BAB II DASAR TEORI
2.3. Sel Elektrokimia
Sel elektrokimia merupakan sistem yang memungkinkan perubahan dari energi kimia menjadi energi listrik atau dari energi listrik menjadi energi kimia. Secara umum sel elektrokimia terbagi menjadi sel listrik dan sel elektrolisis (Johannes, 1978). Sel listrik adalah sel yang dapat menghasilkan arus listrik akibat reaksi kimia di dalamnya. Sel elektrolisis adalah sel yang bila dialiri arus dapat menghasilkan reaksi kimia pada elektrodanya (Johannes, 1978).
2.3.1. Sel Elektrolisis
Bahan atau zat yang larutannya dapat menghantarkan arus listrik disebut sebagai zat elektrolit. Proses penguraian atau penumpukkan yang terjadi pada elektroda melalui arus listrik disebut sebagai peristiwa elektrolisis (Musbach, 1996).
Pada elektrolisis, elektroda tempat berlangsungnya reaksi reduksi bertindak sebagai katoda dan elektroda tempat berlangsungnya reaksi oksidasi bertindak sebagai anoda. Sumber arus listrik akan mengalirkan elektron ke katoda, selanjutnya elektron akan ditangkap oleh ion positif (kation) sehingga pada permukaan katoda terjadi reduksi. Pada saat yang sama, ion negatif (anion) melepaskan elektron, elektron ini dikembalikan ke sumber arus melalui anoda, akibatnya pada permukaan anoda terjadi oksidasi (Petruci, 1987).
2.3.2. Elektrolisis Larutan Elektrolit
Larutan elektrolit adalah senyawa heteropolar, yang dibentuk oleh atom – atom bermuatan atau radikal yang disebut ion – ion. Ion – ion itu di dalam larutan bebas bergerak hingga terjadi kesetimbangan dengan gaya elektrostatik karena adanya gaya gesek. Medan listrik menggiring ion – ion positif ke katoda, sedangkan ion – ion negatif ke anoda. Elektroda dapat menetralisasi ion – ion. Kation mengambil elektron, sedangkan anion memberikan elektron (Tippler, 1991).
Hantaran listrik melalui larutan elektrolit terjadi sebagai berikut. Sumber arus searah memberi muatan yang berbeda pada kedua elektroda. Spesi (ion, molekul atau atom) tertentu dalam larutan akan mengambil elektron dari katoda, sementara spesi
lainnya melepas elektron ke anoda. Selanjutnya elektron akan dialirkan ke katoda melalui sumber arus (Denbigh, 1993).
Dalam larutan, molekul ZnSO4 terurai menjadi ion Zn2+ dan ion SO42− menurut reaksi ionisasi berikut ini :
ZnSO4(aq)→ Zn2+(aq) + SO42−
(aq)
Ion-ion Zn2+ akan bergerak menuju katoda, sementara itu ion - ion SO42- bergerak menuju anoda.
a. Reaksi - reaksi di katoda
Reaksi di katoda tergantung pada jenis kation dalam larutan. Jika kation berasal dari logam - logam aktif (logam golongan IA, IIA, Al atau Mn), yaitu logam - logam yang potensial elektrodanya lebih kecil ( lebih negatif daripada air), maka air yang tereduksi.
b. Reaksi – reaksi di anoda
Elektroda negatif tidak mungkin ikut bereaksi selama elektrolisis karena logam tidak ada kecenderungan menyerap elektron membentuk ion negatif. Akan tetapi elektroda positif (anoda) mungkin saja ikut bereaksi, melapas elektron dan mengalami oksidasi. Elektroda Pt, Au, dan grafit (C) digolongkan sebgai elektroda inert (sukar bereaksi). Jika anoda terbuat dari elektroda inert, maka reaksi anoda bergantung pada jenis anion dalam larutan. Anion sisa asam oksidasi seperti SO4 2-mempunyai potensial oksodasi lebih negatif daripada air. Anion - anion seperti itu sukar dioksidasi sehingga air yang akan teroksidasi.
Jika anion lebih mudah dioksidasi daripada air, maka anion itu akan teroksidasi (Chang, 2004).
c. Reaksi elektrolisis larutan seng sulfat (ZnSO4) dengan katoda alumunium (Al) dan anoda tembaga (Cu)
ZnSO4(aq)→ Zn2+(aq) + SO42-(aq)
Zn bukan logam aktif, jadi kation itu akan direduksi. Anion (SO42-) berasal dari sisa asam oksidasi, maka air akan teroksidasi di anoda, reaksinya :
Pada katoda : Zn2+(aq) + 2e → Zn(s)
Pada anoda : 2H2O(l) → 4H+(aq) + O2(g) + 4e Reaksi keseluruhan:
2Zn2+(aq) + 2H2O(l)→ 2Zn(s) + 4H+(aq) + O2(g)
2.3.3. Stoikiometri Reaksi Elektrolisis
Michael Faraday menyatakan bahwa ada hubungan kuantitatif antara jumlah arus listrik yang dialirkan pada sel elektrolisis dengan jumlah zat yang dihasilkan pada elektroda. Setelah melakukan eksperimen, Faraday merumuskan beberapa prinsip perhitungan elektrolisis, yang kini dikenal sebagai hukum Faraday.
Hukum Faraday I : Jumlah zat yang dihasilkan pada suatu elektroda berbading lurus dengan jumlah arus listrik yang melalui sel elektrolisis
Hukum Faraday II : Jika arus listrik yang besarnya sama dialirkan pada beberapa sel elektrosis, maka massa zat yang dihasilkan pada elektroda tiap - tiap sel berbanding lurus dengan berat ekuivalen zat - zat tersebut.
Secara kuantitatif kedua hukum Faraday tersebut di atas dapat dirumuskan sebagai berikut :
1. jumlah zat yang terbentuk pada katoda dan anoda dinyatakan dalam persamaan berikut : F e× = m dimana, 96500 it = F elektron jumlah Ar = e atau elektron jumlah Mr = e
dengan, m adalah massa hasil elektrolisis (gram), e adalah berat ekuivalen, F adalah jumlah listrik (Faraday), i adalah kuat arus (ampere), dan t adalah waktu elektrolisis (s).
2. Dengan arus listrik yang sama, diperoleh dua zat hasil elektrolisis, dapat dirumuskan sebagai berikut:
m1 : m2 = e1 : e2
2.3.4. GGL Akumulator
Gaya gerak listrik atau disingkat ggl, mengubah energi kimia, mekanik dan bentuk energi lainnya menjadi energi listrik. Sumber ggl melakukan kerja pada muatan yang melewatinya dengan meningkatkan energi potensial muatan. Ketika muatan ∆Qmengalir melalui sumber ggl ξ, energi potensial dinaikkan sejumlah
ξ Q
ξ
I
Gambar 2.6 Rangkaian sederhana yang berisi baterai ideal dengan ggl ξ, resistansi R dan kawat - kawat penghubung yang diasumsikan tidak memiliki resistansi (Tippler,1991).
Gambar 2.6 menunjukkan rangkaian sederhana berisi resistansi R yang dihubungkan dengan sebuah akumulator sederhana. Sumber ggl menjaga potensial konstan yang sama dengan ξ antara titik a dan b, dengan titik a pada potensial yang cukup tinggi. Beda potensial antara titik a dan c dan antara titik b dan d diabaikan, karena kawat penghubung diasumsikan tidak memiliki resistansi, sehingga beda potensial antara titik c dan d sama dengan nilai ggl ξ dan arusnya adalah I =ξ R. Arah arus dalam rangkaian ini searah jarum jam, seperti dalam gambar. Ketika muatan mengalir melalui sumber ggl
Q
∆
ξ, energi potensialnya meningkat sejumlah ∆Qξ, dan akan turun kembali saat muatan mengalir melalui resistor, karena disini energi potensial diubah menjadi energi termal. Laju di mana energi disalurkan oleh sumber ggl ξ adalah daya keluaran : I t Qξ =ξ ∆ ∆ = P (10)
a
Gambar 2.7 diagram rangkaian untuk Gambar 2.6 (Tippler, 1991).
Pada gambar 2.7, jika arus dalam rangkaian adalah I dengan satuan ampere, dan radalah tahanan dalam dengan satuan ohm, maka beda potensial antara titik a dan titik b adalah :
Ir V
Va − b =ξ− (11) Tegangan jatuh pada resistor R adalah IR dan sama dengan tegangan terminal :
Ir V
V
IR= a− b =ξ− (12) Pemecahan persamaan untuk arus I, kita peroleh :
ξ = +Ir IR (13) atau r R I + = ξ (14)
Tegangan terminal yang diberikan oleh persamaan (11) lebih kecil daripada tegangan jepit baterai akibat tegangan jatuh pada resistansi internal baterai (Tippler, 1991).
2.3.5. Energi dan Daya Pada Akumulator
Sewaktu muatan lewat melalui rangkaian akumulator, gaya listrik melakukan kerja pada muatan tersebut. Kerja total yang dilakukan pada sebuah muatan Qsama
r I R
ξ
dengan hasil kali Qdan selisih beda potensial Vab. Bila Vab adalah positif, gaya listrik melakukan sebuah kerja positif pada muatan itu sewaktu muatan itu berpindah dari tempat yang beda potensialnya tinggi ke tempat yang beda potensialnya lebih rendah. Jika arus itu adalah
ab
QV
I dengan satuan ampere, maka dalam selang waktu sejumlah muatan lewat. Kerja yang dilakukan pada muatan ini adalah : dt dQ=Idt dW Idt V dQ V dW = ab = ab (15) Laju perpindahan energi terhadap waktu adalah daya, yang dinyatakan dengan P. Dengan membagi persamaan diatas dengan , maka akan didapatkan laju pada rangkaian itu menghantar energi listrik ke elemen akumulator :
dt I V dt dW ab = =P (16)
Dalam akumulator akan terjadi potensial di titik b lebih tinggi daripada potensial di titik a; maka Vab adalah negatif. Pada kondisi ini terjadi perpindahan energi dari elemen akumulator ke rangkaian luar. Elemen ini kemudian bertindak sebagai sumber, yang menghantarkan energi listrik ke dalam rangkaian tempat sumber itu disambungkan. Situasi ini untuk mengkonversi energi kimia menjadi energi listrik dan menghantarkannya ke rangkaian luar (Sears dan Zemansky, 2001).
2.4 Jembatan Wheatstone
Jembatan Wheatstone merupakan alat atau rangkaian yang dapat digunakan untuk mengukur besar suatu hambatan dengan cukup teliti.
Kegunaan jembatan Wheatstone dalam aplikasi pengukuran dan alat ukur diantaranya adalah (Wahyunggoro, 1998):
1. Pengukuran resistansi medium (besarnya antara 1 Ω dan 100 k Ω) 2. Pengukuran resistansi tinggi (besarnya 100 k Ω atau lebih)
3. Pengukuran resistansi dinamis 4. Pengukuran induktansi
5. Pengukuran kapasitansi
2.4.1. Prinsip Jembatan Wheatstone
Rangkaian listrik yang terdiri dari empat tahanan, sumber tegangan, yang dihubungkan melalui dua titik diagonal, dan pada kedua titik diagonal yang lain ditempatkan galvanometer, seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.8 disebut jembatan Wheatstone (Sapiie dan Nishino, 1994).
Vab
Gambar 2.8 Jembatan Wheatstone (Sapiie dan Nishino, 1994)
R3 G c R1 R2 a b Rx K2 d Rh K1 ξ
Misalkan bahwa K1 tetap tertutup dan K2 terbuka. Tegangan - tegangan melalui terminal a-b pada saat ini disebut Vab, maka tegangan melalui c-b dan tegangan melalui d-b masing-masing, dapat dinyatakan sebagai berikut :
ab cb V R R R V 2 1 2 + = (17) ab x x db V R R R V + = 3 (18)
Dengan mengatur R2, dapat diperoleh Vcb = Vdb. Bila hal ini terpenuhi, maka tidak ada arus yang mengalir melalui galvanometer, meskipun K2 ditutup. Bila G tidak memperlihatkan pergeseran meskipun K2 ditutup, maka dikatakan bahwa jembatan dikatakan seimbang. Bila Vcb =Vdb maka, persamaan (17) dan persamaan (18) menjadi : 1 1 3 3 2 1 2 2 1+ = + = + = + x x x R R R R R R R R R R (19)
Jadi dalam keadaan seimbang didapatkan persamaan:
2 3 1R R R R x = atau 2 1 3 R R R Rx = (20)
Pada umumnya cara-cara untuk menyeimbangkan jembatan adalah:
Pertama - tama sirkuit dari sumber energi ditutup. Kemudian sirkuit dari galvanometer ditutup sesaat, untuk melihat arah ketidakseimbangan dan Q diatur untuk mengkompensasikannya. Setelah itu, K2 ditutup untuk sesaat. Dengan cara itu maka keseimbangan jembatan akan dicapai (Sapiie dan Nishino, 1994).
Jadi harga dari tahanan yang tidak diketahui bisa didapatkan dengan menyeimbangkan jembatan bila rasio dari tahanan R3 R1dan harga dari R1 diketahui.
Cabang R1 dan R3 disebut cabang - cabang rasio dan cabang R2 disebut cabang pengatur. Harga rasio dari cabang - cabang rasio harus didapatkan seteliti mungkin. Disamping itu harga tahanan dari cabang pengatur harus diketahui seteliti mungkin.
Rasio-rasio tahanan pada cabang rasio biasanya diambil sebagai pangkat dari sepuluh, sehingga harga Rx yang akan diukur akan mudah didapatkan dengan mengukur harga dari R2 dan hasil ukurnya didapatkan hanya dengan mengalikan dengan rasio kepangkatan dari sepuluh.
2.4.2 Kesalahan Pengukuran
Kesalahan - kesalahan pengukuran dengan menggunakan jembatan Wheatstone disebabkan oleh (Harini, 2001) :
1. Kesalahan batas dari ketiga tahanan yang diketahui 2. Sensitivitas detektor nol yang tidak cukup
3. Perubahan tahanan lengan - lengan jembatan karena efek pemanasan arus melalui tahanan - tahanan tersebut.