepada kira-kira 950 °C; katod: Al³⁺ + 3e⁻ → Al; anod grafit: 2O²⁻ → O₂ + 4e⁻ dan anod terbakar menjadi CO₂.
Contoh1 mol Al memerlukan 3 mol elektron, jadi proses ini menggunakan tenaga elektrik yang sangat besar.
- IsiKitar semula aluminiumHuraian
Melebur semula tin aluminium hanya memerlukan kira-kira 5% tenaga pengekstrakan daripada bauksit, menjimatkan bijih, mengurangkan perlombongan, pelepasan CO₂ dan sisa tapak pelupusan.
ContohTin minuman terpakai dikumpul, dilebur dan dijadikan kepingan aluminium baharu.
Peta alirPengekstrakan aluminium (proses Hall-Héroult)
- Bauksit ditulenkan menjadi alumina, Al₂O₃.
- Al₂O₃ dilarutkan dalam kriolit lebur, Na₃AlF₆, untuk merendahkan takat lebur (kira-kira 2050 °C kepada kira-kira 950 °C) dan meningkatkan kekonduksian.
- Katod (lapisan grafit sel): Al³⁺ + 3e⁻ → Al(l); aluminium lebur terkumpul di dasar.
- Anod grafit: 2O²⁻ → O₂ + 4e⁻; O₂ bertindak balas dengan karbon panas membentuk CO₂, maka anod perlu diganti secara berkala.
Poin utamaKitar semula aluminium (recycling of aluminium) dan kelebihannya
- Aluminium terpakai (tin minuman, kerajang, bingkai) dikumpul, diasingkan, dibersihkan dan dilebur semula.
- Menjimatkan tenaga: kira-kira 5% sahaja tenaga elektrolisis Hall-Héroult diperlukan.
- Menjimatkan sumber bauksit dan kriolit serta mengurangkan kerosakan akibat perlombongan.
- Mengurangkan pelepasan CO₂ (anod grafit terbakar) dan sisa di tapak pelupusan.
SP 13.5.3Explain the process of anodisation of aluminium;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Explain (Menerangkan)
Calon perlu menerangkan proses penganodan (anodisation) aluminium: susunan sel, tindak balas di anod dan sebab lapisan oksida terbentuk.
- IsiSusunan dan tindak balasHuraian
Objek Al dijadikan anod dalam asid sulfurik cair; oksigen yang terbentuk di anod bergabung dengan Al membina lapisan Al₂O₃ yang tebal; H₂ terbebas di katod.
ContohBingkai tingkap aluminium dianodkan supaya tahan cuaca.
- IsiSifat lapisanHuraian
Lapisan Al₂O₃ keras, tahan kakisan dan berliang sehingga boleh menyerap pewarna.
ContohBotol air aluminium berwarna-warni dihasilkan dengan mewarnakan lapisan oksida sebelum ditutup.
NotaPenganodan aluminium (anodisation)
Objek aluminium dijadikan anod dalam elektrolit asid sulfurik cair. Air dioksidakan di anod: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻; oksigen bertindak balas dengan aluminium membina lapisan Al₂O₃ yang lebih tebal (keseluruhan 2Al + 3H₂O → Al₂O₃ + 6H⁺ + 6e⁻). Lapisan oksida ini melindungi daripada kakisan, keras dan berliang sehingga boleh menyerap pewarna. Katod (cth plumbum/grafit) membebaskan H₂.
SP 13.5.4Explain the diaphragm cell in the manufacture of chlorine from brine;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Explain (Menerangkan)
Calon perlu menerangkan sel diafragma (diaphragm cell) dalam penghasilan klorin daripada air garam: tindak balas elektrod, fungsi diafragma dan hasil sampingan.
- IsiTindak balas elektrodHuraian
Anod titanium/grafit: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻; katod keluli: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻.
ContohTiga hasil berguna: Cl₂, H₂ dan NaOH.
- IsiFungsi diafragmaHuraian
Diafragma berliang memisahkan Cl₂ daripada H₂ dan OH⁻ supaya tidak membentuk NaOCl atau campuran H₂-Cl₂ yang meletup; aras cecair anod lebih tinggi supaya aliran sehala.
ContohLarutan keluar dari ruang katod mengandungi NaOH bercampur NaCl, dipekatkan supaya NaCl menghablur.
Peta alirSel diafragma: klorin daripada air garam (brine)
- Air garam NaCl pekat dimasukkan ke ruang anod.
- Anod titanium/grafit: 2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻.
- Katod keluli: 2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq).
- Diafragma berliang (asbestos atau polimer) mengasingkan Cl₂ daripada H₂ dan OH⁻ supaya tidak bertindak balas (mengelak pembentukan NaOCl dan campuran H₂-Cl₂ yang meletup); aras cecair ruang anod lebih tinggi untuk aliran sehala.
- Larutan dari ruang katod mengandungi NaOH bercampur NaCl; dipekatkan dan NaCl dihablurkan keluar.
SP 13.5.5Describe the treatment of industrial effluent to remove Ni2+, Cr3+ and Cd2+.
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Describe (Memerihalkan)
Calon perlu memerihalkan kaedah rawatan efluen industri untuk menyingkirkan ion Ni²⁺, Cr³⁺ dan Cd²⁺ sebelum dilepaskan.
- IsiPemendakan hidroksidaHuraian
Kapur Ca(OH)₂ atau NaOH ditambah untuk menaikkan pH; ion logam termendak sebagai hidroksida tidak larut yang dienapkan dan ditapis.
ContohCr³⁺ + 3OH⁻ → Cr(OH)₃(s); Cd²⁺ + 2OH⁻ → Cd(OH)₂(s).
- IsiKaedah elektrokimiaHuraian
Efluen dielektrolisis: ion logam diturunkan dan terenap di katod, membolehkan logam diperoleh semula.
ContohNi²⁺ + 2e⁻ → Ni di katod sel rawatan kilang penyaduran nikel.
Peta pokokRawatan efluen industri untuk ion logam berat
- Tambah kapur (Ca(OH)₂) atau NaOH untuk menaikkan pH
- Ni²⁺ + 2OH⁻ → Ni(OH)₂(s); Cr³⁺ + 3OH⁻ → Cr(OH)₃(s); Cd²⁺ + 2OH⁻ → Cd(OH)₂(s)
- Mendakan dibiar enap, ditapis dan enapcemar dilupuskan dengan selamat
- Elektrolisis efluen: ion logam diturunkan dan terenap di katod (cth Ni²⁺ + 2e⁻ → Ni, Cd²⁺ + 2e⁻ → Cd)
- Logam boleh diperoleh semula
- Ion ini toksik dan terkumpul dalam rantai makanan
- Mematuhi had pelepasan efluen sebelum dilepaskan ke sungai
Ingat: mnemonik & kad imbas
Mnemonik
- SAADE
- Aplikasi elektrokimia: Sel bahan api, Aluminium (pengekstrakan), Anodisasi, Diafragma (klorin), Efluen (rawatan).
Kad imbas
- Hasil sel bahan api H₂-O₂
- Air sahaja
- Fungsi kriolit
- Melarutkan Al₂O₃ dan merendahkan takat lebur
- Mengapa anod grafit diganti?
- Terbakar oleh O₂ membentuk CO₂
- Objek dalam penganodan dijadikan
- Anod; lapisan Al₂O₃ ditebalkan
- Fungsi diafragma
- Mengasingkan Cl₂ daripada H₂ dan NaOH
- Kaedah utama singkir Ni²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺
- Mendakan sebagai hidroksida dengan menaikkan pH
Semak kefahaman
Tulis persamaan keseluruhan sel bahan api hidrogen-oksigen. (SP 13.5.1)
Lihat jawapan
2H₂ + O₂ → 2H₂O.
Tulis setengah persamaan di katod dalam pengekstrakan aluminium. (SP 13.5.2)
Lihat jawapan
Al³⁺ + 3e⁻ → Al.
Dalam penganodan aluminium, nyatakan elektrod bagi objek aluminium dan elektrolit yang digunakan. (SP 13.5.3)
Lihat jawapan
Objek aluminium dijadikan anod dalam asid sulfurik cair.
Namakan tiga hasil berguna daripada sel diafragma. (SP 13.5.4)
Lihat jawapan
Klorin, hidrogen dan natrium hidroksida.
Tulis persamaan ion bagi pemendakan Cd²⁺ sebagai hidroksida. (SP 13.5.5)
Lihat jawapan
Cd²⁺ + 2OH⁻ → Cd(OH)₂.
16 soalan latihan pelbagai aras, kad imbas dan Kad Tahniah ada dalam mod interaktif.
Untuk guru: cadangan aktiviti ikut aras kognitif (4)
- Mengingat
Aktiviti: Murid menyenaraikan lima kegunaan elektrokimia dalam industri, seperti sel bahan api, pengekstrakan aluminium dan sel diafragma.
Bukti hasil kerja: Lembaran kerja atau kuiz ringkas: ketepatan ingatan istilah dan fakta tentang aplikasi elektrokimia.
SP disasar: 13.5.1, 13.5.2, 13.5.4 · Latihan sepadan: aras Mengingat - Memahami
Aktiviti: Berpasangan, murid menerangkan sel bahan api hidrogen-oksigen dan proses anodisasi aluminium dengan lakaran.
Bukti hasil kerja: Penerangan lisan dan lukisan murid tentang aplikasi elektrokimia; semak ketepatan hubungan sebab dan akibat.
SP disasar: 13.5.1, 13.5.3 · Latihan sepadan: aras Memahami - Mengaplikasi
Aktiviti: Murid menyusun langkah pengekstrakan aluminium daripada bauksit dan pengeluaran klorin daripada air garam, dan menulis persamaan elektrod.
Bukti hasil kerja: Jawapan lembaran kerja atau hasil pengiraan tentang aplikasi elektrokimia; semak kaedah dan ketepatan jawapan.
SP disasar: 13.5.2, 13.5.4 · Latihan sepadan: aras Mengaplikasi - Menilai
Aktiviti: Dalam kumpulan, murid menilai kaedah merawat efluen industri untuk menyingkirkan Ni2+, Cr3+ dan Cd2+ dari segi keberkesanan dan alam sekitar.
Bukti hasil kerja: Justifikasi bertulis tentang aplikasi elektrokimia dengan rubrik ringkas: kriteria, bukti dan keputusan.
SP disasar: 13.5.5 · Latihan sepadan: aras Menilai
Cadangan ini mengikut aras kognitif hasil pembelajaran (bukan TP DSKP kerana STPM tiada TP). Buka unit dan latihan
Siapkan unit ini dalam mod interaktif untuk mendapat bintang, anggaran TP dan Kad Tahniah. Siapkan semua 65 unit Kimia STPM untuk Sijil Penghargaan SistemGuru.My.