A. Pengenalan Elektrokimia
Elektrokimia
merupakan bagian dari ilmu kimia yang mempelajari hubungan antara reaksi kimia
dengan arus listrik. Umumnya yang dipelajari adalah perubahan kimia yang disebabkan oleh adanya aliran listrik dan produksi energi listrik akibat adanya reaksi kimia. Peralatan elektrokimia terdiri dari
empat komponen penting yaitu katoda,
anoda, larutan elektrolit,
dan sumber daya (power supply). Katoda
merupakan elektroda negatif dalam larutan elektrolit
dimana pada katoda ini terjadi penempelan
ion-ion yang tereduksi dari anoda. Katoda
bertindak sebagai logam yang akan dilapisi atau
produk yang bersifat menerima ion. Katoda dihubungkan
ke kutub negatif dari arus listrik. Katoda
harus bersifat konduktor supaya proses elektrolisis
dapat berlangsung dan logam pelapis menempel
pada katoda.
Anoda
merupakan elektroda yang mengalami reaksi
oksidasi. Elektroda ini adalah kebalikan dari katoda, dari rangkaian elektrolisis karena bertindak sebagai kutub positif. 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. Peranan anoda pada proses
elektrolisis sangat penting
dalam menghasilkan kualitas lapisan. Pengaruh
kemurnian/kebersihan anoda terhadap elektrolit
dan penentuan optimalisasi ukuran serta bentuk
anoda perlu diperhatikan. Dengan perhitungan
yang cermat dalam menentukan anoda pada
proses pelapisan dapat memberikan keuntungan
yaitu meningkatkan distribusi endapan,
mengurangi kontaminasi larutan, menurunkan
biaya bahan kimia yang dipakai, meningkatkan
efisiensi produksi dan mengurangi timbulnya
masalah-masalah dalam proses elektrolisis.
Elektrolit
merupakan suatu zat yang larut atau terurai
ke dalam bentuk ion-ionnya. Ion-ion merupakan
atom-atom bermuatan elektrik. Elektrolit
dapat berupa senyawa garam, asam, atau amfoter.
Elektrolit kuat identik dengan asam, basa, dan
garam.
Istilah-istilah
elektrolit kuat dan elektrolit
lemah diambil dari daya hantar listriknya. Elektrolit
kuat mempunyai daya hantar listrik kuat karena
mengandung jumlah ion yang lebih besar/banyak
bila dibandingkan dengan elektrolit lemah. Faktor yang Berpengaruh pada
Elektrolisis adalah
konsentrasi elektrolit, sirkulasi elektrolit, rapat arus, tegangan, jarak anoda-katoda, rasio dan bentuk anoda-katoda, temperatur,
daya tembus (throwing
power), aditif,
kontaminasi. Larutan
elektrolit dapat dibuat dari larutan asam,
basa dan garam logam yang dapat membentuk
muatan ion-ion negatif. Tiap jenis pelapisan,
Larutan elekrolitnya berbeda-beda tergantung
pada sifat-sifat elektrolit yang diinginkan.
Larutan elektrolit selalu mengandung garam
dari logam yang akan dilapisi. Garam-garam tersebut
sebaiknya dipilih yang mudah larut, tetapi
anionnya tidak mudah tereduksi. Meskipun anion
tidak ikut langsung dalam proses terbentuknya
lapisan dalam proses terbentuknya lapisan,
tetapi jika menempel pada permukaan katoda
akan menimbulkan gangguan bagi terbentuknya
mikrostruktur lapisan. Kemampuan dari
ion logam ditentukan oleh konsentrasi dari garam
logammnya, derajat disosiasi dan konsentrasi
unsur-unsur lain yang ada dalam larutan.
Power
supply atau sumber
daya merupakan perangkat
atau sistem yang memasok listrik atau sejumlah
energi ke output beban atau kelompok beban.
Seperangkat alat elektronika seharusnya dicatu
atau disuplai arus searah DC (direct current) yang stabil agar bekerja dengan
baik. Baterai adalah
sumber catut daya yang baik. Namun untuk aplikasi
yang membutuhkan catut daya yang lebih besar
sumber dari baterai tidak cukup. Sumber catut
daya yang besar adalah sumber bolak balik AC
(Alternating Current) dari pembangkit tenaga listrik. Untuk itu diperlukan suatu perangkat catut daya yang dapat mengubah arus AC
menjadi DC. Power supply mengubah tegangan listrik 220 volt menjadi lebih rendah sesuai dengan
yang diinginkan.
Tegangan yang keluar dari travo masih dalam
keadaan bolak-balik (AC), sehingga untuk merubah
dari AC ke DC diperlukan kuprok sebagai
penyearah dan kapasitor elektrolit dari tegangan
output. Pada Power Supply juga dipasang sebuah instrument voltmeter yang
dipasang secara pararel
dan sebuah ampermeter yang dipasang secara
seri.
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.
Elektrokimia
dapat diaplikasikan dalam berbagai keperluan manusia, seperti keperluan
seharihari dalam skala rumah
tangga dan industri-industri besar seperti industri yang memproduksi
bahan-bahan kimia baik organik
maupun anorganik, farmasi, polimer, otomotif, perhiasan, pertambangan,
pengolahan limbah dan bidang
analisis. Pengunaan elektrokimia diantaranya adalah:
1 1. Sel Elektrolisis
Elektrolisis
adalah peristiwa penguraian elektrolit oleh arus listrik searah dengan menggunakan dua macam elektroda.
Elektroda tersebut adalah katoda (elektroda yang dihubungkan dengan kutub negatif) dan anoda (elektroda yang
dihubungkan dengan kutub positif). Pada anoda terjadi reaksi oksidasi,
yaitu anion (ion negatif) ditarik oleh anoda dan jumlah elektronnya berkurang sehingga
bilangan oksidasinya bertambah.
a. Ion
OH-
dioksidasi menjadi H2O dan O2. Reaksinya:
b. Ion
sisa asam yang mengandung oksigen (misalnya NO3-, SO42-) tidak dioksidasi,
yang dioksidasi air. Reaksinya:
c. Ion
sisa asam yang lain dioksidasi menjadi molekul. Contoh:
Pada katoda terjadi reaksi reduksi,
yaitu kation (ion positif) ditarik oleh katoda dan menerima tambahan elektron, sehingga
bilangan oksidasinya berkurang.
a. Ion
H+ direduksi menjadi H2. Reaksinya:
b. Ion
logam alkali (IA) dan alkali tanah (IIA) tidak direduksi, yang direduksi air.
c. Ion
logam lain (misalnya Al3+, Ni2+, Ag+ dan lainnya) direduksi.
Contoh penggunaan sel elektrolisis yaitu:
Elketrodeposisi; Elektroanalisis; Elektrosintesis dan; Elektrodegradasi.
a.
Elektrodeposisi
Elektrodeposisi
merupakan teknik elektrolisis dengan
cara pengendapan logam dipermukaan elektroda.
Teknik ini biasa digunakan untuk pembuatan
bahan nanoteknologi, electroplating, pencegah
korosi, perhiasan dan assesoris mobil.
b. Elektroanalisis
Merupakan
aplikasi elektrolisis untuk analisis, seperti
polarografi, voltametri, potensiometri, Linnier
Sweep Voltammetry (LSV), Cyclic Voltammetry
(CV), Differential Pulse Voltammetry
(DPV), Normal Pulse Voltammetry (NPV),
Differential Normal Pulse Voltammetry (DNPV), Square Wave Voltammetry (SWV), Anodic Stripping Voltammetry (ASV),
Catodic Stripping
Voltammetry (CSV) dan Voltammetry stripping
adsorptive (AdSV).
c. Elektrosintesis
Merupakan
sintesis senyawa organik dan anorganik
dengan cara elektrolisis. Teknik ini dapat
mengatasi beberapa kelemahan sintesis dengan
cara biasa. Beberapa senyawa organik dapat
disintesis dengan cara elektrosintesis antara lain asam asetat, adiponitril dan tetra alkil plumbun
sedangkan sintesis senyawa
anorganik antara lain Ti, Al, Na, MnO2 dan Cl2.
d. Elektrodegradasi
Elektrodegradasi
merupakan cara penguraian limbah
organik dan anorganik dengan cara elektrolisis.
Penguraian limbah dengan metode ini lebih
efisien dan hemat energi. Hasil akhir dari penguraian
limbah organik adalah air dan gas CO2, sedangkan limbah anorganik
seperti logamlogam akan
terendapkan di katoda. Logam yang sudah
terendapkan di katoda dapat dipisahkan dengan
melarutkan logam tersebut kedalam asam kuat,
kemudian dipisahkan menjadi logam murni melalui
pengendapan.
2 2. Sel
Galvani
Pada elektrolisis, energi listrik
diubah menjadi energi kimia. Pada sel galvani terjadi sebaliknya, yaitu energi kimia
diubah menjadi energi listrik. Sel Galvani disebut juga sel kimia. Sel Galvani dipakai sebagai
sumber listrik untuk penerangan, pemanasan, menjalankan motor, dan sebagainya. Sel Galvani atau
sel kimia dapat dibedakan menjadi sel kimia dengan transference dan
sel kimia tanpa transference.
a. Sel kimia dengan 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.
b. Sel kimia tanpa transference
Sel kimia tanpa transference
contohnya sel accu, sel Leclanche, dan sel bahan bakar.
1). 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.
2). Sel Leclanche (sel
kering). 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.
B.
Hukum Faraday
Akibat aliran arus listrik searah ke
dalam larutan elektrolit akan terjadi perubahan kimia dalam larutan tersebut. Hubungan antara muatan dengan
produk yang terbentuk diberikan dalam Hukum Faraday. Perubahan potensial dapat
menyebabkan aliran listrik pada sirkuit luar karena elektron menyeberangi
antarfasa elektron/larutan ketika reaksi terjadi. Menurut
Michael Faraday (1834) lewatnya arus 1 F mengakibatkan oksidasi 1 massa ekivalen suatu zat
pada suatu elektroda (anoda) dan reduksi 1 massa ekivalen suatu zat pada elektroda yang lain
(katoda). Hukum Faraday I: Massa zat yang timbul pada elektroda karena
elektrolisis berbanding lurus dengan
jumlah listrik yang mengalir melalui larutan.
w ~ Q
w ~ I.t
w = e.I.t
= gek x I x t/ F
= Ar x I x t/ n x F
Ket:
w = massa
zat yang diendapkan (g)
Q = jumlah
arus listrik = muatan listrik (C)
e = tetapan
= (gek : F)
I = kuat arus listrik (A)
t = waktu
(dt)
gek = massa ekivalen zat (gek)
Ar = massa atom relatif
n = valensi
ion
F = bilangan
faraday = 96.500 C
Massa
ekivalen = massa zat yang sebanding dengan 1 mol elektron = 6,02 x 1023
e-
1 gek ~ 1
mol e-
Hukum Faraday
II: Massa dari bermacam-macam zat yang timbul pada elektrolisis dengan jumlah listrik sama, berbanding
lurus dengan massa ekivalennya.
Komentar
Posting Komentar