Kegunaan Sel Volta

Reaksi Redoks, Elektrokimia, dan Elektrolisis Elektrokimia

A. Penyetaraan Persamaan Reaksi Redoks

7. Kegunaan Sel Volta

Dalam kehidupan sehari-hari, arus listrik yang dihasilkan dari suatu reaksi kimia dalam sel volta banyak kegunaannya, seperti untuk radio, kalkulator, televisi, kendaraan bermotor, dan lain-lain.

Sel volta dalam kehidupan sehari-hari ada dalam bentuk berikut. a. Sel Baterai

1) Baterai Biasa

Baterai yang sering kita gunakan disebut juga sel kering atau sel Lecanche. Dikatakan sel kering karena jumlah air yang dipakai

sedikit (dibatasi). Sel ini terdiri atas:

Anode : Logam seng (Zn) yang dipakai sebagai wadah. Katode : Batang karbon (tidak aktif).

Elektrolit : Campuran berupa pasta yang terdiri dari MnO₂, NH₄Cl, dan sedikit air.

Reaksi: Anode : Zn(s) ⎯⎯→ Zn2+_{(aq) + 2 e}– Katode : 2 MnO₂(s) + 2 NH₄+(aq) + 2 e– ⎯⎯→ Mn₂O₃(s) + 2 NH₃(g) + H₂O(l) 2) Baterai Alkaline

Pada baterai alkaline dapat dihasilkan energi dua kali lebih besar dibanding baterai biasa. Sel ini terdiri atas:

Anode : Logam seng (Zn) yang sama seperti baterai biasa digunakan sebagai wadah.

Katode : Oksida mangan (MnO₂). Elektrolit : Kalium hidroksida (KOH). Reaksi: Anode : Zn(s) ⎯⎯→ Zn2+_{(aq) + 2 e}– Katode : 2 MnO₂ + H₂O + 2 e– ⎯⎯→ Mn₂O₃ + 2 OH–

Ion Zn2+ _{bereaksi dengan OH}– _{membentuk Zn(OH)} 2.

Sumber: General Chemistry, Principles & Structure, James E Brady, 1990 Gambar 2.3 Baterai Leclanche. Sumber: Chemistry, Gillespie, Humphreys, Baird, Robinson. International Student Edition, USA.

Amonia yang dihasilkan bereaksi dengan Zn2+ _mem-

bentuk Zn(NH3)4+

Pasta elektrolit terdiri dari NH₄Cl, ZnCl₂, dan MnO₂ Lapisan Pemisah Porous

Batang grafit (katode) Zink can/anode Pembungkus kertas (insulator) Negatif Positif Zn (Anode) Batang grafit Baja Pengisap/alat pemisah MnO2 dalam KOH

direkatkan

Gambar 2.4 Baterai Alkaline. Sumber: Chemistry, The Moleculer Nature of Matter and Change, Martin, S.Silberberg, USA

Gambar 2.5 Komputer laptop. (Sumber: Chemistry, The Moleculer Nature of Matter and Change, Martin S. Silberberg, USA)

Baterai litium adalah penemuan terbaru yang melibatkan litium sebagai anode dan oksida logam transisi/sulfida sebagai katode (MnO₂, V₆O₁₃, TiS₂). Larutan elektrolitnya adalah polimer yang dapat menyebabkan ion Li+ _{mengalir namun bukan sebagai elektron. Reaksi sel}

dapat berlangsung bolak-balik pada waktu pengisian ulang (recharge).

Kegunaan baterai litium untuk tuts pada kalkulator, baterai pada jam dan kamera, sedangkan pada ukuran besar untuk baterai pada komputer laptop.

Keuntungan baterai litium adalah mempunyai rasi energi/massa sangat tinggi = 1 mol elektron (1 Faraday). Dapat dihasilkan kurang dari 7 gram logam (A_r Li = 6,941 gram/mol).

Kerugian dari pemakaian baterai litium adalah harganya lumayan mahal, pada awal penemuan memiliki daur hidup pendek, dan hasil yang bervariasi.

b. Sel Aki

Sel aki atau accu merupakan contoh sel volta yang bersifat reversibel, di mana hasil reaksi dapat diubah kembali menjadi zat semula. Pada sel aki jika sudah lemah dapat diisi ulang, sedangkan pada sel baterai tidak bisa.

Sel ini terdiri atas:

Anode : Lempeng logam timbal (Pb).

Katode : Lempeng logam oksida timbal (PbO₂). Ektrolit : Larutan asam sulfat (H₂SO₄) encer. Reaksi pengosongan aki:

Anode : Pb(s) + H (aq) ⎯⎯ PbSO₄(s) + H+(aq) + 2 e– Katode : PbO₂(s) + H (aq)+ 3 H+(aq) + 2 e– ⎯⎯→ PbSO₄(aq) + 2 H₂O Reaksi lengkapnya: Pb(s) + PbO₂(s) + 2 H (aq) + 2 H+_(aq) ⎯⎯→ 2 PbSO₄(s) + 2 H₂O(l)

Ketika sel ini menghasilkan arus listrik, anode Pb dan katode PbO₂ berubah membentuk PbSO₄. Ion H+ _{dari H}

2SO4 berubah membentuk

H₂O sehingga konsentrasi H₂SO₄ akan berkurang. Kemudian sel aki dapat diisi/disetrum kembali, sehingga konsentrasi asam sulfat kembali seperti semula. Proses ini nanti merupakan contoh dalam sel elektrolisis.

Kimia di Sekitar Kita

Sumber:General Chemistry, Principles & Structure, James E Brady, 1990. Sumber: General Chemistry, Principles & Structure, James E Brady, 1990

8. Korosi

Korosi adalah teroksidasinya suatu logam. Dalam kehidupan sehari-

hari, besi yang teroksidasi disebut dengan karatdengan rumus Fe₂O₃·xH₂O.

Proses perkaratan termasuk proses elektrokimia, di mana logam Fe yang teroksidasi bertindak sebagai anode dan oksigen yang terlarut dalam air yang ada pada permukaan besi bertindak sebagai katode.

Reaksi perkaratan: Anode : Fe ⎯⎯→ Fe 2+ _{+ 2 e}– Katode : O₂ + 2 H₂O + 4 e– ⎯⎯→ _{4 OH}–

Fe2+ _{yang dihasilkan, berangsur-angsur akan dioksidasi membentuk Fe}3+_.

Sedangkan OH– _{akan bergabung dengan elektrolit yang ada di alam atau}

dengan ion H+ _{dari terlarutnya oksida asam (SO}

2, NO2) dari hasil perubahan

dengan air hujan. Dari hasil reaksi di atas akan dihasilkan karat dengan rumus senyawa Fe₂O₃·xH₂O. Karat ini bersifat katalis untuk proses perkaratan

berikutnya yang disebut autokatalis.

a. Kerugian

Besi yang terkena korosi akan bersifat rapuh dan tidak ada kekuatan. Ini sangat membahayakan kalau besi tersebut digunakan sebagai pondasi bangunan atau jembatan. Senyawa karat juga membahayakan kesehatan, sehingga besi tidak bisa digunakan sebagai alat-alat masak, alat-alat industri makanan/farmasi/kimia.

b. Pencegahan

Pencegahan besi dari perkaratan bisa dilakukan dengan cara berikut. 1) Proses pelapisan

Besi dilapisi dengan suatu zat yang sukar ditembus oksigen. Hal ini dilakukan dengan cara dicat atau dilapisi dengan logam yang sukar teroksidasi. Logam yang digunakan adalah logam yang terletak di sebelah kanan besi dalam deret volta (potensial reduksi lebih negatif dari besi). Contohnya: logam perak, emas, platina, timah, dan nikel.

Elektrode positif (katode): pelat PbO2

Elektode negatif (anode): pelat timbal (Pb)

Gambar 2.6 Pengosongan sel aki. Sumber: Chemistry and Chemical Reactivity, John C Koltz and Keith F Purcell, Sauders College Publishing, USA, 1987.

Latihan 2.2

Gambar 2.7 Perlindungan katodik pada paku (besi) oleh logam magnesium. Sumber: Chemistry, Gillespie, Humphreys, Baird, Robinson. International Student Edition, USA.

2) Proses katode pelindung (proteksi katodik)

Besi dilindungi dari korosi dengan menempatkan besi sebagai katode, bukan sebagai anode. Dengan demikian besi dihubungkan dengan logam lain yang mudah teroksidasi, yaitu logam di sebelah kiri besi dalam deret volta (logam dengan potensial reduksi lebih positif dari besi).

Hanya saja logam Al dan Zn tidak bisa digunakan karena kedua logam tersebut mudah teroksidasi, tetapi oksida yang terbentuk (A1₂O₃/ZnO) bertindak sebagai inhibitor dengan cara menutup rapat logam yang di dalamnya, sehingga oksigen tidak mampu masuk dan tidak teroksidasi. Logam-logam alkali, seperti Na, K juga tidak bisa digunakan karena akan bereaksi dengan adanya air. Logam yang paling sesuai untuk proteksi katodik adalah logam magnesium (Mg). Logam Mg di sini bertindak sebagai anode dan akan terserang karat sampai habis, sedang besi bertindak sebagai katode tidak mengalami korosi.

1. Diketahui: Ag+_{| Ag E° = +0,80 V}

Mg2+_{| Mg E° = –2,37 V}

Tentukan:

a. katode dan anode

b. reaksi pada katode dan anode c. potensial sel standar (E°_sel)

d. notasi sel volta

2. Diketahui: Ni2+_{| Ni E° = –0,25 V}

Pb2+_{| Pb E° = –0,13 V}

Tentukan:

a. katode dan anode

b. reaksi pada katode dan anode c. potensial sel standar (E°_sel)

d. notasi sel volta 3. Diketahui : Cl–_|Cl 2|| F2|F– E°sel = +1,51 V Br–_|Br 2||Cl2|Cl – E°sel = +0,31 V I–_|I 2||Br2|Br– E°sel = +0,53 V

Kiri : Paku besi ditempatkan pada gelas beker yang berisi air hangat dan indikator fenolftalein dan paku segera berubah tertutup karat dan indikator fenolftalein menjadi merah muda karena terbentuk ion hidroksida dari Fe(OH)3.

Kanan: Jika paku besi dililit oleh pita magnesium, maka logam magnesium akan lebih mudah dioksidasi daripada besi, sehingga magnesium bertindak sebagai anode pada sel elektrokimia dan besi bertindak sebagai katode. Karena logam magnesium lebih mudah dioksidasi daripada besi sehingga tidak terbentuk karat.

Di antara F₂, Cl₂, Br₂, I₂, urutkan oksidator dari yang paling lemah ke yang paling kuat!

4. Tentukan besarnya x bila diketahui data beberapa harga E°_sel sebagai berikut.

5. Tulislah reaksi pada: a. pengosongan aki b. pengisian aki

6. Jelaskan perlindungan katodik pada besi dengan logam magnesium! Mengapa logam Al, Zn, dan logam-logam alkali tidak dapat digunakan untuk perlindungan katodik pada besi? 7. Diketahui: Fe + Cu2+ ⎯⎯→ Fe2+ _{+ Cu E}o _{= +0,78 V} Sn2+ _{+ 2 e}– ⎯⎯→ Sn Eo= –0,14 V Cu2+ _{+ 2 e}– ⎯⎯→ Cu Eo = +0,34 V

Tentukan besarnya potensial sel standar (Eo_sel) dari:

Fe + Sn2+

⎯⎯→

Fe2+ _{+ Sn}

8. Tentukan perbedaan pada baterai Leclanche, baterai alkaline, dan baterai litium pada:

a. zat yang bertindak sebagai katode dan anode b. reaksi yang terjadi di katode dan anode c. kegunaan dalam kehidupan sehari-hari

2.3 Sel Elektrolisis

Seorang ahli dari Inggris bernama Michael Faraday mengalirkan arus listrik

ke dalam larutan elektrolit dan ternyata terjadi suatu reaksi kimia. Proses penggunaan arus listrik untuk menghasilkan reaksi kimia disebut sel elektrolisis.

Arus listrik ini bisa berasal dari sel volta.

Untuk memahami bagaimana reaksi kimia yang terjadi dalam sel elektrolisis, maka perlu diingat ketentuan-ketentuan reaksi elektrolisis.

Dalam setiap ketentuan reaksi elektrolisis terjadi persaingan antarspesi (ion atau molekul) untuk mengalami reaksi reduksi atau reaksi oksidasi. Setiap zat yang mempunyai kemampuan reduksi besar akan mengalami reaksi reduksi dan setiap zat yang mempunyai kemampuan oksidasi besar akan mengalami reaksi oksidasi. Fe2+_{|Fe Pb}2+ _Pb MgMg2+ _{1,92 V x} ZnZn2+ _{0,32 V 0,63 V} Anode Katode