Skip to content · ⁨Lompat ke konten⁩

Thermodynamics and Electrochemistry · ⁨Termodinamika dan Elektrokimia⁩

AP Chemistry · ⁨AP Kimia⁩ · Topic 9 · ⁨Topik 9⁩

Video lesson for this topic · ⁨Pelajaran video untuk topik ini⁩ Open the video page · ⁨Buka halaman video⁩
8:16

Termodinamika dan Elektrokimia

Dua teka-teki. Pegang es batu: ia mencair di genggaman tangan Anda, meskipun mencair membutuhkan energi masuk. Sekarang lihat berlian. Setiap berlian seharusnya perlahan berubah menjadi…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Narasi bahasa Inggris · Subtitle bahasa Inggris + 中文 disematkan langsung⁩

9.1

Introduction to Entropy · ⁨Pengantar Entropi⁩

Syllabus · ⁨Silabus⁩
English

Learning Objective 9.1.A: Identify the sign and relative magnitude of the entropy change associated with chemical or physical processes.

  • 9.1.A.1 Entropy increases when matter becomes more dispersed. For example, the phase change from solid to liquid or from liquid to gas results in a dispersal of matter as the individual particles become freer to move and generally occupy a larger volume. Similarly, for a gas, the entropy increases when there is an increase in volume (at constant temperature), and the gas molecules are able to move within a larger space. For reactions involving gas-phase reactants or products, the entropy generally increases when the total number of moles of gas-phase products is greater than the total number of moles of gas-phase reactants.
  • 9.1.A.2 Entropy increases when energy is dispersed. According to kinetic molecular theory (KMT), the distribution of kinetic energy among the particles of a gas broadens as the temperature increases. As a result, the entropy of the system increases with an increase in temperature.
Bahasa Indonesia

Tujuan Pembelajaran 9.1.A: Identifikasi tanda dan besaran relatif perubahan entropi yang terkait dengan proses kimia atau fisik.

  • 9.1.A.1 Entropi meningkat ketika materi menjadi lebih tersebar. Misalnya, perubahan fase dari padat ke cair atau dari cair ke gas menghasilkan penyebaran materi karena partikel individu menjadi lebih bebas bergerak dan umumnya menempati volume yang lebih besar. Demikian pula, untuk gas, entropi meningkat ketika terjadi peningkatan volume (pada suhu konstan), dan molekul gas mampu bergerak dalam ruang yang lebih luas. Untuk reaksi yang melibatkan reaktan atau produk berfasa gas, entropi umumnya meningkat ketika total mol produk berfasa gas lebih besar daripada total mol reaktan berfasa gas.
  • 9.1.A.2 Entropi meningkat ketika energi tersebar. Menurut teori kinetik molekuler (KMT), distribusi energi kinetik di antara partikel gas melebar seiring meningkatnya suhu. Akibatnya, entropi sistem meningkat seiring kenaikan suhu.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP⁩

English

Entropy 熵 $S$ measures the dispersal of energy and matter – loosely, the number of ways to arrange a system. Entropy increases when a substance goes solid → liquid → gas, when a solid dissolves, when gas moles increase, or when temperature rises. More disorder means higher entropy.

Bahasa Indonesia
Baterai rumah tangga: sel elektrokimia mengubah energi bebas kimia menjadi kerja listrik
Baterai rumah tangga: sel elektrokimia mengubah energi bebas kimia menjadi kerja listrik

Entropi $S$ mengukur penyebaran energi dan materi—secara kasat mata, jumlah cara menyusun suatu sistem. Entropi meningkat ketika suatu zat berubah dari padat → cair → gas, saat pelarutan padat, saat jumlah mol gas bertambah, atau saat suhu naik. Ketidakteraturan yang lebih besar berarti entropi yang lebih tinggi.

Entropi meningkat dari padat ke cair ke gas
Entropi meningkat dari padat ke cair ke gas
Vocabulary · ⁨Kosa kata⁩ Train · ⁨Latih⁩
English Bahasa Indonesia
Entropy/ˈentrəpi/ Entropi
Gibbs free energy/ɡɪbz friː ˈenədʒi/ Energi bebas Gibbs
thermodynamically favorable/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪkli ˈfeɪvərəbl/ secara termodinamika menguntungkan
galvanic (voltaic) cell/ɡælˈvænɪk sel/ sel galvanik (voltaic)
9.2

Absolute Entropy and Entropy Change · ⁨Entropi Absolut dan Perubahan Entropi⁩

Syllabus · ⁨Silabus⁩
English

Learning Objective 9.2.A: Calculate the standard entropy change for a chemical or physical process based on the absolute entropies (standard molar entropies) of the species involved in the process.

  • 9.2.A.1 The entropy change for a process can be calculated from the absolute entropies of the species involved before and after the process occurs.
    • Equation: $\Delta S^{\circ}_{reaction} = \Sigma S^{\circ}_{products} - \Sigma S^{\circ}_{reactants}$
Bahasa Indonesia

Tujuan Pembelajaran 9.2.A: Hitung perubahan entropi standar untuk proses kimia atau fisik berdasarkan entropi absolut (entropi molar standar) dari spesies yang terlibat dalam proses tersebut.

  • 9.2.A.1 Perubahan entropi untuk suatu proses dapat dihitung dari entropi absolut spesies yang terlibat sebelum dan setelah proses berlangsung.
    • Persamaan: $\Delta S^{\circ}_{reaction} = \Sigma S^{\circ}_{products} - \Sigma S^{\circ}_{reactants}$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP⁩

English

Every substance has a positive absolute entropy $S^\circ$. For a reaction,

$$\Delta S^\circ = \sum S^\circ(\text{products}) - \sum S^\circ(\text{reactants}).$$
Predict its sign from the change in gas moles: making more gas raises entropy ($\Delta S>0$).

Bahasa Indonesia

Setiap zat memiliki entropi absolut positif $S^\circ$. Untuk suatu reaksi,

$$\Delta S^\circ = \sum S^\circ(\text{products}) - \sum S^\circ(\text{reactants}).$$
Prediksi tanda perubahannya berdasarkan perubahan jumlah mol gas: pembentukan gas lebih banyak meningkatkan entropi ($\Delta S>0$).

9.3

Gibbs Free Energy and Thermodynamic Favorability · ⁨Energi Bebas Gibbs dan Kelayakan Termodinamika⁩

Syllabus · ⁨Silabus⁩
English

Learning Objective 9.3.A: Explain whether a physical or chemical process is thermodynamically favored based on an evaluation of $\Delta G^{\circ}$.

  • 9.3.A.1 The Gibbs free energy change for a chemical process in which all the reactants and products are present in a standard state (as pure substances, as solutions of 1.0 M concentration, or as gases at a pressure of 1.0 atm (or 1.0 bar)) is given the symbol $\Delta G^{\circ}$.

  • 9.3.A.2 The standard Gibbs free energy change for a chemical or physical process is a measure of thermodynamic favorability. Historically, the term "spontaneous" has been used to describe processes for which $\Delta G^{\circ} < 0$. The phrase "thermodynamically favored" is preferred instead so that common misunderstandings (equating "spontaneous" with "suddenly" or "without cause") can be avoided. When $\Delta G^{\circ} < 0$ for the process, it is said to be thermodynamically favored.

  • 9.3.A.3 The standard Gibbs free energy change for a physical or chemical process may also be determined from the standard Gibbs free energy of formation of the reactants and products.

    • Equation: $\Delta G^{\circ}_{reaction} = \Sigma \Delta G^{\circ}_{f\ products} - \Sigma \Delta G^{\circ}_{f\ reactants}$
  • 9.3.A.4 In some cases, it is necessary to consider both enthalpy and entropy to determine if a process will be thermodynamically favored. The freezing of water and the dissolution of sodium nitrate are examples of such phenomena.

  • 9.3.A.5 Knowing the values of $\Delta H^{\circ}$ and $\Delta S^{\circ}$ for a process at a given temperature allows $\Delta G^{\circ}$ to be calculated directly.

    • Equation: $\Delta G^{\circ} = \Delta H^{\circ} - T\,\Delta S^{\circ}$
  • 9.3.A.6 In general, the temperature conditions for a process to be thermodynamically favored ($\Delta G^{\circ} < 0$) can be predicted from the signs of $\Delta H^{\circ}$ and $\Delta S^{\circ}$ as shown in the table below:

    $\Delta H^{\circ}$ $\Delta S^{\circ}$ Symbols $\Delta G^{\circ} < 0$, favored at:
    $< 0$ $> 0$ $<\ >$ all $T$
    $> 0$ $< 0$ $>\ <$ no $T$
    $> 0$ $> 0$ $>\ >$ high $T$
    $< 0$ $< 0$ $<\ <$ low $T$

    In cases where $\Delta H^{\circ} < 0$ and $\Delta S^{\circ} > 0$, no calculation of $\Delta G^{\circ}$ is necessary to determine that the process is thermodynamically favored ($\Delta G^{\circ} < 0$). In cases where $\Delta H^{\circ} > 0$ and $\Delta S^{\circ} < 0$, no calculation of $\Delta G^{\circ}$ is necessary to determine that the process is thermodynamically unfavored ($\Delta G^{\circ} > 0$).

Bahasa Indonesia

Tujuan Pembelajaran 9.3.A: Jelaskan apakah sebuah proses fisik atau kimia secara termodinamika menguntungkan berdasarkan evaluasi $\Delta G^{\circ}$.

  • 9.3.A.1 Perubahan energi bebas Gibbs untuk proses kimia di mana semua reaktan dan produk berada dalam keadaan standar (sebagai zat murni, sebagai larutan dengan konsentrasi 1.0 M, atau sebagai gas pada tekanan 1.0 atm (atau 1.0 bar)) dilambangkan dengan $\Delta G^{\circ}$.

  • 9.3.A.2 Perubahan energi bebas Gibbs standar untuk proses kimia atau fisik merupakan ukuran kelayakan termodinamika. Secara historis, istilah "spontan" telah digunakan untuk menggambarkan proses di mana $\Delta G^{\circ} < 0$. Frasa "termodinamik favored" lebih disukai agar kesalahpahaman umum (menyamakan "spontan" dengan "tiba-tiba" atau "tanpa sebab") dapat dihindari. Ketika $\Delta G^{\circ} < 0$ untuk proses tersebut, dikatakan bahwa proses itu termodinamik favored.

  • 9.3.A.3 Perubahan energi bebas Gibbs standar untuk proses fisik atau kimia juga dapat ditentukan dari energi bebas Gibbs pembentukan standar dari reaktan dan produk.

    • Persamaan: $\Delta G^{\circ}_{reaction} = \Sigma \Delta G^{\circ}_{f\ products} - \Sigma \Delta G^{\circ}_{f\ reactants}$
  • 9.3.A.4 Dalam beberapa kasus, perlu mempertimbangkan baik entalpi maupun entropi untuk menentukan apakah suatu proses akan termodinamika menguntungkan. Pembekuan air dan pelarutan natrium nitrat adalah contoh fenomena seperti itu.

  • 9.3.A.5 Mengetahui nilai $\Delta H^{\circ}$ dan $\Delta S^{\circ}$ untuk suatu proses pada suhu tertentu memungkinkan $\Delta G^{\circ}$ untuk dihitung secara langsung.

    • Persamaan: $\Delta G^{\circ} = \Delta H^{\circ} - T\,\Delta S^{\circ}$
  • 9.3.A.6 Secara umum, kondisi suhu untuk suatu proses agar termodinamika menguntungkan ($\Delta G^{\circ} < 0$) dapat diprediksi dari tanda $\Delta H^{\circ}$ dan $\Delta S^{\circ}$ seperti yang ditunjukkan dalam tabel di bawah ini:

    $\Delta H^{\circ}$ $\Delta S^{\circ}$ Simbol $\Delta G^{\circ} < 0$, menguntungkan pada:
    $< 0$ $> 0$ $<\ >$ semua $T$
    $> 0$ $< 0$ $>\ <$ tidak ada $T$
    $> 0$ $> 0$ $>\ >$ tinggi $T$
    $< 0$ $< 0$ $<\ <$ rendah $T$

    Dalam kasus di mana $\Delta H^{\circ} < 0$ dan $\Delta S^{\circ} > 0$, tidak diperlukan perhitungan $\Delta G^{\circ}$ untuk menentukan bahwa proses tersebut termodinamik favored ($\Delta G^{\circ} < 0$). Dalam kasus di mana $\Delta H^{\circ} > 0$ dan $\Delta S^{\circ} < 0$, tidak diperlukan perhitungan $\Delta G^{\circ}$ untuk menentukan bahwa proses tersebut termodinamik unfavored ($\Delta G^{\circ} > 0$).

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP⁩

English

Gibbs free energy 吉布斯自由能 combines enthalpy and entropy:

$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S.$$
A process is thermodynamically favorable 热力学有利 when $\Delta G<0$. So exothermic ($\Delta H<0$) and entropy-increasing ($\Delta S>0$) reactions are always favorable; when the two oppose, temperature decides.

Worked example. A reaction has $\Delta H=+40\ \text{kJ/mol}$ and $\Delta S=+120\ \text{J/(mol K)}$. It is endothermic (unfavorable enthalpy) but entropy-increasing, so it becomes favorable only when hot enough. Setting $\Delta G=\Delta H-T\Delta S<0$ and matching units ($\Delta S=0.120\ \text{kJ}$):

$$T>\frac{\Delta H}{\Delta S}=\frac{40}{0.120}=333\ \text{K}\;(60\,{}^{\circ}\text{C}).$$

Bahasa Indonesia

Energi bebas Gibbs menggabungkan entalpi dan entropi:

$$\Delta G = \Delta H - T\Delta S.$$
Suatu proses layak secara termodinamika ketika $\Delta G<0$. Oleh karena itu, reaksi eksotermis ($\Delta H<0$) dan peningkatan entropi ($\Delta S>0$) selalu layak; ketika keduanya berlawanan arah, suhu yang menentukan.

Kelayakan suatu reaksi berdasarkan tanda perubahan entalpi dan entropi
Kelayakan suatu reaksi berdasarkan tanda perubahan entalpi dan entropi

Contoh soal terpecahkan. Suatu reaksi memiliki $\Delta H=+40\ \text{kJ/mol}$ dan $\Delta S=+120\ \text{J/(mol K)}$. Reaksi ini endotermis (entalpi tidak menguntungkan) namun meningkatkan entropi, sehingga menjadi layak hanya ketika suhunya cukup tinggi. Dengan menetapkan $\Delta G=\Delta H-T\Delta S<0$ dan menyamakan satuan ($\Delta S=0.120\ \text{kJ}$):

$$T>\frac{\Delta H}{\Delta S}=\frac{40}{0.120}=333\ \text{K}\;(60\,{}^{\circ}\text{C}).$$

9.4

Thermodynamic and Kinetic Control · ⁨Kontrol Termodinamika dan Kinetika⁩

Syllabus · ⁨Silabus⁩
English

Learning Objective 9.4.A: Explain, in terms of kinetics, why a thermodynamically favored reaction might not occur at a measurable rate.

  • 9.4.A.1 Many processes that are thermodynamically favored do not occur to any measurable extent, or they occur at extremely slow rates.
  • 9.4.A.2 Processes that are thermodynamically favored, but do not proceed at a measurable rate, are under "kinetic control." High activation energy is a common reason for a process to be under kinetic control. The fact that a process does not proceed at a noticeable rate does not mean that the chemical system is at equilibrium. If a process is known to be thermodynamically favored, and yet does not occur at a measurable rate, it is reasonable to conclude that the process is under kinetic control.
Bahasa Indonesia

Tujuan Pembelajaran 9.4.A: Jelaskan, dalam istilah kinetika, mengapa reaksi yang termodinamika menguntungkan mungkin tidak terjadi pada laju yang dapat diukur.

  • 9.4.A.1 Banyak proses yang termodinamika menguntungkan tidak terjadi dalam skala yang dapat diukur, atau terjadi pada laju yang sangat lambat.
  • 9.4.A.2 Proses yang termodinamika menguntungkan, tetapi tidak berjalan pada laju yang dapat diukur, berada di bawah "kontrol kinetik." Energi aktivasi tinggi adalah alasan umum bagi suatu proses untuk berada di bawah kontrol kinetik. Fakta bahwa suatu proses tidak berjalan pada laju yang terlihat tidak berarti bahwa sistem kimia berada dalam kesetimbangan. Jika suatu proses diketahui termodinamika menguntungkan, namun tidak terjadi pada laju yang dapat diukur, maka wajar menyimpulkan bahwa proses tersebut berada di bawah kontrol kinetik.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP⁩

English

$\Delta G<0$ says a reaction can happen, not that it will happen fast. A reaction can be thermodynamically favorable yet kinetically slow because of a high activation energy (diamond → graphite). Thermodynamics gives the direction; kinetics gives the speed.

Bahasa Indonesia

$\Delta G<0$ menyatakan bahwa suatu reaksi dapat terjadi, bukan berarti akan terjadi dengan cepat. Suatu reaksi dapat menguntungkan secara termodinamika namun kinetiknya lambat karena energi aktivasi yang tinggi (berlian → grafit). Termodinamika menentukan arah; kinetika menentukan kecepatan.

9.5

Free Energy and Equilibrium · ⁨Energi Bebas dan Kesetimbangan⁩

Syllabus · ⁨Silabus⁩
English

Learning Objective 9.5.A: Explain whether a process is thermodynamically favored using the relationships between $K$, $\Delta G^{\circ}$, and $T$.

  • 9.5.A.1 The phrase "thermodynamically favored" ($\Delta G^{\circ} < 0$) means that the products are favored at equilibrium ($K > 1$) under standard conditions.
  • 9.5.A.2 The equilibrium constant is related to free energy by the equations
    • Equation: $K = e^{-\Delta G^{\circ}/RT}$
    • Equation: $\Delta G^{\circ} = -RT \ln K$
  • 9.5.A.3 Connections between $K$ and $\Delta G^{\circ}$ can be made qualitatively through estimation. When $\Delta G^{\circ}$ is near zero, the equilibrium constant will be close to 1. When $\Delta G^{\circ}$ is much larger or much smaller than $RT$, the value of $K$ deviates strongly from 1.
  • 9.5.A.4 Processes with $\Delta G^{\circ} < 0$ favor products (i.e., $K > 1$) and those with $\Delta G^{\circ} > 0$ favor reactants (i.e., $K < 1$).
Bahasa Indonesia

Tujuan Pembelajaran 9.5.A: Jelaskan apakah suatu proses termodinamika menguntungkan menggunakan hubungan antara $K$, $\Delta G^{\circ}$, dan $T$.

  • 9.5.A.1 Frasa "termodinamika menguntungkan" ($\Delta G^{\circ} < 0$) berarti produk lebih disukai pada kesetimbangan ($K > 1$) di bawah kondisi standar.
  • 9.5.A.2 Konstanta kesetimbangan berkaitan dengan energi bebas melalui persamaan
    • Persamaan: $K = e^{-\Delta G^{\circ}/RT}$
    • Persamaan: $\Delta G^{\circ} = -RT \ln K$
  • 9.5.A.3 Hubungan antara $K$ dan $\Delta G^{\circ}$ dapat dibuat secara kualitatif melalui estimasi. Ketika $\Delta G^{\circ}$ mendekati nol, konstanta kesetimbangan akan mendekati 1. Ketika $\Delta G^{\circ}$ jauh lebih besar atau jauh lebih kecil daripada $RT$, nilai $K$ menyimpang kuat dari 1.
  • 9.5.A.4 Proses dengan $\Delta G^{\circ} < 0$ menyukai produk (yaitu, $K > 1$) dan mereka dengan $\Delta G^{\circ} > 0$ menyukai reaktan (yaitu, $K < 1$).

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP⁩

English

Free energy links to the equilibrium constant:

$$\Delta G^\circ = -RT\ln K.$$
So $\Delta G^\circ<0$ gives $K>1$ (products favored), and $\Delta G^\circ>0$ gives $K<1$. At equilibrium $\Delta G=0$.

Bahasa Indonesia

Energi bebas terkait dengan konstanta kesetimbangan:

$$\Delta G^\circ = -RT\ln K.$$
Sehingga $\Delta G^\circ<0$ memberikan $K>1$ (produk disukai), dan $\Delta G^\circ>0$ memberikan $K<1$. Pada kesetimbangan $\Delta G=0$.

Baterai mengubah energi bebas dari reaksi redoks spontan menjadi kerja listrik
Baterai mengubah energi bebas dari reaksi redoks spontan menjadi kerja listrik
9.6

Free Energy of Dissolution · ⁨Energi Bebas Pelarutan⁩

Syllabus · ⁨Silabus⁩
English

Learning Objective 9.6.A: Explain the relationship between the solubility of a salt and changes in the enthalpy and entropy that occur in the dissolution process.

  • 9.6.A.1 The free energy change ($\Delta G^{\circ}$) for dissolution of a substance reflects a number of factors: the breaking of the intermolecular interactions that hold the solid together, the reorganization of the solvent around the dissolved species, and the interaction of the dissolved species with the solvent. It is possible to estimate the sign and relative magnitude of the enthalpic and entropic contributions to each of these factors. However, making predictions for the total change in free energy of dissolution can be challenging due to the cancellations among the free energies associated with the three factors cited.
Bahasa Indonesia

Tujuan Pembelajaran 9.6.A: Jelaskan hubungan antara kelarutan garam dan perubahan entalpi serta entropi yang terjadi dalam proses pelarutan.

  • 9.6.A.1 Perubahan energi bebas ($\Delta G^{\circ}$) untuk pelarutan suatu zat mencerminkan sejumlah faktor: pemutusan interaksi antarmolekul yang mengikat padatan, reorganisasi pelarut di sekitar spesies terlarut, dan interaksi spesies terlarut dengan pelarut. Dimungkinkan untuk memperkirakan tanda dan besaran relatif kontribusi entalpi dan entropi untuk masing-masing faktor ini. Namun, membuat prediksi untuk perubahan total energi bebas pelarutan dapat menjadi sulit karena adanya pembatalan antar energi bebas yang terkait dengan ketiga faktor tersebut.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP⁩

English

Whether a salt dissolves depends on the free-energy change of dissolving. Dissolving often increases entropy (ordered solid → dispersed ions) but may cost enthalpy; the sign of $\Delta G$ (and thus $K_{sp}$) follows from $\Delta H - T\Delta S$.

Bahasa Indonesia

Apakah suatu garam larut bergantung pada perubahan energi bebas pelarutan. Pelarutan sering meningkatkan entropi (padatan teratur → ion tersebar) tetapi mungkin memerlukan entalpi; tanda $\Delta G$ (dan oleh karena itu $K_{sp}$) ditentukan dari $\Delta H - T\Delta S$.

9.7

Coupled Reactions · ⁨Reaksi Berpasangan⁩

Syllabus · ⁨Silabus⁩
English

Learning Objective 9.7.A: Explain the relationship between external sources of energy or coupled reactions and their ability to drive thermodynamically unfavorable processes.

  • 9.7.A.1 An external source of energy can be used to make a thermodynamically unfavorable process occur. Examples include:
    • 9.7.A.1.i Electrical energy to drive an electrolytic cell or charge a battery.
    • 9.7.A.1.ii Light to drive the overall conversion of carbon dioxide to glucose in photosynthesis.
  • 9.7.A.2 A desired product can be formed by coupling a thermodynamically unfavorable reaction that produces that product to a favorable reaction (e.g., the conversion of $ATP$ to $ADP$ in biological systems). In the coupled system, the individual reactions share one or more common intermediates. The sum of the individual reactions produces an overall reaction that achieves the desired outcome and has $\Delta G^{\circ} < 0$.
Bahasa Indonesia

Tujuan Pembelajaran 9.7.A: Jelaskan hubungan antara sumber energi eksternal atau reaksi terkopel dan kemampuannya untuk mendorong proses yang tidak menguntungkan secara termodynamik.

  • 9.7.A.1 Sumber energi eksternal dapat digunakan untuk memfasilitasi terjadinya proses yang tidak menguntungkan secara termodynamik. Contohnya meliputi:
    • 9.7.A.1.i Energi listrik untuk menggerakkan sel elektrolitik atau mengisi ulang baterai.
    • 9.7.A.1.ii Cahaya untuk menggerakkan konversi keseluruhan karbon dioksida menjadi glukosa dalam fotosintesis.
  • 9.7.A.2 Produk yang diinginkan dapat terbentuk dengan cara menggabungkan reaksi yang tidak menguntungkan secara termodynamik yang menghasilkan produk tersebut dengan reaksi yang menguntungkan (misalnya, konversi $ATP$ ke $ADP$ dalam sistem biologis). Dalam sistem terkopel, reaksi-reaksi individu berbagi satu atau lebih perantara bersama. Jumlah dari reaksi-reaksi individu menghasilkan reaksi keseluruhan yang mencapai hasil yang diinginkan dan memiliki $\Delta G^{\circ} < 0$.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP⁩

English

An unfavorable reaction ($\Delta G>0$) can be driven by coupling it to a favorable one ($\Delta G<0$) that shares a common intermediate, as long as the sum has $\Delta G<0$. This is how cells use ATP to power otherwise unfavorable processes.

Bahasa Indonesia

Reaksi yang tidak menguntungkan ($\Delta G>0$) dapat didorong dengan mempasangkannya ke reaksi yang menguntungkan ($\Delta G<0$) yang memiliki perantara bersama, selama jumlahnya memiliki $\Delta G<0$. Inilah cara sel menggunakan ATP untuk menggerakkan proses yang sebaliknya tidak menguntungkan.

9.8

Galvanic and Electrolytic Cells · ⁨Sel Galvani dan Sel Elektrolitik⁩

Syllabus · ⁨Silabus⁩
English

Learning Objective 9.8.A: Explain the relationship between the physical components of an electrochemical cell and the overall operational principles of the cell.

  • 9.8.A.1 Each component of an electrochemical cell (electrodes, solutions in the half-cells, salt bridge, voltage/current measuring device) plays a specific role in the overall functioning of the cell. The operational characteristics of the cell (galvanic vs. electrolytic, direction of electron flow, reactions occurring in each half-cell, change in electrode mass, evolution of a gas at an electrode, ion flow through the salt bridge) can be described at both the macroscopic and particulate levels.
  • 9.8.A.2 Galvanic, sometimes called voltaic, cells involve a thermodynamically favored reaction, whereas electrolytic cells involve a thermodynamically unfavored reaction. Visual representations of galvanic and electrolytic cells are tools of analysis to identify where half-reactions occur and in what direction current flows.
  • 9.8.A.3 For all electrochemical cells, oxidation occurs at the anode and reduction occurs at the cathode.
    • Exclusion statement: Labeling an electrode as positive or negative will not be assessed on the AP Exam.
Bahasa Indonesia

Tujuan Pembelajaran 9.8.A: Jelaskan hubungan antara komponen fisik sel elektrokimia dan prinsip operasional keseluruhan sel.

  • 9.8.A.1 Setiap komponen sel elektrokimia (elektroda, larutan dalam sel parsial, jembatan garam, perangkat pengukur tegangan/arus) memainkan peran spesifik dalam fungsi keseluruhan sel. Karakteristik operasional sel (galvani vs. elektrolitik, arah aliran elektron, reaksi yang terjadi di setiap sel parsial, perubahan massa elektroda, evolusi gas pada elektroda, aliran ion melalui jembatan garam) dapat dijelaskan baik pada tingkat makroskopis maupun partikulat.
  • 9.8.A.2 Sel galvanik, terkadang disebut sel volta, melibatkan reaksi yang menguntungkan secara termodynamik, sedangkan sel elektrolitik melibatkan reaksi yang tidak menguntungkan secara termodynamik. Representasi visual dari sel galvanik dan sel elektrolitik adalah alat analisis untuk mengidentifikasi di mana reaksi parsial terjadi dan dalam arah apa arus mengalir.
  • 9.8.A.3 Untuk semua sel elektrokimia, oksidasi terjadi di anoda dan reduksi terjadi di katoda.
    • Pengecualian: Memberi label elektroda sebagai positif atau negatif tidak akan diujikan pada Ujian AP.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP⁩

English
The galvanic cell

Redox reactions can move electrons through a wire:

  • A galvanic (voltaic) cell 原电池 uses a favorable reaction ($\Delta G<0$) to produce electricity – a battery.
  • An electrolytic cell 电解池 uses electricity to force an unfavorable reaction ($\Delta G>0$).

In both, oxidation happens at the anode 阳极 and reduction at the cathode 阴极.

Bahasa Indonesia
Sel galvani

Reaksi redoks dapat memindahkan elektron melalui kawat:

Sel galvani dengan jembatan garam dan voltmeter
Sel galvani dengan jembatan garam dan voltmeter
  • Sel galvanik (volta) menggunakan reaksi yang menguntungkan ($\Delta G<0$) untuk menghasilkan listrik – sebuah baterai.
  • Sel elektrolitik menggunakan listrik untuk memaksa reaksi yang tidak menguntungkan ($\Delta G>0$).

Di kedua sel tersebut, oksidasi terjadi di anoda dan reduksi di katoda.

Baterai komersial: sel galvanik mengonversi energi bebas kimia menjadi kerja listrik
Baterai komersial: sel galvanik mengonversi energi bebas kimia menjadi kerja listrik
Explore · ⁨Jelajahi⁩

Transfer electrons in a cell · ⁨Pindahkan elektron dalam sel⁩

In a galvanic cell a spontaneous redox reaction drives electrons through a wire, doing electrical work; oxidation at one electrode, reduction at the other. · ⁨Dalam sel galvanik, reaksi redoks spontan mendorong elektron melalui kawat, melakukan kerja listrik; oksidasi terjadi pada satu elektroda, reduksi pada elektroda lainnya.⁩

9.9

Cell Potential and Free Energy · ⁨Potensial Sel dan Energi Bebas⁩

Syllabus · ⁨Silabus⁩
English

Learning Objective 9.9.A: Explain whether an electrochemical cell is thermodynamically favored, based on its standard cell potential and the constituent half-reactions within the cell.

  • 9.9.A.1 Electrochemistry encompasses the study of redox reactions that occur within electrochemical cells. The reactions are either thermodynamically favored (resulting in a positive voltage) or thermodynamically unfavored (resulting in a negative voltage and requiring an externally applied potential for the reaction to proceed).
  • 9.9.A.2 The standard cell potential of electrochemical cells can be calculated by identifying the oxidation and reduction half-reactions and their respective standard reduction potentials.
  • 9.9.A.3 $\Delta G^{\circ}$ (standard Gibbs free energy change) is proportional to the negative of the cell potential for the redox reaction from which it is constructed. Thus, a cell with a positive $E^{\circ}$ involves a thermodynamically favored reaction, and a cell with a negative $E^{\circ}$ involves a thermodynamically unfavored reaction.
    • Equation: $\Delta G^{\circ} = -nFE^{\circ}$
Bahasa Indonesia

Tujuan Pembelajaran 9.9.A: Jelaskan apakah sebuah sel elektrokimia menguntungkan secara termodynamik, berdasarkan potensial sel standarnya dan reaksi parsial penyusunnya di dalam sel.

  • 9.9.A.1 Elektrokimia mencakup studi tentang reaksi redoks yang terjadi di dalam sel elektrokimia. Reaksi-reaksi tersebut either menguntungkan secara termodynamik (menghasilkan tegangan positif) atau tidak menguntungkan secara termodynamik (menghasilkan tegangan negatif dan memerlukan potensial yang diterapkan secara eksternal agar reaksi dapat berlangsung).
  • 9.9.A.2 Potensial sel standar dari sel elektrokimia dapat dihitung dengan mengidentifikasi reaksi parsial oksidasi dan reduksi serta potensial reduksi standar masing-masing.
  • 9.9.A.3 $\Delta G^{\circ}$ (perubahan energi bebas Gibbs standar) berbanding lurus dengan negatif dari potensial sel untuk reaksi redoks darinya dibuat. Dengan demikian, sel dengan $E^{\circ}$ positif melibatkan reaksi yang menguntungkan secara termodynamik, dan sel dengan $E^{\circ}$ negatif melibatkan reaksi yang tidak menguntungkan secara termodynamik.
    • Persamaan: $\Delta G^{\circ} = -nFE^{\circ}$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP⁩

English

The cell potential 电池电势 $E^\circ_{\text{cell}}$ measures the driving force in volts, found from standard reduction potentials ($E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$). It links to free energy by

$$\Delta G^\circ = -nFE^\circ_{\text{cell}},$$
where $n$ is moles of electrons and $F$ the Faraday constant. A positive $E^\circ_{\text{cell}}$ means a favorable (galvanic) reaction.

Worked example. A cell pairs a copper cathode ($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$, $E^\circ=+0.34\ \text{V}$) with a zinc anode ($\text{Zn}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Zn}$, $E^\circ=-0.76\ \text{V}$). The cell potential is

$$E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}=0.34-(-0.76)=1.10\ \text{V}.$$
It is positive, so the reaction is spontaneous and the cell (a Daniell cell) acts as a battery.

Bahasa Indonesia

Potensial sel $E^\circ_{\text{cell}}$ mengukur gaya penggerak dalam satuan volt, yang diperoleh dari potensial reduksi standar ($E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$). Potensial ini berkaitan dengan energi bebas melalui

$$\Delta G^\circ = -nFE^\circ_{\text{cell}},$$
di mana $n$ adalah mol elektron dan $F$ konstanta Faraday. Nilai positif $E^\circ_{\text{cell}}$ menandakan reaksi yang menguntungkan (sel galvanik).

Seri elektrokimia potensial elektroda standar
Seri elektrokimia dari potensial elektroda standar

Contoh terarah. Sebuah sel menggabungkan katoda tembaga ($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$, $E^\circ=+0.34\ \text{V}$) dengan anoda seng ($\text{Zn}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Zn}$, $E^\circ=-0.76\ \text{V}$). Potensial selnya adalah

$$E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}=0.34-(-0.76)=1.10\ \text{V}.$$
Nilainya positif, sehingga reaksi bersifat spontan dan sel (sel Daniell) berfungsi sebagai baterai.

Vocabulary · ⁨Kosa kata⁩ Train · ⁨Latih⁩
English Bahasa Indonesia
anode/ˈænəʊd/ anoda
cathode/ˈkæθəʊd/ katoda
cell potential/sel pəˈtenʃl/ potensi sel
Nernst equation/nɜːnst ɪˈkweɪʒn/ Persamaan Nernst
9.10

Cell Potential Under Nonstandard Conditions · ⁨Potensial Sel di Bawah Kondisi Nonstandar⁩

Syllabus · ⁨Silabus⁩
English

Learning Objective 9.10.A: Explain the relationship between deviations from standard cell conditions and changes in the cell potential.

  • 9.10.A.1 In a real system under nonstandard conditions, the cell potential will vary depending on the concentrations of the active species. The cell potential is a driving force toward equilibrium; the farther the reaction is from equilibrium, the greater the magnitude of the cell potential.

  • 9.10.A.2 Equilibrium arguments such as Le Châtelier's principle do not apply to electrochemical systems, because the systems are not in equilibrium.

  • 9.10.A.3 The standard cell potential $E^{\circ}$ corresponds to the standard conditions of $Q = 1$. As the system approaches equilibrium, the magnitude (i.e., absolute value) of the cell potential decreases, reaching zero at equilibrium (when $Q = K$). Deviations from standard conditions that take the cell further from equilibrium than $Q = 1$ will increase the magnitude of the cell potential relative to $E^{\circ}$. Deviations from standard conditions that take the cell closer to equilibrium than $Q = 1$ will decrease the magnitude of the cell potential relative to $E^{\circ}$. In concentration cells, the direction of spontaneous electron flow can be determined by considering the direction needed to reach equilibrium.

  • 9.10.A.4 Algorithmic calculations using the Nernst equation are insufficient to demonstrate an understanding of electrochemical cells under nonstandard conditions. However, students should qualitatively understand the effects of concentration on cell potential and use conceptual reasoning, including the qualitative use of the Nernst equation:

    • Equation: $E = E^{\circ} - (RT/nF) \ln Q$

    to solve problems.

Bahasa Indonesia

Tujuan Pembelajaran 9.10.A: Jelaskan hubungan antara penyimpangan dari kondisi sel standar dan perubahan potensial sel.

  • 9.10.A.1 Dalam sistem nyata di bawah kondisi nonstandar, potensial sel akan bervariasi tergantung pada konsentrasi spesies aktif. Potensial sel merupakan gaya pendorong menuju kesetimbangan; semakin jauh reaksi dari kesetimbangan, semakin besar besaran potensial sel.
  • 9.10.A.2 Argumen kesetimbangan seperti prinsip Le Châtelier tidak berlaku pada sistem elektrokimia, karena sistem tersebut tidak berada dalam kesetimbangan.
  • 9.10.A.3 Potensial sel standar $E^{\circ}$ sesuai dengan kondisi standar $Q = 1$. Saat sistem mendekati kesetimbangan, besaran (yaitu nilai mutlak) dari potensial sel menurun, mencapai nol pada kesetimbangan (ketika $Q = K$). Penyimpangan dari kondisi standar yang membawa sel lebih jauh dari kesetimbangan daripada $Q = 1$ akan meningkatkan besaran potensial sel relatif terhadap $E^{\circ}$. Penyimpangan dari kondisi standar yang membawa sel lebih dekat ke kesetimbangan daripada $Q = 1$ akan mengurangi besaran potensial sel relatif terhadap $E^{\circ}$. Dalam sel konsentrasi, arah aliran elektron spontan dapat ditentukan dengan mempertimbangkan arah yang diperlukan untuk mencapai kesetimbangan.
  • 9.10.A.4 Perhitungan algoritmik menggunakan persamaan Nernst tidak cukup untuk mendemonstrasikan pemahaman tentang sel elektrokimia di bawah kondisi nonstandar. Namun, siswa harus memahami secara kualitatif efek konsentrasi terhadap potensial sel dan menggunakan penalaran konseptual, termasuk penggunaan kualitatif persamaan Nernst:
    • Persamaan: $E = E^{\circ} - (RT/nF) \ln Q$

untuk memecahkan masalah.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP⁩

English

Away from standard conditions, the potential shifts with concentration – the Nernst equation 能斯特方程 (qualitatively): as reactants are consumed, $Q$ rises and $E_{\text{cell}}$ falls, reaching zero at equilibrium (a dead battery). Changing a concentration shifts $E_{\text{cell}}$ the way Le Chatelier predicts.

Bahasa Indonesia

Jauh dari kondisi standar, potensial berubah seiring konsentrasi – persamaan Nernst (secara kualitatif): saat reaktan habis, $Q$ naik dan $E_{\text{cell}}$ turun, hingga mencapai nol pada kesetimbangan (baterai habis). Perubahan konsentrasi menggeser $E_{\text{cell}}$ sesuai prediksi Le Chatelier.

9.11

Electrolysis and Faraday's Law · ⁨Elektrolisis dan Hukum Faraday⁩

Syllabus · ⁨Silabus⁩
English

Learning Objective 9.11.A: Calculate the amount of charge flow based on changes in the amounts of reactants and products in an electrochemical cell.

  • 9.11.A.1 Faraday's laws can be used to determine the stoichiometry of the redox reaction occurring in an electrochemical cell with respect to the following:
    • 9.11.A.1.i Number of electrons transferred
    • 9.11.A.1.ii Mass of material deposited on or removed from an electrode (as in electroplating)
    • 9.11.A.1.iii Current
    • 9.11.A.1.iv Time elapsed
    • 9.11.A.1.v Charge of ionic species
    • Equation: $I = q/t$
Bahasa Indonesia

Tujuan Pembelajaran 9.11.A: Hitung jumlah aliran muatan berdasarkan perubahan jumlah reaktan dan produk dalam sel elektrokimia.

  • 9.11.A.1 Hukum Faraday dapat digunakan untuk menentukan stoikiometri reaksi redoks yang terjadi dalam sel elektrokimia terkait dengan hal-hal berikut:
    • 9.11.A.1.i Jumlah elektron yang ditransfer
    • 9.11.A.1.ii Massa material yang diendapkan atau dilepaskan dari elektroda (seperti dalam pelapisan listrik)
    • 9.11.A.1.iii Arus listrik
    • 9.11.A.1.iv Waktu yang berlalu
    • 9.11.A.1.v Muatan spesies ionik
    • Persamaan: $I = q/t$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP⁩

English
Electrolysis

In electrolysis 电解, the charge passed determines how much substance is deposited or produced – Faraday's law 法拉第定律. Convert current × time to charge, charge to moles of electrons ($F=96{,}485$ C/mol), then use the half-reaction's electron ratio to get moles (and mass) of product.

Worked example. A current of $2.0\ \text{A}$ flows for $30\ \text{minutes}$ through copper(II) sulfate ($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$). How much copper is deposited? The charge is $Q=It=2.0\times1800=3600\ \text{C}$, giving $3600/96485=0.0373\ \text{mol}$ of electrons. Since each Cu needs $2$ electrons, $0.0187\ \text{mol}$ of Cu forms, a mass of $0.0187\times63.5=1.2\ \text{g}$.

Bahasa Indonesia
Elektrolisis

Dalam elektrolisis, muatan yang dialirkan menentukan berapa banyak zat yang diendapkan atau dihasilkan – hukum Faraday. Ubah arus × waktu menjadi muatan, muatan menjadi mol elektron ($F=96{,}485$ C/mol), lalu gunakan rasio elektron dari reaksi separuh untuk mendapatkan mol (dan massa) produk.

Elektrolisis: ion bergerak ke elektroda dan terdischarge
Elektrolisis: ion bergerak ke elektroda dan mengalami pelepasan muatan

Contoh terarah. Arus sebesar $2.0\ \text{A}$ mengalir selama $30\ \text{minutes}$ melalui larutan tembaga(II) sulfat ($\text{Cu}^{2+}+2e^-\rightarrow\text{Cu}$). Berapa banyak tembaga yang diendapkan? Muatannya adalah $Q=It=2.0\times1800=3600\ \text{C}$, menghasilkan $3600/96485=0.0373\ \text{mol}$ mol elektron. Karena setiap Cu memerlukan $2$ elektron, terbentuk $0.0187\ \text{mol}$ mol Cu, dengan massa $0.0187\times63.5=1.2\ \text{g}$.

Explore · ⁨Jelajahi⁩

Electrolyse a molten salt · ⁨Elektrolisis garam lebur⁩

Electrolysis uses current to force a non-spontaneous reaction: positive ions gain electrons at the cathode, negative ions lose them at the anode. Charge sets the amount deposited. · ⁨Elektrolisis menggunakan arus untuk memaksakan reaksi non-spontan: ion positif menerima elektron di katoda, ion negatif melepaskannya di anoda. Muatan menentukan jumlah yang diendapkan.⁩

Vocabulary · ⁨Kosa kata⁩ Train · ⁨Latih⁩
English Bahasa Indonesia
electrolytic cell/ɪˌlektrəˈlɪtɪk sel/ sel elektrolisis
electrolysis/ɪlekˈtrɒləsɪs/ elektrolisis
Faraday's law/ˈfærədeɪz lɔː/ Hukum Faraday
9.11

Exam tips · ⁨Tips ujian⁩

English
  • A process is thermodynamically favourable when $\Delta G<0$; combine enthalpy and entropy with $\Delta G=\Delta H-T\Delta S$ (match units — kJ vs J).
  • Entropy increases solid→liquid→gas and when more gas moles are produced.
  • Favourable does not mean fast — a high activation energy can make a $\Delta G<0$ reaction extremely slow (kinetic control).
  • In electrochemistry a positive $E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$ means a spontaneous (galvanic) cell; oxidation is at the anode, reduction at the cathode.
  • In electrolysis the charge passed ($Q=It$) fixes the amount deposited (Faraday's law).
Bahasa Indonesia
  • Suatu proses termodinamika menguntungkan ketika $\Delta G<0$; kombinasikan entalpi dan entropi dengan $\Delta G=\Delta H-T\Delta S$ (sesuaikan satuannya — kJ vs J).
  • Entropi meningkat dari padat→cair→gas dan ketika lebih banyak mol gas dihasilkan.
  • Menguntungkan tidak berarti cepat – energi aktivasi yang tinggi dapat membuat reaksi $\Delta G<0$ sangat lambat (kontrol kinetik).
  • Dalam elektrokimia, nilai positif $E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$ menandakan sel yang spontan (galvanik); oksidasi terjadi di anoda, reduksi di katoda.
  • Dalam elektrolisis, muatan yang dialirkan ($Q=It$) menetapkan jumlah yang diendapkan (Hukum Faraday).

Interactive lessons on this topic · ⁨Pelajaran interaktif untuk topik ini⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Kerjakan langkah demi langkah, dengan latihan pengecekan instan.⁩

Past Papers · ⁨Soal-Soil Masa Lalu⁩

More topics in AP Chemistry · ⁨AP Kimia⁩ · ⁨Topik lain dalam AP Chemistry · ⁨AP Kimia⁩⁩

Log in or create account · ⁨Masuk atau buat akun⁩

IGCSE, A-Level & AP