mempelajari hubungan antara gejala-gelaja kimia dengan kelistrikan. Kekuatan listrik mengalir melalui suatu pengantar, dimana jumlah listrik yang mengalir perdetik, ditentukan oleh besarnya beda potensial dan tahanannya (sukardjo, 1997: 362).
Elektroda adalah konduktor yang digunakan untuk bersentuhan dengan bagian atau media non-logam dari sebuah sirkuit (misal semikonduktor, elektrolit). Sel elektrokimia terdiri dari dua elektroda, yaitu konduktor logam yng dicelupkan kedalam elektrolit konduktor ion yang dapat berupa larutan, cairan atau padatan. Elektroda dan elektrolitnya membentuk kompartemen elektroda. Kedua elektroda dapat menempati kompartemen yang sama. Jika elektrolitnya berbeda , kedua kompartemen dapat dihubungkan dengan jembatan garam, yaitu larutan elektrolit yang melengkapi sirkuit listrik dan memungkinkan sel itu berfungsi (Atkins, 1996: 272).
Peralatan elektrokimia minimal terdiri dari tiga komponen penting yaitu anoda, katoda dan elektrolit. Anoda adalah elektroda tempat berlangsungnya reaksi oksidasi, elektroda adalah konduktor yang digunakan untuk bersentuhan dengan bagian atau media non-logam dari sebuah sirkuit (misal semikonduktor, elektrolit). Anoda berupa logam penghantar listrik, pada sel elektrokimia anoda akan terpolarisasi jika arus listrik mengalir ke dalamnya. Arus listrik mengalir berlawanan
dengan arah pergerakan elektron. Pada sel galvani (baterai) maupun sel elektrolisis, anoda merupakan tempat berlangsung reaksi oksidasi. Katoda merupakan elektroda yang terpolarisasi jika arus listrik mengalir keluar darinya. Pada baterai biasa (baterai karbon-seng) yang menjadi katoda adalah seng menjadi pembungkus baterai. Sedangkan, pada baterai alkalin, yang menjadi katoda adalah mangan dioksida (MnO2). (Riyanto, 2013: 2).
Pembagian elektroda terbagi menjadi elektroda logam ion logam, yaitu elektrode yang terdiri atas logam yang setimbang dengan ion logamnya, seperti seng (Zn), tembaga (Cu), natrium (Na) dan sebagainya. Kedua elektroda amalgama, yaitu elektroda yang hampir sama dengan elektroda yang pertama, tetapi dipakai amalgama, lebih aktif dan aktifitas logamnya lebih rendah sebab diencerkan Hg, misalnya elektroda Pb (Hg) dalam larutan Pb++. yang ketiga elektroda yaitu elektroda bukan logam
bersangkutan. Elektroda logam-oksida logam, yaitu setimbang dengan ion OH- dalam larutan yang keenam elektroda
oksidasi-reduksi, yaitu terdiri atas logam platinum (Pt) yang dimasukkan dalam larutan yang berbentuk oksidasi dan reduksinya (Sukardjo, 1997: 403-408).
Reaksi elektrokimia melibatkan perpindahan elektron-elektron bebas dari suatu logam kepada komponen di dalam larutan. Kesetimbangan reaksi elektrokimia sangat penting dalam sel galvani (sel yang menghasilkan arus listrik) dan sel elektrolisis (sel yang menggunakan/memerlukan arus listrik). Dalam bidang elektrokimia antara sel galvani dan sel elektrolisis terdapat perbedaan yang nyata. Perbedaannya yaitu berhubungan dengan reaksi spontan dan tidak spontan. Sel galvani secara umum terjadi reaksi spontan, sedangkan sel elektrolisis terjadi reaksi tidak spontan. Reaksi spontan artinya reaksi elektrokimia tidak menggunakan energi atau listrik dari luar, sedangkan reaksi tidak spontan yaitu reaksi yang memerlukan energi atau listrik. Beberapa parameter untuk mengetahui reaksi spontan atau tidak spontan adalah parameter ∆Go , K dan Eo sel seperti ditunjukkan dalam Tabel 1.
Table 1. hubungan antara ∆GO, K, dan Eo sel
∆GO K Eo
sel Keadaanreaksi Aplikasi
nega
tif ˃1 positif Spontan Sel galvani, baterai, aki, danfuel sel
0 =1 0 kesetimbangan
-positi
elektroanalisis, elektrosintesis Nilai Eo
sel ditentukan dengan rumus
Eo
sel = Eosel reduksi – Eosel Oksidasi
Eo
sel reduksi adalah nilai potensial elektroda standar pada
elektroda yang mengalami reduksi dan Eo
sel oksidasi adalah nilai
potensial elektroda standar dari elektroda yang mengalami oksidasi (Riyanto, 2013: 2).
Sel elektrokimia yang menghasilkan listrik karena terjadinya reaksi spontan didalamnya disebut sel galvani. sel elektrokimia dimana reaksi tidak spontan didalamnya digerakkan oleh sumber arus luar disebut sel elektrolisas (Atkins, 1996: 272). Sel galvanik atau sel volta pertama kali ditemukan oleh Luigi Galvani dan Alessandro Guiseppe Volta dimana sel volta atau sel galvanik merupakan sel yang menghasilkan tenaga listrik ketika sel mengalami reaksi kimia. Volta dapat menjelaskan tentang pengamatan galvani mengenai berkerutnya kaki kodok oleh listrik yang dihasilkan jika menghubungkan dua macam logam yang dipisahkan oleh cairan dalam kodok (Wahad dan Nafie, 2014: 38).
Menurut Wahad dan Nafie (2014: 38), prinsip-prinsip sel volta atau sel galvani secara umum adalah :
a. Terdiri atas elektroda dan elektrolit yang dihubungkan dengan sebuah jembatan garam.
b. Pada anoda terjadi reaksi oksidasi dan pada katoda terjadi reaksi reduksi.
d. Arus listrik mengalir dari katoda ke anoda.
e. Adanya jembatan garam untuk menyetimbangkan ion-ion dalam larutan.
f. Terjadi perubahan energi: energi kimia menjadi energi listrik. Elektrolisis adalah suatu proses dimana reaksi kimia terjadi pada elektroda yang tercelup dalam larutan elektrolit, biasanya menggunakan dua buah elektroda yaitu bermuatan positif dan negatis. Elektroda yang bermuatan positif disebut dengan katoda dan elektroda yang bermuatan negatif disebut dengan anoda. Elektroda seperti platina, yang hanya mentransfer ke dan dari larutan disebut elektron inert. Elektroda reaktif adalah elektroda yang secara kimia memasuki reaksi elektroda. Selama elektrolisis terjadi reaksi elektroda. Selama elektrolisis , terjadi reduksi pada katoda dan oksidasi pada anoda (Dogra S., 1990: 492).
Menurut Dogra (1990: 492), Ada banyak tipe reaksi elektroda, tetapi gambaran umumnya diringkas sebagai berikut:
1. Arus listrik yang membawa ion akan dibebasakan pada elektroda
2. Ion negatif yang sulit untuk dibebaskan pada anoda manyebabkan penguraian H2O dan pembentukan O2, H+
dan elektron
3. Ion positif yang sulit untuk dibebaskan pada katoda menyebabkan penguraian H2O dan pembentukan O2, OH
-dan absorsi electron.
larutan disebut (zat) terlarut atau solut, sedangkan zat yang jumlahnya lebih banyak daripada zat-zat lain dalam larutan disebut pelarut atau solven. Komposisi zat terlarut dan pelarut dalam larutan dinyatakan dalam konsentrasi larutan, sedangkan proses pencampuran zat terlarut dan pelarut membentuk larutan disebut pelarutan atau solvasi. Larutan terdiri dari larutan non elektrolit dan larutan elektrolit. Larutan non elektrolit adalah larutan yang tidak menghantarkan arus listrik, sedangkan larutan elektrolit adalah larutan yang dapat menghantarkan arus listrik dengan mudah. Ion-ion merupakan atom-atom bermuatan elektrik. Elektrolit dapat berupa senyawa garam, asam, atau amfoter. Beberapa gas tertentu dapat berfungsi sebagai elektrolit, hal ini terjadi pada kondisi tertentu misalnya pada suhu tinggi atau tekanan rendah. Elektrolit kuat identik dengan asam, basa, dan garam. Elektrolit merupakan senyawa yang berikatan ion dan kovalen polar. Sebagian besar senyawa yang berikatan ion merupakan elektrolit sebagai contoh adalah garam dapur atau (NaCl). Natrium klorida (NaCl) dapat menjadi elektrolit dalam bentuk larutan dalam sistem aqueous dan lelehan, sedangkan dalam bentuk padatan senyawa ion tidak dapat berfungsi sebagai elektrolit (Riyanto, 2013: 2).
Menurut Wahad dan Nafie (2014: 39), Sel Galvani atau sel kimia dapat dibedakan menjadi sel kimia dengan transference dan sel kimia tanpa transference.
Sel kimia dengan transference contohnya sel Daniell. Sel Daniell terdiri atas batang Zn dalam larutan ZnSO4, dan batang Cu dalam larutan CuSO4 pekat. Di antara kedua larutan yang terpisah tersebut terdapat penghubung atau transference yang berupa liquid junction atau jembatan garam (salt bridge). Jika elektroda Zn dan Cu dihubungkan, maka terjadi arus listrik akibat reaksi oksidasi Zn dan reduksi ion Cu2+ dalam larutan. Potensial listrik atau voltage (E) yang dihasilkan ± 1,1 volt.
Reaksinya:
Kutub negatif : Zn (s) Zn2+(aq) + 2e- (Oksidasi)
Kutub positif : Cu2+ (aq) + 2e- Cu (s) (Reduksi)
Total : Zn (s) + Cu2+ (aq) Zn2+(aq) + Cu (s)
(Redoks)
2. Sel kimia tanpa transference
Yaitu tergantung dari perpindahan zat dari electrode satu ke electrode lain, karena perbedaan konsentrasi. Sel kimia tanpa transference contohnya sel accu, sel Leclanche, dan sel bahan bakar.
a) Sel Accu
Pada sel accu, sebagai kutub negatif adalah logam Pb kutub positif adalah
logam Pb dilapis PbO2 dan elektrolitnya adalah larutan H2SO4. Setiap pasang sel
menghasilkan voltage (E) sebesar ± 2 volt.
Pb (s) + SO42-(aq) PbSO4(s) +
2e-PbO2(s) + SO42- (aq) + 4H+ (aq) + 2e- PbSO4(aq) + 2H2O ( I )
Pb (s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) 2PbSO4(s) + 2H2O (I)
Sel Leclance contohnya batu baterai. Pada batu baterai biasa, sebagai
kutub negatif adalah logam Zn, kutub positif adalah batang grafit (C) dibungkus
MnO2 dan elektrolitnya adalah pasta NH4Cl dan ZnCl2. Potensial listrik
(Voltage) yang dihasilkan ± 1,5 volt. Reaksi oksidasi dan reduksi yang terjadi
adalah:
Zn (s) Zn2+(aq) +
2e-2MnO2(s) + H2O ( I ) + 2e- Mn2O3(s) + 2OH-(aq)
Zn (s) + 2MnO2 (aq) + H2O ( I ) Zn2+(aq) + 2OH- (aq) + Mn2O3(s)
Terjadi juga reaksi lain, yaitu OH- yang terbentuk bereaksi dengan NH
4Cl
menghasilkan NH3, selanjutnya NH3 yang terjadi diikat Zn 2+
2NH4Cl (aq) + 2OH-(aq) 2NH3(aq) + 2Cl-(aq) + 2H2O ( I )
Zn2+
(aq) + 4NH3(g) + 4Cl-(aq) [Zn(NH3)4]Cl2(s)
Pada batu baterai biasa yang menggunakan anoda logam Zn, katoda batang
C, dan elektrolitnya pasta berair dari campuran NH4Cl, MnO2, dan serbuk C,
reaksi oksidasi dan reduksi yang terjadi adalah:
Zn (s) Zn2+(aq) +
2e-2MnO2 (s) + 2H2O (I) + 2e- 2MnO(OH) (s) + 2OH-(aq)
Zn (s) + 2MnO2(aq) + 2H2O ( I ) Zn2+(aq) + 2MnO(OH) (s) + 2OH-(aq)
Reaksi lainnya yaitu OH yang terbentuk bereaksi dengan NH4
c) sel bahan bakar (Wahad & Nafie, 2014:38).
Sel bahan bakar biasanya menggunakan oksigen pada kotoda dan suatu
gas yang dapat dioksidasi pada anoda, biasanya gas hidrogen. Reaksinya adalah:
H2(g) + 2OH-(aq) 2H2O (g) + 2e
-O2 (g) + H2O (g) + 2e- HO2-(aq) + OH-(aq) HO2-(aq) ½ O2 (g) + OH- (aq)
Sel elektrolit adalah sel yang mengalami reaksi kimia ketika tegangan
listrik diterapkan. Sel elektrolisis merupakan kebalikan dari sel volta, yaitu
perubahan energi listrik menjadi energi kimia. Sel elektrolisis juga memerlukan
elektroda-elektroda (Wahad dan Nafie 2014: 43).
Wahad dan Nafie (2014: 44), Ada 2 elektroda yang digunakan dalam elektrolisis, yaitu:
a. Elektroda inert yaitu elektroda yang tidak dapat bereaksi (Pt,C, Au).
b. Elektroda tak inert yaitu elektroda yang dapat bereaksi (Cu dan Ag).
Sel elektrolisis tidak memerlukan jembatan garam. Komponen utamanya
adalah sebuah wadah, elektroda, elektrolit dan sumber arus searah. Pada sel
elektrolisis digunakan elektroda inert yang hanya menyediakan permukaannya
sebagai tempat berlangsungnya reaksi. Dua batang platinum (Pt) atau karbon
dicelupkan dalam larutan elektrolit. Masing-masing batang bertindak sebagai
anoda (tempat berlangsungnya oksidasi) dan katoda (tempat berlangsungnya
reduksi), karena kation (ion positif) menuju katode maka katode merupakan
elektroda negatif. Dan sebaliknya anode merupakan elektroda positif karena
didatangi oleh anion (ion negatif) (Wahad dan Nafie 2014: 44).
Penerapan prinsip kerja elektrokimia saat ini sudah masuk kedalam bidang
sensor, salah satunya dalam bidang sensor kimia. Dalam bidang kimia telah
dibuat berbagai macam sensor kimia seperti sensor potensiometer, konduktometri,
voltametri, kulometri dan elektrogravimatri. Pada buku ini kita akan membatasi
pembahasan pada sensor kimia potensiometri, konduktometri dan voltametri
karena ketiga jenis sensor ini adalah sensor yang paling banyak digunakan saat ini
