Cara Membaca Diagram Frost, Kestabilan Bilangan Oksidasi, Oksidator dan Reduktor Terkuat
Bahasan ini sangat erat dengan tulisan Diagram Latimer dan Penentuan Potensial Reduksi Standar. Dasarnya sama. Dengan diagram Frost kestabilan spesi yang memiliki bilangan oksidasi (biloks) tertentu dapat diperkirakan secara relatif mudah.
Memperkirakan manakah biloks atom dalam spesi yang paling mudah mengalami reduksi (sering disebut oksidator atau pengoksidasi) dan yang paling mudah mengalami oksidasi (sering disebut reduktor zat pereduksi). Bagaimana caranya?
Diagram Frost itu adalah diagram yang memplotkan nilai ΔG°⁄F atau nE° versus bilangan oksidasi pada saat nE° = 0. Biasa akan dibuat plot pada keadaan pH = 0 (asam) dan atau pH = 14 (basa).
ΔG° = nFE° → ΔG°/F = nE°
Di kurikulum kimia tingkat SMA sekarang memang belum dikenalkan tentang ΔG° atau energi bebas Gibbs ini. Namun dengan melihat persamaan mungkin cukup dapat memahami nE°. Ini sebagai pengayaan dan persiapan untuk olimpiade kimia saja.
Prinsip pembacaan diagram Frost seperti pada diagram berikut.
Berikut ini adalah gambaran slop positif. Δy = yakhir – yawal; Δx = xakhir – xawal.
Dari diagram dapat diketahui bahwa nilai slop atau gradien atau kemiringan m1 > m2 > m3
Semakin besar Δy dan semakin kecil Δx maka semakin besar (atau lebih positif) pula nilai m.
Bila salah satu nilai Δy atau Δx negatif akan menghasilkan slop negatif.
Contoh 1. Pembacaan Diagram Frost Mangan (Mn)
Kurva berwarna biru adalah kondisi spesi pada keadaan sangat asam, pH = 0, yang berwarna merah pada kondisi sangat basa, pH = 14. Dengan cara penafsiran yang sama dapat pula ditentukan spesi mana yang begini begitu untuk kondisi basa.
Dua spesies akan cenderung proporsional menjadi spesies perantara yang terletak di bawah garis lurus yang bergabung dengan spesies terminal (pada kurva cekung).
Contoh 2. Pembacaan Diagram Frost Nitrogen (N)
Dari diagram Frost untuk nitrogen bila terdapat tiga spesi yang akan dijadikan perhatian, NH4+, N2O dan NO3–. Ketiganya dihubungkan dengan suatu garis seperti gambar berikut.
Secara praktis Bila terdapat larutan garam NH4NO3 dengan kondisi tertentu ini zat ini akan mengalami reaksi komproporsionasi menjadi N2O. Ini contoh penerapan pemanfaatan diagram Frost.
Bila dari tiga spesi dihubungkan dengan garis dan salah satunya terdapat di bawah garis yang menghubungkan spesi dengan biloks terendah dan tertinggi maka ada kecenderungan bahwa dua spesi itu mengalami reaksi komproporsionasi.
NH4+(aq) + NO3– (aq) → N2O(g) + 2H2O(l)
Dengan memanfaatkan diagram Frost dapat ditentukan kemungkinan-kemungkinan spesi yang mengalami kecenderungan tertentu seperti pada kasus reaksi di atas.
Contoh 3. Dengan menggunakan diagram Frost nitrogen suasana asam, manakah zat-zat ini (N2O, N2, NO, HNO2) yang cenderung mengalami reaksi redoks disproporsionasi?
Jawaban: (N2O, NO, HNO2)
Pembahasan: Spesi akan mengalami reaksi disproporsionasi bila ia berada di atas garis yang menghubungkan dua spesi di dekatnya (biasa spesi tersebut memiliki biloks di atas dan di bawah spesi yang dapat mengalami disproporsionasi itu. Selain itu juga perlu dipertimbangkan bahwa slop spesi-spesi itu positif.
Misal untuk spesi yang HNO2 menghubungkan NO3– dengan N2O. Bila ditarik garis lurus dari NO3– ke N2O, maka posisi HNO2 akan berada di atas garis ini. Jadi cenderung HNO2 mengalami reaksi redoks disproporsionasi menjadi NO3– dan N2O.
Contoh 4. Pembacaan Diagram Frost Fosfor (P)
Demikian ringkasan tentang cara membaca diagram Frost ini. Dengan senang hati bila ada pembaca yang mau mengoreksi bila ada hal yang tidak tepat. Terima kasih.
Grafik pada tulisan ini dimodifikasi dari Shriver and Atkins' Inorganic Chemistry, Fifth Edition, 2010, Oxford University Press Sumber https://www.urip.info/
Memperkirakan manakah biloks atom dalam spesi yang paling mudah mengalami reduksi (sering disebut oksidator atau pengoksidasi) dan yang paling mudah mengalami oksidasi (sering disebut reduktor zat pereduksi). Bagaimana caranya?
Diagram Frost itu adalah diagram yang memplotkan nilai ΔG°⁄F atau nE° versus bilangan oksidasi pada saat nE° = 0. Biasa akan dibuat plot pada keadaan pH = 0 (asam) dan atau pH = 14 (basa).
ΔG° = nFE° → ΔG°/F = nE°
| ΔG° | = | Energi bebas Gibbs (Joule atau J) |
| F | = | Tetapan Faraday (1F = 96.485 J/(V·mol)) |
| n | = | jumlah elektron yang diterima pada reaksi reduksi setiap spesi (mol) |
| E° | = | besarnya potensial reduksi standar spesi (Volt atau V atau J/C) |
Di kurikulum kimia tingkat SMA sekarang memang belum dikenalkan tentang ΔG° atau energi bebas Gibbs ini. Namun dengan melihat persamaan mungkin cukup dapat memahami nE°. Ini sebagai pengayaan dan persiapan untuk olimpiade kimia saja.
Prinsip pembacaan diagram Frost seperti pada diagram berikut.
- Spesi dengan nilai nE° paling rendah untuk biloks tertentu merupakan spesi relatif lebih stabil dibanding yang lain;
- Semakin rendah nilai nE° semakin stabil spesi dengan biloks tersebut;
- Spesi yang membentuk slop lebih positif dengan spesi lain biasanya merupakan spesi cenderung mengalami reaksi reduksi, dapat sebagai oksidator;
- Spesi yang membentuk slop kurang positif dengan spesi lain biasanya merupakan spesi cenderung mengalami reaksi oksidasi, dapat sebagai reduktor;
Berikut ini adalah gambaran slop positif. Δy = yakhir – yawal; Δx = xakhir – xawal.
Dari diagram dapat diketahui bahwa nilai slop atau gradien atau kemiringan m1 > m2 > m3
Semakin besar Δy dan semakin kecil Δx maka semakin besar (atau lebih positif) pula nilai m.
Bila salah satu nilai Δy atau Δx negatif akan menghasilkan slop negatif.
- Spesi yang berada di bawah slop (garis merah putus-putus) yang menghubungkan dua spesi berdekatan) merupakan hasil reaksi redoks komproporsionasi dari dua spesi yang terhubung dengan garis merah putus-putus.
- Reaksi redoks komproporsionasi adalah reaksi redoks yang melibatkan dua spesi yang berubah menjadi satu spesi yang sama. Dari dua spesi itu, salah satu mengalami reaksi oksidasi (biloksnya meningkat) dan satu spesi lain mengalami reaksi reduksi (biloksnya menurun).
- Spesi yang berada di atas slop (garis merah putus-putus) cenerung mengalami reaksi redoks disproporsionasi menjadi dua spesi yang terhubung dengan garis merah putus-putus.
- Reaksi redoks disproporsionasi adalah reaksi redoks satu spesi yang berubah menjadi dua spesi berlainan. Sebagian mengalami reaksi oksidasi (biloksnya meningkat) menjadi spesi yang di atasnya dan sebagian mengalami reaksi reduksi (biloksnya menurun) menjadi spesi yang ada di bawahnya.
Contoh 1. Pembacaan Diagram Frost Mangan (Mn)
Kurva berwarna biru adalah kondisi spesi pada keadaan sangat asam, pH = 0, yang berwarna merah pada kondisi sangat basa, pH = 14. Dengan cara penafsiran yang sama dapat pula ditentukan spesi mana yang begini begitu untuk kondisi basa.
- Dalam suasana asam Mn2+ merupakan spesi dengan nilai nE° paling rendah untuk biloks Mn = +2. Mn2+ merupakan spesi relatif lebih stabil dibanding yang lain. Dalam suasana basa stabil bila biloksnya +3 (Mn2O3), posisinya berada pada posisi nE° paling rendah.
- Baik dalam suasana asam maupun basa MnO4– merupakan spesi dengan daya reduksi terkuat. MnO4– merupakan spesi dengan nilai nE° paling tinggi, biloks Mn = +7. MnO4– memiliki daya reduksi terkuat. Pada diagram Frost mangan ini letaknya di kanan-atas.
- Dalam suasana asam spesi yang berada di atas slop (garis merah putus-putus) pada grafik (seperti HMnO4–, H3MnO4 dan Mn3+) biasanya dapat mengalami disproporsionasi.
- Spesi yang berada di sebelah kiri (Mn) pada diagram Frost merupakan spesi yang dapat menjadi reduktor cukup baik (sifatnya moderat atau sedang).
Dua spesies akan cenderung proporsional menjadi spesies perantara yang terletak di bawah garis lurus yang bergabung dengan spesies terminal (pada kurva cekung).
Contoh 2. Pembacaan Diagram Frost Nitrogen (N)
 |
| Grafik merah - suasana asam; grafik biru suasana basa. |
Dari diagram Frost untuk nitrogen bila terdapat tiga spesi yang akan dijadikan perhatian, NH4+, N2O dan NO3–. Ketiganya dihubungkan dengan suatu garis seperti gambar berikut.
Secara praktis Bila terdapat larutan garam NH4NO3 dengan kondisi tertentu ini zat ini akan mengalami reaksi komproporsionasi menjadi N2O. Ini contoh penerapan pemanfaatan diagram Frost.
Bila dari tiga spesi dihubungkan dengan garis dan salah satunya terdapat di bawah garis yang menghubungkan spesi dengan biloks terendah dan tertinggi maka ada kecenderungan bahwa dua spesi itu mengalami reaksi komproporsionasi.
NH4+(aq) + NO3– (aq) → N2O(g) + 2H2O(l)
Dengan memanfaatkan diagram Frost dapat ditentukan kemungkinan-kemungkinan spesi yang mengalami kecenderungan tertentu seperti pada kasus reaksi di atas.
Contoh 3. Dengan menggunakan diagram Frost nitrogen suasana asam, manakah zat-zat ini (N2O, N2, NO, HNO2) yang cenderung mengalami reaksi redoks disproporsionasi?
Jawaban: (N2O, NO, HNO2)
Pembahasan: Spesi akan mengalami reaksi disproporsionasi bila ia berada di atas garis yang menghubungkan dua spesi di dekatnya (biasa spesi tersebut memiliki biloks di atas dan di bawah spesi yang dapat mengalami disproporsionasi itu. Selain itu juga perlu dipertimbangkan bahwa slop spesi-spesi itu positif.
Misal untuk spesi yang HNO2 menghubungkan NO3– dengan N2O. Bila ditarik garis lurus dari NO3– ke N2O, maka posisi HNO2 akan berada di atas garis ini. Jadi cenderung HNO2 mengalami reaksi redoks disproporsionasi menjadi NO3– dan N2O.
Contoh 4. Pembacaan Diagram Frost Fosfor (P)
- P4 dapat mengalami disproporsionasi menjadi PH3 dan H3PO2 atau menjadi PH3 dan H3PO3
- H3PO2 dan H3PO4 berkemungkinan mengalami komproporsionasi menjadi H3PO3
- H3PO4 adalah spesi paling stabil dengan biloks +5.
- PH3 adalah spesi yang paling mudah mengalami reaksi oksidasi dan merupaan reduktor relatif paling kuat.
Demikian ringkasan tentang cara membaca diagram Frost ini. Dengan senang hati bila ada pembaca yang mau mengoreksi bila ada hal yang tidak tepat. Terima kasih.
Grafik pada tulisan ini dimodifikasi dari Shriver and Atkins' Inorganic Chemistry, Fifth Edition, 2010, Oxford University Press Sumber https://www.urip.info/