Contoh Soal UTBK Kimia Elektrokimia: Sel Bahan Bakar Lengkap dengan Jawaban dan Pembahasan

By Posted on

Pendahuluan

Selamat datang di kumpulan contoh soal UTBK Kimia materi Elektrokimia, khususnya tentang Sel Bahan Bakar. Materi ini seringkali muncul dalam ujian masuk perguruan tinggi dan membutuhkan pemahaman konsep yang kuat. Sel bahan bakar adalah perangkat elektrokimia yang mengubah energi kimia dari bahan bakar (seperti hidrogen) dan oksidator (seperti oksigen) menjadi energi listrik melalui reaksi redoks yang terkontrol. Berbeda dengan baterai konvensional, sel bahan bakar tidak perlu diisi ulang dan dapat menghasilkan listrik selama bahan bakar dan oksidator terus disuplai. Mari kita perdalam pemahaman Anda dengan mengerjakan soal-soal berikut!

Contoh Soal Elektrokimia: Sel Bahan Bakar

A. Soal Pilihan Ganda (20 Soal)

  1. Prinsip utama kerja sel bahan bakar adalah mengubah energi:
    1. Kimia menjadi listrik melalui reaksi redoks.
    2. Listrik menjadi kimia melalui elektrolisis.
    3. Panas menjadi listrik melalui termodinamika.
    4. Mekanik menjadi listrik melalui induksi.
    5. Nuklir menjadi listrik melalui fisi.
  2. Pada sel bahan bakar hidrogen-oksigen, reaksi yang terjadi di anoda adalah:
    1. O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
    2. H₂ → 2H⁺ + 2e⁻
    3. 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
    4. 4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻
    5. 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
  3. Elektrolit pada sel bahan bakar berfungsi sebagai medium untuk:
    1. Mengalirkan elektron.
    2. Mengalirkan ion.
    3. Menyimpan bahan bakar.
    4. Menyerap produk samping.
    5. Katalisator reaksi.
  4. Salah satu keuntungan utama sel bahan bakar dibandingkan mesin pembakaran internal adalah:
    1. Harga komponen yang sangat murah.
    2. Tidak memerlukan bahan bakar.
    3. Menghasilkan emisi gas buang yang lebih bersih atau nol emisi.
    4. Ukuran yang sangat kecil dan ringan.
    5. Tidak memerlukan perawatan.
  5. Bahan bakar yang paling umum digunakan dalam sel bahan bakar untuk aplikasi kendaraan adalah:
    1. Metana (CH₄)
    2. Etanol (C₂H₅OH)
    3. Propan (C₃H₈)
    4. Hidrogen (H₂)
    5. Bensin
  6. Produk samping utama dari sel bahan bakar hidrogen-oksigen adalah:
    1. Karbon dioksida (CO₂)
    2. Nitrogen oksida (NOₓ)
    3. Uap air (H₂O)
    4. Sulfur dioksida (SO₂)
    5. Karbon monoksida (CO)
  7. Pada sel bahan bakar hidrogen-oksigen, gas oksigen (O₂) direduksi di bagian:
    1. Anoda
    2. Katoda
    3. Elektrolit
    4. Membran
    5. Saluran bahan bakar
  8. Reaksi reduksi yang terjadi di katoda sel bahan bakar hidrogen-oksigen dalam media asam adalah:
    1. H₂ → 2H⁺ + 2e⁻
    2. O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
    3. 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
    4. 4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻
    5. 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻
  9. Katalis yang paling sering digunakan pada elektroda sel bahan bakar, terutama PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), adalah:
    1. Nikel
    2. Tembaga
    3. Platina
    4. Besi
    5. Seng
  10. Sel bahan bakar dapat diklasifikasikan berdasarkan jenis elektrolitnya. Salah satu jenis yang populer adalah PEMFC, yang menggunakan elektrolit berupa:
    1. Larutan basa kuat
    2. Larutan asam kuat
    3. Membran polimer padat
    4. Keramik padat
    5. Larutan garam netral
  11. Jika E°(H₂O/H₂) = 0,00 V dan E°(O₂/H₂O) = +1,23 V, maka potensial sel standar (E°sel) untuk sel bahan bakar hidrogen-oksigen adalah:
    1. 0,00 V
    2. +1,23 V
    3. -1,23 V
    4. +2,46 V
    5. -2,46 V
  12. Perbedaan utama sel bahan bakar dengan baterai adalah:
    1. Sel bahan bakar perlu diisi ulang, baterai tidak.
    2. Sel bahan bakar menghasilkan listrik dari reaksi kimia, baterai dari reaksi fisika.
    3. Sel bahan bakar membutuhkan pasokan reaktan eksternal terus-menerus, baterai tidak.
    4. Baterai menghasilkan listrik lebih efisien daripada sel bahan bakar.
    5. Sel bahan bakar hanya menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar.
  13. Efisiensi konversi energi pada sel bahan bakar umumnya lebih tinggi dibandingkan mesin pembakaran internal karena:
    1. Tidak ada bagian yang bergerak.
    2. Mengubah energi kimia langsung menjadi listrik tanpa tahap panas.
    3. Menggunakan bahan bakar yang lebih mahal.
    4. Beroperasi pada suhu yang sangat tinggi.
    5. Memiliki ukuran yang lebih besar.
  14. Pernyataan yang benar mengenai sel bahan bakar adalah:
    1. Sel bahan bakar menghasilkan energi listrik melalui proses pembakaran.
    2. Sel bahan bakar hanya dapat menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar.
    3. Reaksi redoks pada sel bahan bakar terjadi secara spontan.
    4. Sel bahan bakar adalah perangkat yang mengkonversi energi listrik menjadi energi kimia.
    5. Sel bahan bakar tidak menghasilkan produk samping.
  15. Salah satu tantangan utama dalam komersialisasi sel bahan bakar hidrogen adalah:
    1. Ketersediaan oksigen yang terbatas.
    2. Biaya produksi hidrogen dan infrastruktur pengisiannya yang mahal.
    3. Tidak adanya katalis yang efektif.
    4. Terlalu banyak menghasilkan listrik.
    5. Produk samping yang sangat berbahaya.
  16. Pada sel bahan bakar, elektron bergerak dari:
    1. Katoda ke anoda melalui sirkuit eksternal.
    2. Anoda ke katoda melalui sirkuit eksternal.
    3. Anoda ke katoda melalui elektrolit.
    4. Katoda ke anoda melalui elektrolit.
    5. Elektrolit ke sirkuit eksternal.
  17. Jika metanol (CH₃OH) digunakan sebagai bahan bakar dalam sel bahan bakar, reaksi oksidasi di anoda akan menghasilkan:
    1. H₂O dan O₂
    2. CO₂ dan H₂O
    3. H₂ dan CO₂
    4. CH₄ dan O₂
    5. C dan H₂O
  18. Berikut ini yang bukan merupakan keunggulan sel bahan bakar adalah:
    1. Efisiensi tinggi.
    2. Emisi rendah atau nol.
    3. Kebisingan rendah.
    4. Ukuran kompak untuk daya tinggi.
    5. Ketergantungan pada sumber bahan bakar tertentu (misal hidrogen).
  19. Sel bahan bakar yang beroperasi pada suhu tinggi (600-1000 °C) dan menggunakan elektrolit keramik padat adalah:
    1. PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)
    2. DMFC (Direct Methanol Fuel Cell)
    3. AFC (Alkaline Fuel Cell)
    4. SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)
    5. PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)
  20. Dalam sel bahan bakar, energi kimia diubah menjadi energi listrik melalui proses:
    1. Pembakaran langsung.
    2. Reduksi-oksidasi (redoks).
    3. Fusi nuklir.
    4. Fotosintesis.
    5. Disolusi.

B. Soal Isian Singkat (5 Soal)

  1. Perangkat elektrokimia yang mengubah energi kimia dari bahan bakar dan oksidator menjadi energi listrik secara langsung disebut __________.
  2. Salah satu keuntungan utama sel bahan bakar adalah tingkat emisi gas buang yang sangat rendah, bahkan __________ untuk sel bahan bakar hidrogen-oksigen.
  3. Reaksi __________ terjadi di anoda sel bahan bakar.
  4. Produk samping utama sel bahan bakar hidrogen-oksigen adalah __________.
  5. Untuk mempercepat reaksi di elektroda sel bahan bakar, digunakan zat yang disebut __________.

C. Soal Uraian (5 Soal)

  1. Jelaskan prinsip kerja sel bahan bakar hidrogen-oksigen secara detail, termasuk reaksi di anoda dan katoda serta pergerakan partikel di dalamnya.
  2. Sebutkan dan jelaskan tiga keuntungan utama penggunaan sel bahan bakar dibandingkan sumber energi konvensional (misalnya mesin pembakaran internal).
  3. Apa saja tantangan utama dalam pengembangan dan komersialisasi sel bahan bakar? Jelaskan minimal tiga tantangan.
  4. Bagaimana peran katalis dalam sel bahan bakar, dan mengapa katalis berbasis platina sering digunakan meskipun harganya mahal?
  5. Jika sebuah sel bahan bakar hidrogen-oksigen beroperasi pada kondisi standar, tentukan potensial sel standar (E°sel) yang dihasilkan. Diketahui reaksi reduksi di katoda: O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O, dengan E° = +1,23 V. Reaksi oksidasi di anoda: H₂ → 2H⁺ + 2e⁻, dengan E° = 0,00 V.

D. Soal Mencocokkan (2 Pasang)

Cocokkan pernyataan di kolom kiri dengan konsep yang tepat di kolom kanan.

  • Kolom Kiri:
    1. Tempat terjadinya oksidasi pada sel bahan bakar.
    2. Gas yang direduksi di katoda sel bahan bakar hidrogen-oksigen.
  • Kolom Kanan:
    1. Oksigen (O₂)
    2. Anoda

Kunci Jawaban dan Pembahasan

A. Kunci Jawaban Pilihan Ganda

  1. Jawaban: A. Pembahasan: Sel bahan bakar adalah perangkat elektrokimia yang mengubah energi kimia bahan bakar menjadi energi listrik melalui reaksi redoks yang terkontrol.
  2. Jawaban: B. Pembahasan: Di anoda, hidrogen (H₂) teroksidasi menjadi ion hidrogen (H⁺) dan melepaskan elektron. Reaksinya: H₂ → 2H⁺ + 2e⁻.
  3. Jawaban: B. Pembahasan: Elektrolit adalah medium yang memungkinkan pergerakan ion antara anoda dan katoda untuk melengkapi sirkuit internal.
  4. Jawaban: C. Pembahasan: Sel bahan bakar hidrogen-oksigen hanya menghasilkan uap air sebagai produk samping, sehingga nol emisi gas buang berbahaya.
  5. Jawaban: D. Pembahasan: Hidrogen (H₂) adalah bahan bakar paling umum dan ideal untuk sel bahan bakar karena densitas energi tinggi dan produk sampingnya hanya air.
  6. Jawaban: C. Pembahasan: Ketika hidrogen dan oksigen bereaksi, produk akhir yang dihasilkan adalah uap air (H₂O).
  7. Jawaban: B. Pembahasan: Oksigen adalah oksidator yang menerima elektron dan direduksi di katoda.
  8. Jawaban: B. Pembahasan: Di katoda, oksigen (O₂) bereaksi dengan ion hidrogen (H⁺) dan elektron untuk membentuk air. Reaksinya: O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O.
  9. Jawaban: C. Pembahasan: Platina adalah katalis yang sangat efektif untuk mempercepat reaksi oksidasi hidrogen dan reduksi oksigen pada elektroda sel bahan bakar.
  10. Jawaban: C. Pembahasan: PEMFC menggunakan membran polimer padat sebagai elektrolit yang memungkinkan ion H⁺ melewatinya.
  11. Jawaban: B. Pembahasan: E°sel = E°katoda – E°anoda. Reaksi di katoda adalah reduksi O₂ (E° = +1,23 V), dan di anoda adalah oksidasi H₂ (E° = 0,00 V). Jadi, E°sel = 1,23 V – 0,00 V = +1,23 V.
  12. Jawaban: C. Pembahasan: Baterai menyimpan reaktan di dalamnya, sedangkan sel bahan bakar memerlukan pasokan reaktan (bahan bakar dan oksidator) secara terus-menerus dari luar.
  13. Jawaban: B. Pembahasan: Sel bahan bakar mengubah energi kimia langsung menjadi listrik, menghindari tahap pembakaran yang menghasilkan panas dan membatasi efisiensi sesuai hukum termodinamika.
  14. Jawaban: C. Pembahasan: Reaksi redoks pada sel bahan bakar adalah spontan, menghasilkan energi listrik. Pilihan lain salah karena sel bahan bakar bukan pembakaran, bisa pakai bahan bakar lain, bukan konversi listrik ke kimia, dan menghasilkan air.
  15. Jawaban: B. Pembahasan: Produksi hidrogen yang ramah lingkungan dan pembangunan infrastruktur pengisian hidrogen adalah tantangan besar dalam komersialisasi.
  16. Jawaban: B. Pembahasan: Elektron dihasilkan di anoda (tempat oksidasi) dan bergerak melalui sirkuit eksternal menuju katoda (tempat reduksi).
  17. Jawaban: B. Pembahasan: Oksidasi metanol (CH₃OH) biasanya menghasilkan karbon dioksida (CO₂) dan air (H₂O). Reaksi lengkapnya: CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H⁺ + 6e⁻.
  18. Jawaban: E. Pembahasan: Ketergantungan pada sumber bahan bakar tertentu (misalnya hidrogen) adalah salah satu kelemahan atau tantangan, bukan keunggulan, karena memerlukan infrastruktur khusus.
  19. Jawaban: D. Pembahasan: SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) dikenal beroperasi pada suhu tinggi dan menggunakan elektrolit keramik padat.
  20. Jawaban: B. Pembahasan: Proses konversi energi di sel bahan bakar adalah melalui reaksi reduksi-oksidasi (redoks) elektrokimia.

B. Kunci Jawaban Isian Singkat

  1. sel bahan bakar
  2. nol emisi
  3. oksidasi
  4. uap air (H₂O)
  5. katalis

C. Kunci Jawaban Uraian

  1. Prinsip Kerja Sel Bahan Bakar Hidrogen-Oksigen:

    Sel bahan bakar hidrogen-oksigen terdiri dari dua elektroda (anoda dan katoda) yang dipisahkan oleh elektrolit. Hidrogen (H₂) dialirkan ke anoda, dan oksigen (O₂) dialirkan ke katoda. Di anoda, gas hidrogen teroksidasi menjadi ion hidrogen (H⁺) dan melepaskan elektron. Reaksi di anoda: H₂ → 2H⁺ + 2e⁻. Elektron yang dilepaskan ini tidak dapat melewati elektrolit, sehingga harus mengalir melalui sirkuit eksternal, menghasilkan arus listrik. Sementara itu, ion H⁺ bergerak melalui elektrolit menuju katoda. Di katoda, gas oksigen bereaksi dengan ion H⁺ dan elektron yang datang dari sirkuit eksternal untuk membentuk air. Reaksi di katoda: O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O. Reaksi keseluruhan sel: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.

  2. Tiga Keuntungan Utama Sel Bahan Bakar:

    1. Emisi Rendah atau Nol: Sel bahan bakar hidrogen-oksigen hanya menghasilkan uap air sebagai produk samping, tidak ada gas rumah kaca atau polutan udara lainnya. Ini jauh lebih bersih dibandingkan mesin pembakaran internal yang menghasilkan CO₂, NOₓ, dan partikulat.
    2. Efisiensi Tinggi: Sel bahan bakar mengubah energi kimia langsung menjadi energi listrik tanpa melalui tahap pembakaran yang menghasilkan panas. Ini menghindari batasan efisiensi termodinamika (siklus Carnot), sehingga efisiensinya bisa mencapai 40-60% atau lebih, lebih tinggi dari mesin pembakaran internal (sekitar 20-30%).
    3. Kebisingan Rendah dan Operasi Halus: Karena tidak melibatkan pembakaran dan memiliki sedikit atau tanpa bagian bergerak, sel bahan bakar beroperasi dengan sangat tenang dan halus, menjadikannya ideal untuk aplikasi di lingkungan sensitif suara.

  3. Tantangan Utama dalam Pengembangan dan Komersialisasi Sel Bahan Bakar:

    1. Biaya Tinggi: Komponen sel bahan bakar, terutama katalis platina yang mahal dan membran elektrolit khusus, masih memiliki biaya produksi yang tinggi. Ini membuat harga akhir produk sel bahan bakar (misalnya kendaraan) menjadi mahal.
    2. Infrastruktur Hidrogen: Jika menggunakan hidrogen sebagai bahan bakar, tantangan besar adalah pengembangan infrastruktur produksi, penyimpanan, dan distribusi hidrogen yang aman dan efisien. Produksi hidrogen saat ini sebagian besar masih berasal dari bahan bakar fosil, mengurangi keuntungan lingkungan “nol emisi”.
    3. Daya Tahan dan Degradasi: Sel bahan bakar, terutama elektroda dan membran, dapat mengalami degradasi seiring waktu karena kondisi operasi yang keras (asam, suhu, dll.). Meningkatkan daya tahan dan umur pakai masih menjadi area penelitian aktif.
    4. Penyimpanan Hidrogen: Hidrogen memiliki densitas energi volumetrik yang rendah dalam bentuk gas, sehingga membutuhkan tangki penyimpanan bertekanan tinggi atau kriogenik yang besar dan mahal, atau metode penyimpanan padat yang masih dalam pengembangan.

  4. Peran Katalis dan Penggunaan Platina:

    Katalis berperan sangat penting dalam sel bahan bakar untuk mempercepat laju reaksi elektrokimia yang terjadi di anoda dan katoda. Tanpa katalis, reaksi oksidasi hidrogen dan reduksi oksigen akan berlangsung sangat lambat pada suhu rendah, sehingga sel bahan bakar tidak dapat menghasilkan daya yang cukup. Katalis menurunkan energi aktivasi yang diperlukan untuk reaksi tersebut.

    Platina sering digunakan sebagai katalis karena:

    1. Aktivitas Katalitik Tinggi: Platina memiliki aktivitas katalitik yang sangat baik untuk reaksi oksidasi hidrogen dan reduksi oksigen, bahkan pada suhu rendah.
    2. Stabilitas Kimia: Platina relatif stabil dalam lingkungan asam yang sering digunakan pada sel bahan bakar jenis PEMFC.

    Meskipun harganya mahal, efektivitas dan stabilitas platina menjadikannya pilihan utama, meskipun penelitian terus dilakukan untuk menemukan alternatif katalis yang lebih murah dan melimpah.

  5. Menentukan Potensial Sel Standar (E°sel):

    Potensial sel standar (E°sel) dihitung dengan rumus: E°sel = E°katoda – E°anoda.

    • Reaksi di katoda (reduksi): O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O, E°red = +1,23 V
    • Reaksi di anoda (oksidasi): H₂ → 2H⁺ + 2e⁻, E°oks = 0,00 V (E°red untuk 2H⁺ + 2e⁻ → H₂ adalah 0,00 V)

    Maka, E°sel = (+1,23 V) – (0,00 V) = +1,23 V.

D. Kunci Jawaban Mencocokkan

  • 1 – B (Anoda adalah tempat terjadinya oksidasi)
  • 2 – A (Oksigen direduksi di katoda)

Related posts:

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *