Penjelasan Elektrolisis.docx

PRINSIP KERJA AKI DAN ELEKTROLISIS

Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Kelulusan Mata Kuliah Kimia Dasar Jurusan Teknologi Pangan

Oleh : Nama NRP

: Tiara Intan Citaresmi : 103020047

JURUSAN TEKNOLOGI PANGAN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS PASUNDAN BANDUNG 2010

AKUMULATOR

ACCU(mulator)

atau sering disebut aki, adalah salah satu komponen utama

dalam kendaraan bermotor, baik mobil atau motor, semua memerlukan aki untuk dapat menghidupkan mesin mobil (mencatu arus pada dinamo stater kendaraan). Aki mampu mengubah tenaga kimia menjadi tenaga listrik. Di pasaran saat ini sangat beragam jumlah dan jenis aki yang dapat ditemui.

Gambar 1. Accu Aki untuk mobil biasanya mempunyai tegangan sebesar 12 Volt, sedangkan untuk motor ada tiga jenis yaitu, dengan tegangan 12 Volt, 9 volt dan ada juga yang bertegangan 6 Volt. Selain itu juga dapat ditemukan pula aki yang khusus untuk menyalakan tape atau radio dengan tegangan juga yang dapat diatur dengan rentang 3, 6, 9, dan 12 Volt. Tentu saja aki jenis ini dapat dimuati kembali (recharge) apabila muatannya telah berkurang atau habis. Dikenal dua jenis elemen yang merupakan sumber arus searah (DC) dari proses kimiawi, yaitu elemen primer dan elemen sekunder. Elemen primer terdiri dan elemen basah dan elemen kering. Reaksi kimia pada elemen primer yang menyebabkan elektron mengalir dari elektroda negatif (katoda) ke elektroda

positif (anoda) tidak dapat dibalik arahnya. Maka jika muatannya habis, maka elemen primer tidak dapat dimuati kembali dan memerlukan penggantian bahan pereaksinya (elemen kering). Sehingga dilihat dari sisi ekonomis elemen primer dapat dikatakan cukup boros. Contoh elemen primer adalah batu baterai (dry cells). Allesandro Volta, seorang ilmuwan fisika mengetahui, gaya gerak listrik (ggl) dapat dibangkitkan dua logam yang berbeda dan dipisahkan larutan elektrolit. Volta mendapatkan pasangan logam tembaga (Cu) dan seng (Zn) dapat membangkitkan ggl yang lebih besar dibandingkan pasangan logam lainnya (kelak disebut elemen Volta). Hal ini menjadi prinsip dasar bagi pembuatan dan penggunaan elemen sekunder. Elemen sekunder harus diberi muatan terlebih dahulu sebelum digunakan, yaitu dengan cara mengalirkan arus listrik melaluinya (secara umum dikenal dengan istilah 'disetrum'). Akan tetapi, tidak seperti elemen primer, elemen sekunder dapat dimuati kembali berulang kali. Elemen sekunder ini lebih dikenal dengan aki. Dalam sebuah aki berlangsung proses elektrokimia yang reversibel (bolak-balik) dengan efisiensi yang tinggi. Yang dimaksud dengan proses elektrokimia reversibel yaitu di dalam aki saat dipakai

berlangsung

proses

pengubahan

kimia

menjadi

tenaga

listrik

(discharging). Sedangkan saat diisi atau dimuati, terjadi proses tenaga listrik menjadi tenaga kimia (charging).

Jenis aki yang umum digunakan adalah accumulator timbal. Secara fisik aki ini terdiri dari dua kumpulan pelat yang yang dimasukkan pada larutan asam sulfat encer (H2S04). Larutan elektrolit itu ditempatkan pada wadah atau bejana aki yang terbuat dari bahan ebonit atau gelas. Kedua belah pelat terbuat dari timbal (Pb), dan ketika pertama kali dimuati maka akan terbentuk lapisan timbal dioksida (Pb02) pada pelat positif. Letak pelat positif dan negatif sangat berdekatan tetapi dibuat untuk tidak saling menyentuh dengan adanya lapisan pemisah yang berfungsi sebagai isolator (bahan penyekat). Proses kimia yang terjadi pada aki dapat dibagi menjadi dua bagian penting, yaitu selama digunakan dan dimuati kembali atau 'disetrum'. 

Reaksi kimia Pada saat aki digunakan, tiap molekul asam sulfat (H2S04) pecah menjadi

dua ion hidrogen yang bermuatan positif (2H+) dan ion sulfat yang bermuatan negatif (S04-). Tiap ion S04 yang berada dekat lempeng Pb akan bersatu dengan satu atom timbal murni (Pb) menjadi timbal sulfat (PbS04) sambil melepaskan dua elektron. Sedang sepasang ion hidrogen tadi akan ditarik lempeng timbal dioksida (PbO2), mengambil dua elektron dan bersatu dengan satu atom oksigen membentuk molekul air (H2O). Dari proses ini terjadi pengambilan elektron dari timbal dioksida (sehingga menjadi positif) dan memberikan elektron itu pada timbal murni (sehingga menjadi negatif), yang mengakibatkan adanya beda potensial listrik di antara dua

kutub tersebut. Proses tersebut terjadi secara simultan, reaksi secara kimia dinyatakan sebagai berikut : Pb02 + Pb + 2H2S04 -----> 2PbS04 + 2H20 Di atas ditunjukkan terbentuknya timbal sulfat selama penggunaan (discharging). Keadaan ini akan mengurangi reaktivitas dari cairan elektrolit karena asamnya menjadi lemah (encer), sehingga tahanan antara kutub sangat lemah untuk pemakaian praktis. Sementara proses kimia selama pengisian aki (charging) terjadi setelah aki melemah (tidak dapat memasok arus listrik pada saat kendaraan hendak dihidupkan). Kondisi aki dapat dikembalikan pada keadaan semula dengan memberikan arus listrik yang arahnya berlawanan dengan arus yang terjadi saat discharging. Pada proses ini, tiap molekul air terurai dan tiap pasang ion hidrogen yang dekat dengan lempeng negatif bersatu dengan ion S04 pada lempeng negatif membentuk molekul asam sulfat. Sedangkan ion oksigen yang bebas bersatu dengan tiap atom Pb pada lempeng positif membentuk Pb02. Reaksi kimia yang terjadi adalah : 2PbS04 + 2H20 ----> PbO2 + Pb + 2H2S02 

Aki kendaraan Besar ggl yang dihasilkan satu sel aki adalah 2 Volt. Sebuah aki mobil terdiri

dari enam buah aki yang disusun secara seri, sehingga ggl totalnya adalah 12 Volt. Accu mencatu arus untuk menyalakan mesin (motor dan mobil dengan menghidupkan dinamo stater) dan komponen listrik lain dalam mobil. Pada saat

mobil berjalan aki dimuati (diisi) kembali sebuah dinamo (disebut dinamo jalan) yang dijalankan dari putaran mesin mobil atau motor. Pada aki kendaraan bermotor arus yang terdapat di dalamnya dinamakan dengan kapasitas aki yang disebut Ampere-Hour/AH (Ampere-jam). Contohnya untuk aki dengan kapasitas arus 45 AH, maka aki tersebut dapat mencatu arus 45 Ampere selama 1 jam atau 1 Ampere selama 45 jam. Penulis sempat melakukan penelitian untuk mengetahui karakteristik aki dan hasilnya telah diseminarkan beberapa waktu yang lalu. Penelitian tersebut dilakukan baik saat aki sedang di discharging maupun saat charging. Metodenya adalah dengan mengukur tegangan jepit (Volt) antara kedua kutub dari aki yang dibandingkan per satuan waktu (30 menit). Penelitian tersebut dilakukan untuk aki 12 Volt, 9 Volt dan 6 Volt (meliputi aki mobil dan motor). Pengamatan ini dilakukan selama kurang lebih lima sampai enam jam untuk tiap jenis aki, dan hasilnya antara tegangan jepit diplot terhadap perubahan waktu. Ternyata aki yang kutubnya terbuat dari timbal dan timbal peroksida dan dicelupkan dalam cairan asam sulfat (yang banyak dipakai) cukup baik hasilnya dalam mempertahankan beda potensial. Karena itu kedua kutub aki timbal dan timbal peroksida mampu mempertahankan perbedaan potensial antara kedua kutub secara stabil, sekalipun arus yang melalui rangkaian cukup besar.



Menghemat aki

Bila mana aki yang setelah kurang lebih satu tahun kita pakai mulai rewel alias 'zwak', ada beberapa tips yang dapat dicoba untuk lebih memperlama umur aki, mengingat harganya cukup mahal. 1. Sebelum 'disetrum' ulang, buang seluruh cairan asam sulfat yang tersisa dalam aki. Lalu dibilas dengan air murni sebanyak empat kali, dan isi dengan cairan accu zuur. Setelah itu dapat 'disetrum'. Pada pemakaian normal, aki dapat bertahan selama satu sampai tiga bulan. 2. Atau dapat juga setelah mobil atau motor diparkir, lepaskan salah satu kabel pada kutub positif aki, sehingga pada aki tak ada arus yang benarbenar mengalir. Dan sebaiknya jangan menyalakan perlengkapan yang memerlukan arus (radio atau tape) saat mobil sedang tidak dijalankan. 3. Dan sebelum terjadi dua hal di atas, perawatan dan pengecekan terhadap tinggi permukaan air aki harus diperhatikan. Dan selain itu juga massa jenis air aki juga harus diukur dengan hidrometer secara berkala. Bila ternyata ketiga cara di atas tidak maksimal, mungkin sudah saatnya kita perlu membeli aki baru. Kita juga harus ingat, semua barang memiliki umur ekonomis, artinya setelah jangka waktu tertentu digunakan, barang tersebut secara perlahanlahan akan berkurang kemampuannya dan rusak.



Cara Kerja Aki

PERUBAHAN KIMIA SELAMA PENGISIAN DAN PEMAKAIAN

Gambar 2. Aki tampa pembungkus

Pada sebuah aki 12v biasanya terdapat 6 sel aki, setiap selnya menghasilkan 2,1 volt. Untuk menghasilkan 2,1volt di dapat dengan reaksi kimia. Pada saat reaksi kimia terjadi maka akan dilepaskan panas, tegangan, dan juga air. Reaksi kimia ini terjadi saat kita menggunakan aki untuk menghidupkan beban seperti starter, lampu, klakson, tape dan lain-lain. Hebatnya aki ini proses kimia yang terjadi dapat berbalik arah atau reversibel sehingga setelah aki digunakan dapat di isi kembali dengan membalikkan proses di atas yaitu..dengan memberikan tegangan kepada aki tersebut. Secara lengkap Reaksi kimianya dapat dirumuskan seperti dibawah ini :

Pemakaian

Pengisian

Kondisi Bermuatan Penuh

Kondisi Terpakai Habis

Gambar 3. Prinsip Kerja Aki Elektrolit Pelat(+) Pelat(-) Pelat(+) Pelat(-) PEMAKAIAN 2H2SO4 Elektrolit PB02 Pb PbSO4 PbSO4 + Asam + 2H2O + Timbal Timbal Timbal Timbal Sulfat dan air PENGISIAN Peroksida berpori Sulfat Sulfat Air 1. PERUBAHAN KIMIA PADA SAAT PELEPASAN MUATAN LISTRIK Pada plat positif (+) terjadi reaksi antara PbO2 dengan Asam sulfur untuk pembentukan Timbal sulfat. Dalam reaksi ini diperlukan muatan negative. Sehingga pada plat ini yang tertinggal adalah muatan positif (+) Pada plat negative (-) terjadi reaksi antara Pb dengan Asam sulfur untuk pembentukan Timbal sulfat. Dalam reaksi ini diperlukan muatan Positif Sehingga pada plat ini yang tertinggal adalah muatan negatif(-) Aki memberikan aliran listrik jika dihubungkan dengan rangkaian luar misalnya, lampu, radio dan lain-lain. Aliran listrik ini terjadi karena reaksi kimia dari asam sulfat dengan kedua material aktif dari plat positif dan plat negatif. Pada

saat pelepasan muatan listrik terus menerus, elektrolit akan bertambah encer dan reaksi kimia akan terus berlangsung sampai seluruh bahan aktif pada permukaan plat positif dan negatif berubah menjadi timbal sulfat. Jika Aki tidak dapat lagi memberi aliran listrik pada voltage tertentu, maka aki tersebut dalam keadaan lemah arus (soak). 2. PERUBAHAN KIMIA PADA SAAT PENGISIAN MUATAN LISTRIK Dengan adanya energy dari luar, maka timbal sulfat akan dipecahkan oleh oksigen dari air yang terionisasi (H2O). Timbal peroxide mengendap pada plat positif, Timbal mengendap pada plat negative. Pada proses pengisian muatan listrik, kembali terjadi proses reaksi kimia yang berlawanan dengan reaksi kimia pada saat pelepasan muatan. Timbal peroksida terbentuk pada plat positif dan timbal berpori terbentuk pada plat negatif, sedangkan berat jenis elektrolit akan naik, karena air digunakan untuk membentuk asam sulfat. Aki kembali dalam kondisi bermuatan penuh. PENURUNAN

BERAT

JENIS

ACCU

ZUUR

SELAMA PELEPASAN MUATAN LISTRIK Berat jenis accu zuur akan turun sebanding dengan derajat pelepasan muatan, jadi jumlah energi listrik yang ada dapat ditentukan dengan mengukur berat jenis accu zuurnya, misalnya aki mempunyai berat jenis accu zuur 1.260 pada 20°C, bermuatan listrik penuh, setelah melepaskan muatan listrik berat jenisnya 1.200 pada 20°C,maka Aki masih mempunyai energi listrik sebesar 70% . Berat jenis

accu zuur turun saat digunakan larutan electrolit berubah menjadi air sehingga otomatis berat jenis larutan air accu turun.

Gambar 4. Grafik Perbandingan Aki dan B.J Accu Zuur BERAT JENIS ACCU ZUUR TERGANTUNG DARI SUHU Berat jenis accu zuur berubah tergantung dari temperaturnya, jadi pembacaan berat jenis pada skala hidrometer kurang tepat sebelum dilakukan koreksi suhu. Volume accu zuur bertambah jika dipanaskan dan turun jika dingin, sedang beratnya tetap. Jika Volume bertambah sedang beratnya tetap maka berat jenis akan turun. Berat jenis turun sebesar 0.0007 untuk kenaikan tiap derajat celcius dalam suhu batas normal Aki. Standar berat jenis menurut perjanjian adalah untuk suhu 20°C. Macam-macam aki / battery Meski ada puluhan merek aki, mau jenis basah sampai kategori bebas perawatan, padahal fungsinya sama saja sebagai media penyimpan arus listrik. Tinggal beda ragam dan kegunaannya. 1. BATERAI Kalau ada istilah aki kering, mestinya baterai yang lebih pas karena sama

sekali tak ada cairan di dalamnya. Kategorinya, ada baterai sekali pakai alias nggak bisa dicharge dan baterai yang bisa diisi ulang (rechargeable).

Dari segi bahan pun beragam. Dari paling kuno Nickel-Cadmium (Ni-Cd), Nickel-Metal Hybride (Ni-Mh), Lithium Ion sampai tercanggih Lithium Polymer. Biasanya dipakai untuk peralatan elektronik karena bisa dibikin ringkas, makanya lazim diaplikasi di ponsel, kamera digital sampai laptop. Belum lagi faktor pengisian (recharge) yang beda. Baterai Ni-Cd nggak bisa diisi sebelum habis, kalau masih ada sisa arus listrik dan langsung dicharge bakal merusak sel dalam baterai. 2. AKI BASAH Media penyimpan arus ini paling popular. Meski rada kuno, tapi faktor harga yang murah jadi alasan banyak di motor. "Lazim disebut baterai basah karena di dalamnya diisi elektrolit asam sulfat yang akan bereaksi dengan lempengan timah (Pb)," tambah Arip. Ada dua jenis cairan, yang pertama botol merah atau asam sulfat yang ngetop dipanggil air Zuur, ini dipakai untuk pengisian pertama kali. Jenis kedua yaitu botol biru yang isinya air murni (aqua demineral) untuk pengisian ulang. 3. AKI MF (MAINTENANCE FREE)

Generasi aki paling canggih karena nggak perlu ditambah cairan elektrolit lagi. Pokoknya bebas perawatan deh. Mulai dikenal awam sejak dipakai di Honda Karisma dan Kirana. Aki MF bisa dibagi dua jenis, jenis tertutup tanpa lubang pengisian macam GS GTZ5S bawaan Karisma yang sudah diisi langsung oleh produsennya. Ada pula yang tipe terbuka, jadi konsumen harus memasukkan botol pengisian ke rongga penyimpan. Begitu cairan elektrolit sudah masuk, sampeyan harus memasang panel penutup. Udah gitu doang, tinggal pakai! Yang pasti harga jual aki MF bisa lebih mahal 40% dari aki basah. Berarti aki MF masih ada airnya. Kalau kena panas, air penguapannya ditampung dalam aki. Sehingga tidak kaluar. Begitu aki dingin, uap air disirkulasikan kembali ke dalam ruang sel aki. Sehingga air aki terus berputar. 4. AGAR AKI AWET Aki, khususnya aki basah, alias accu atawa baterai di motor kayak jantung. Terutama motor yang mengandalkan pengapian DC alias Direct Current. Aki menyuplai arus ke semua bagian kelistrikan motor. Cara kerja aki nggak langsung jos menyuplai arus. Tapi, butuh waktu supaya arus semua terkirim ke komponen kelistrikan. “Kalau sesuai perputaran mesin, di rpm tertentu arus dari aki baru ngisi maksimal.

5. AMPERE SESUAI KEBUTUHAN Masih banyak yang nggak ngeh makna angka yang tertera di aki. Seperti 12V/3,5 Ah atau 12V/7 Ah. Itu adalah beban aki. Dimana aki memiliki tegangan 12 volt, namun mampu menyuplai arus maksimal 3,5 atau 7 ampere dalam waktu 1 jam. Menurut Saut, penentuan kode di aki sebenarnya sudah dihitung pabrikan sesuai kebutuhan beban di motor. Dimana semua bisa dilihat dari jumlah sel yang ada, lalu diimbangi dengan beban tersedia. Tentu saja semua menganut perhitungan tegangan, arus dan daya yang dihasilkan. Misalkan, diketahui aki memiliki tegangan 12 volt dengan tahanan beban lampu utama yang didapat 6 ohm diukur pakai alat multitester. Kemudian untuk mengetahui ampere-nya kita gunakan rumus I = V / r dimana I = ampere, V = tegangan dan r = tahanan. Hasilnya, 12 / 6 = 2 ampere. jika ingin mengetahui daya yang dihasilkan, tinggal gunakan rumus I x V = daya (watt) lampu utama. Prinsip Kerja AKI atau Accu

Saat baterai mengeluarkan arus

1. Oksigen (O) pada pelat positif terlepas karena bereaksi/bersenyawa/bergabung dengan hidrogen (H) pada cairan elektrolit yang secara perlahan-lahan keduanya bergabung/berubah menjadi air (H20).

2. Asam (SO4) pada cairan elektrolit bergabung dengan timah (Pb) di pelat positif maupun

pelat

negatif

sehigga

menempel

dikedua

pelat

tersebut.

Reaksi ini akan berlangsung terus sampai isi (tenaga baterai) habis alias dalam keadaan discharge. Pada saat baterai dalam keadaan discharge maka hampir semua asam melekat pada pelat-pelat dalam sel sehingga cairan eletrolit konsentrasinya sangat rendah dan hampir melulu hanya terdiri dari air (H2O), akibatnya berat jenis cairan menurun menjadi sekitar 1,1 kg/dm3 dan ini mendekati berat jenis air yang 1 kg/dm3. Sedangkan baterai yang masih berkapasitas penuh berat jenisnya sekitar 1,285 kg/dm3. Nah, dengan perbedaan berat jenis inilah kapasitas isi baterai bisa diketahui apakah masih penuh atau sudah berkurang yaitu dengan menggunakan alat hidrometer. Hidrometer ini merupakan salah satu alat yang wajib ada di bengkel aki (bengkel yang menyediakan jasa setrum/cas aki). Selain itu pada saat baterai dalam keadaan discharge maka 85% cairan elektrolit terdiri dari air (H2O) dimana air ini bisa membeku, bak baterai pecah dan pelat-pelat menjadi rusak. Saat baterai menerima arus Baterai yang menerima arus adalah baterai yang sedang disetrum/dicas alias sedang diisi dengan cara dialirkan listrik DC, dimana kutup positif baterai dihubungkan dengan arus listrik positif dan kutub negatif dihubungkan dengan arus listrik negatif. Tegangan yang dialiri biasanya sama dengan tegangan total yang dimiliki baterai, artinya baterai 12 V dialiri tegangan 12 V DC, baterai 6 V dialiri tegangan 6 V DC, dan dua baterai 12 V yang dihubungkan secara seri

dialiri tegangan 24 V DC (baterai yang duhubungkan seri total tegangannya adalah jumlah dari masing-maing tegangan baterai: Voltase1 + Voltase2 = Voltasetotal). Hal ini bisa ditemukan di bengkel aki dimana ada beberapa baterai yang duhubungkan secara seri dan semuanya disetrum sekaligus. Berapa kuat arus (ampere) yang harus dialiri bergantung juga dari kapasitas yang dimiliki baterai tersebut (penjelasan tentang ini bisa ditemukan di bagian bawah).

Konsekuensinya, proses penerimaan arus ini berlawanan dengan proses pengeluaran arus, yaitu :1. Oksigen (O) dalam air (H2O) terlepas karena bereaksi/bersenyawa/bergabung dengan timah (Pb) pada pelat positif dan secara perlahan-lahan kembali menjadi oksida timah colat (PbO2).2. Asam (SO4) yang menempel pada kedua pelat (pelat positif maupun negatif) terlepas dan bergabung dengan hidrogen (H) pada air (H2O) di dalam cairan elektrolit dan kembali terbentuk menjadi asam sulfat (H2SO4) sebagai cairan elektrolit. Akibatnya berat jenis cairan elektrolit bertambah menjadi sekitar 1,285 (pada baterai yang terisi penuh).

ELEKTROLISIS

a. Sel dan elektrolisis Dalam sel, reaksi oksidasi reduksi berlangsung dengan spontan, dan energi kimia yang menyertai reaksi kimia diubah menjadi energi listrik. Bila potensial diberikan pada sel dalam arah kebalikan dengan arah potensial sel, reaksi sel yang berkaitan dengan negatif potensial sel akan diinduksi. Dengan kata lain, reaksi yang tidak berlangsung spontan kini diinduksi dengan energi listrik. Proses ini disebut elektrolisis. Pengecasan baterai timbal adalah contoh elektrolisis.

Reaksi total sel Daniell adalah Zn + Cu2+(aq) –> Zn2+(aq) + Cu (10.36)

Andaikan potensial lebih tinggi dari 1,1 V diberikan pada sel dengan arah kebalikan dari potensial yang dihasilkan sel, reaksi sebaliknya akan berlangsung. Jadi, zink akan mengendap dan tembaga akan mulai larut. Zn2+(aq) + Cu –> Zn + Cu2+(aq) (10.37)

Gambar 10.6 menunjukkan representasi skematik reaksi kimia yang terjadi bila potensial balik diberikan pada sel Daniell. Bandingkan dengan Gambar 10.2.

Gambar 10.6 Electrolisis. Reaksi kebalikan dengan yang terjadi pada sel Daniell akan berlangsung. Zink mengendap sementara tembaga akan melarut.

b. Hukum elektrolisis Faraday Di awal abad ke-19, Faraday menyelidiki hubungan antara jumlah listrik yang mengalir dalam sel dan kuantitas kimia yang berubah di elektroda saat elektrolisis. Ia merangkumkan hasil pengamatannya dalam dua hukum di tahun 1833. Hukum elektrolisis Faraday 1. Jumlah zat yang dihasilkan di elektroda sebanding dengan jumlah arus listrik yang melalui sel. 2. Bila sejumlah tertentu arus listrik melalui sel, jumlah mol zat yang berubah di elektroda adalah konstan tidak bergantung jenis zat. Misalnya, kuantitas listrik yang diperlukan untuk mengendapkan 1 mol logam monovalen adalah 96 485 C(Coulomb) tidak bergantung pada jenis

logamnya. C (Coulomb) adalah satuan muatan listrik, dan 1 C adalah muatan yang dihasilkan bila arus 1 A (Ampere) mengalir selama 1 s. Tetapan fundamental listrik adalah konstanta Faraday F, 9,65 x104 C, yang didefinisikan sebgai kuantitas listrik yang dibawa oleh 1 mol elektron. Dimungkinkan untuk menghitung kuantitas mol perubahan kimia yang disebabkan oleh aliran arus listrik yang tetap mengalir untuk rentang waktu tertentu. Contoh soal 10.7 hukum elektrolisis Faraday Arus sebesar 0,200 A mengalir melalui potensiometer yang dihubungkan secara seri selama 20 menit. Satu potensiometer memiliki elektrode Cu/CuSO4 dan satunya adalah elektrode Pt/ H2SO4 encer. Anggap Ar Cu = 63,5. Tentukan

1. jumlah Cu yang mengendap di potensiometer pertama. 2. Volume hidrogen pada S. T. P. yang dihasilkan di potensiometer kedua.

Jawab Jumlah muatan listrik yang lewat adalah 0,200 x 20 x 60 = 240, 0 C． 1. Reaksi yang terlibat adalah Cu2+ + 2e-–> Cu, maka massa (w) Cu yang diendapkan adalah. w (g) = [63,5 (g mol-1)/2] x [240,0 (C)/96500(C mol1

)] = 0,079 g

2. Karena reaksinya 2H+ + 2e-–> H2, volume hidrogen yang dihasilkan v (cm3)

adalah.

v (cm3) = [22400 (cm3mol-1)/2] x [240,0(C)/96500(C mol-1)] = 27,85 cm3

c. Elektrolisis penting di industri Elektrolisis yang pertama dicoba adalah elektrolisis air (1800). Davy segera mengikuti dan dengan sukses mengisolasi logam alkali dan alkali tanah. Bahkan hingga kini elektrolisis digunakan untuk menghasilkan berbagai logam. Elektrolisis khususnya bermanfaat untuk produksi logam dengan kecenderungan ionisasi tinggi (misalnya aluminum). Produksi aluminum di industri dengan elektrolisis dicapai tahun 1886 secara independen oleh penemu Amerika Charles Martin Hall (1863-1914) dan penemu Perancis Paul Louis Toussaint Héroult (1863-1914) pada waktu yang sama. Sukses elektrolisis ini karena penggunaan lelehan Na3AlF6 sebagai pelarut bijih (aluminum oksida; alumina Al2O3)．

Sebagai syarat berlangsungnya elektrolisis, ion harus dapat bermigrasi ke elektroda. Salah satu cara yang paling jelas agar ion mempunyai mobilitas adalah dengan menggunakan larutan dalam air. Namun, dalam kasus elektrolisis alumina, larutan dalam air jelas tidak tepat sebab air lebih mudah direduksi daripada ion aluminum sebagaimana ditunjukkan di bawah ini. Al3+ + 3e-–> Al potensial elektroda normal = -1,662 V (10.38) 2H2O +2e-–> H2 + 2OH- potensial elektroda normal = -0,828 V (10.39)

Metoda lain adalah dengan menggunakan lelehan garam. Masalahnya Al2O3 meleleh pada suhu sangat tinggi 2050 °C, dan elektrolisis pada suhu setinggi ini jelas tidak realistik. Namun, titik leleh campuran Al2O3 dan Na3AlF6 adalah sekitar 1000 °C, dan suhu ini mudah dicapai. Prosedur detailnya adalah: bijih aluminum, bauksit mengandung berbagai oksida logam sebagai pengotor. Bijih ini diolah dengan alkali, dan hanya oksida aluminum yang amfoter yang larut. Bahan yang tak larut disaring, dan karbon dioksida dialirkan ke filtratnya untuk menghasilkan hidrolisis garamnya. Alumina akan diendapkan. Al2O3(s) + 2OH-(aq)–> 2AlO2- (aq) + H2O(l) (10.40) 2CO2 + 2AlO2 -(aq) + (n+1)H2O(l) –> 2HCO3- (aq) + Al2O3·nH2O(s) (10.41) Alumina yang didapatkan dicampur dengan Na3AlF6 dan kemudian garam lelehnya dielektrolisis. Reaksi dalam sel elektrolisi rumit. Kemungkinan besar awalnya alumina bereaksi dengan Na3AlF6 dan kemudian reaksi elektrolisis berlangsung. Al2O3 + 4AlF63-–> 3Al2OF62- + 6F- (10.42) Reaksi elektrodanya adalah sebagai berikut. Elektroda negatif: 2Al2OF62- + 12F- + C –> 4AlF63- + CO2 + 4e- (10.43) Elektroda positif: AlF63- + 3e-–> Al + 6F- (10.44) Reaksi total: 2Al2O3 + 3C –> 4Al + 3CO2 (10.45) Kemurnian aluminum yang didapatkan dengan prosedur ini kira-kira 99,55 %. Aluminum digunakan dalam kemurnian ini atau sebagai paduan dengan logam lain. Sifat aluminum sangat baik

dan, selain itu, harganya juga tidak terlalu mahal. Namun, harus diingat bahwa produksi aluminum membutuhkan listrik dalam jumlah sangat besar. 10.1 Bilangan oksidasi Tentukan bilangan oksidasi setiap unsur yang ditandai dengan hurugf tebal dalam senyawa berikut. (a) HBr (b) LiH (c) CCl4 (d) CO (e) ClO- (f) Cl2O7 (g) H2O2 (h) CrO3 (i) CrO42(j) Cr2O7210.1 Jawab (a) +1 (b) -1 (c) +4 (d) +2 (e) +1 (f) +7 (g) -1 (h) +6 (i) +6 (j) +6 10.2 Reaksi oksidasi reduksi Untuk tiap reaksi berikut, tentukan bilangan oksidasi atom berhuruf tebal. Tentukan oksidan dan reduktan dan tentukan perubahan bilangan oksidasinya. (a) PbO2 + 4H+ + Sn2+ –> Pb2+ + Sn4+ + 2H2O (b) 5As2O3 + 4MnO4- + 12H+ –> 5As2O5 + 4Mn2+ + 6H2O 10.2 Jawab (a) Pb: +4 –> +2 direduksi． Sn: +2 –> +4 dioksidasi (b) As: +3 –> +5 dioksidasi． Mn: +7 –> +2 direduksi 10.3 Titrasi oksidasi reduksi 0,2756 g kawat besi dilarutkan dalam asam sedemikian sehingga Fe3+ direduksi menjadi Fe2+. Larutan kemudian dititrasi dengan K2Cr2O7 0,0200 mol.dm-3 dan diperlukan 40,8 cm3 larutan oksidan untuk mencapai titik akhir. Tentukan kemurnian (%) besinya.

10.3 Jawab 99,5 % 10.4 Potensial sel Tentukan potensial sel (pada 25°C) yang reaksi totalnya diberikan dalam persamaan berikut. Manakah yang akan merupakan sel yang efektif? 1. Mg + 2H+ –> Mg2+ + H2 2. Cu2+ + 2Ag –> Cu + 2Ag+ 3. 2Zn2+ + 4OH-–> 2Zn + O2 + 2H2O 10.4 Jawab 1. Mg –> Mg2+ +2e-, +2,37 V． 2H+ + 2e-–> H2, 0,00 V; potensial sel: +2,37 V，efektif． 2. Cu2+ + 2e-–> Cu, 0,337 V． Ag–> Ag+ + e-, -0,799 V, potensial sel: 0,46 V，tidak efektif． 3. Zn2+ + 2e-–> Zn, -0,763 V． 4OH-–> 4e- + O2 + 2H2O, -0.401 V potensial sel: -1,16 V， tidak efektif． 10.5 Persamaan Nernst Hitung potensial sel (pada 25°C) yang reaksi selnya diberikan di bawah ini. Cd + Pb2+ –> Cd2+ + Pb [Cd2+] = 0,010 mol dm-3; [Pb2+] = 0,100 mol dm-3 10.5 Jawab 0,30 V

10.6 Hukum Faraday Bismut dihasilkan dengan elektrolisis bijih sesuai dengan persamaan berikut. 5,60 A arus listrik dialirkan selama 28,3 menit dalam larutan yang mengandung BiO+. Hitung massa bismut yang didapatkan. BiO+ + 2H+ + 3e- –> Bi + H2O 10.6 Jawab 6,86 g Elektrosintesis, Metode Elektrokimia untuk Memproduksi Senyawa Kimia

Gambar 5. Elektrolisis Selama ini kita hanya mendengar bahwa metode elektrokimia selalu didayagunakan atau berkonotasi dengan kata pemurnian logam dan proses penyepuhan/elektroplating (melindungi logam dari korosi). Ini termasuk juga dengan pandangan penulis dan mungkin rekan-rekan lainnya selama ini. Sebuah pandangan yang tidak sepenuhnya salah karena memang aplikasi utama dari metode elektrokimia adalah untuk pemurnian logam dan elektroplating. Selain itu di laboratorium pun, memang kita paling sering melakukan percobaan

elektrokimia terutama percobaan sel elektrolisis, sehingga memang klop rasanya jika kita menyandarkan kata elektrokimia dengan elektroplating dan pemurnian logam. Sesuai dengan namanya, metode elektrokimia adalah metode yang didasarkan pada reaksi redoks, yakni gabungan dari reaksi reduksi dan oksidasi, yang berlangsung pada elektroda yang sama/berbeda dalam suatu sistim elektrokimia. Sistem elektrokimia meliputi sel elektrokimia dan reaksi elektrokimia. Sel elektrokimia yang menghasilkan listrik karena terjadinya reaksi spontan di dalamnya di sebut sel galvani. Sedangkan sel elektrokimia di mana reaksi takspontan terjadi di dalamnya di sebut sel elektrolisis. Peralatan dasar dari sel elektrokimia adalah dua elektroda -umumnya konduktor logam- yang dicelupkan ke dalam elektrolit konduktor ion (yang dapat berupa larutan maupun cairan) dan sumber arus. Karena didasarkan pada reaksi redoks, pereaksi utama yang berperan dalam metode ini adalah elektron yang di pasok dari suatu sumber listrik. Sesuai dengan reaksi yang berlangsung, elektroda dalam suatu sistem elektrokimia dapat dibedakan menjadi katoda, yakni elektroda di mana reaksi reduksi (reaksi katodik) berlangsung dan anoda di mana reaksi oksidasi (reaksi anodik) berlangsung. Aplikasi metode elektrokimia untuk lingkungan dan laboratorium pada umumnya didasarkan pada proses elektrolisis, yakni terjadinya reaksi kimia dalam suatu sistem elektrokimia akibat pemberian arus listrik dari suatu sumber luar. Proses ini merupakan kebalikan dari proses Galvani, di mana reaksi kimia yang berlangsung dalam suatu sistem elektrokimia dimanfaatkan untuk menghasilkan

arus listrik, misalnya dalam sel bahan bakar (fuel-cell). Aplikasi lainnya dari metode elektrokimia selain pemurnian logam dan elektroplating adalah elektroanalitik, elektrokoagulasi, elektrokatalis, elektrodialisis dan elektrorefining. Sedangkan aplikasi lain yang tidak kalah pentingnya dari metode elektrokimia dan sekarang sedang marak dikembangkan oleh para peneliti adalah elektrosintesis. Teknik/metode elektrosintesis adalah suatu cara untuk mensintesis/membuat dan atau memproduksi suatu bahan yang didasarkan pada teknik elektrokimia. Pada metode ini terjadi perubahan unsur/senyawa kimia menjadi senyawa yang sesuai dengan yang diinginkan. Penggunaan metode ini oleh para peneliti dalam mensintesis bahan didasarkan oleh berbagai keuntungan yang ditawarkan seperti peralatan yang diperlukan sangat sederhana, yakni terdiri dari dua/tiga batang elektroda yang dihubungkan dengan sumber arus listrik, potensial elektroda dan rapat arusnya dapat diatur sehingga selektivitas dan kecepatan reaksinya dapat ditempatkan pada batas-batas yang diinginkan melalui pengaturan besarnya potensial listrik serta tingkat polusi sangat rendah dan mudah dikontrol. Dari keuntungan

yang

ditawarkan

menyebabkan

teknik

elektrosintesis

lebih

menguntungkan dibandingkan metode sintesis secara konvensional, yang sangat dipengaruhi oleh tekanan, suhu, katalis dan konsentrasi. Selain itu proses elektrosintesis juga dimungkinkan untuk dilakukan pada tekanan atmosfer dan pada suhu antara 100-900oC terutama untuk sintesis senyawa organik, sehingga memungkinkan penggunaan materi yang murah. Prinsip Elektrosintesis

Prinsip dari metode elektrosintesis didasarkan pada penerapan teori-teori elektrokimia biasa sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya. Baik teknik elektrosintesis maupun metode sintesis secara konvensional, mempunyai variabelvariabel yang sama seperti suhu, pelarut, pH, konsentrasi reaktan, metode pencampuran dan waktu. Akan tetapi perbedaannya, jika di elektrosintesis mempunyai variabel tambahan yakni variabel listrik dan fisik seperti elektroda, jenis elektrolit, lapisan listrik ganda, materi/jenis elektroda, jenis sel elektrolisis yang digunakan, media elektrolisis dan derajat pengadukan. Pada dasarnya semua jenis sel elektrolisis termasuk elektrosintesis selalu berlaku hukum Faraday yakni: 

Jumlah perubahan kimia yang terjadi dalam sel elektrolisis, sebanding dengan muatan listrik yang dilewatkan di dalam sel tersebut



Jumlah muatan listrik sebanyak 96.500 coulomb akan menyebabkan perubahan suatu senyawa sebanyak 1,0 gramekivalen (grek)

Sebelum melaksanakan elektrosintesis, sangatlah penting untuk memahami reaksi yang terjadi pada elektroda. Di dalam sel elektrolisis akan terjadi perubahan kimia pada daerah sekitar elektroda, karena adanya aliran listrik. Jika tidak terjadi reaksi kimia, maka elektroda hanya akan terpolarisasi, akibat potensial listrik yang diberikan. Reaksi kimia hanya akan terjadi apabila ada perpindahan elektron dari larutan menuju ke elektroda (proses oksidasi), sedangkan pada katoda akan terjadi aliran elektron dari katoda menuju ke larutan (proses reduksi). Proses perpindahan elektron dibedakan atas perpindahan elektron primer, artinya materi pokok

bereaksi secara langsung pada permukaan elektroda, sedangkan pada perpindahan elektron secara sekunder, elektron akan bereaksi dengan elektrolit penunjang, sehingga akan dihasilkan suatu reaktan antara (intermediate reactan), yang akan bereaksi lebih lanjut dengan materi pokok di dalam larutan. Reaktan antara ini dapat dihasilkan secara internal maupun eksternal: Perpindahan

elektron

secara

primer

:

O

+

ne

→

P

Perpindahan elektron secara sekunder : X + ne → I, O + I → P Perlu diketahui juga dalam mengelektrosintesis terutama sintesis senyawa organik bahwa reaksi pada elektroda dapat saja berubah bila kondisi berubah. Salah satu parameter yang penting untuk memahami reaksi yang terjadi adalah dengan mengetahui potensial elektrolisis untuk reaksi oksidasi dan reduksi. Tabel 1 dan 2 berikut ini memperlihatkan potensial reduksi dan oksidasi beberapa senyawa organik: Senyawa

E1/2

Senyawa

(Volt)

E1/2 (Volt)

Phenacyl Bromide - 0.16

Anthracene

1.20

Kloroform

Phenantherene

1.68

Methylen Klorida - 2.33

Napthalene

1.72

Benzoquinon

+ 0.44

Phenol

1.35

Benzoquinon

- 0.40

Anisol

1.67

- 1.67

Mesityl oxide

- 1.6

Thioanisol

1.82

Camphor Anil

- 2.6

Bitropyl

1.29

Benzalanin

- 1.83

Tropylidiine

1.39

Anthracene

- 1.94

Thiopene

1.91

Phenantherene

- 2.46

Tabel. 2 Potensial oksidasi

Napthalene

- 2.47

senyawa organik

Tabel . 1 Potensial reduksi senyawa organik Sumber: Buchori 2003 Pengaturan potensial juga amat penting dilakukan terutama bila reaksi melibatkan molekul bergugus fungsi banyak (kompleks polyfunctional molecule). Sebagai contoh reaksi reduksi kromida aromatik pada kondisi katon dan alkil klorida tidak aktif dan alpha-kromoketon yang lebih mudah tereduksi dari pada arilkromida. Reaksi reduksi selektif ini dapat diramalkan berjalan sesuai dengan arah yang diinginkan melalui pengaturan potensial. Pengaturan potensial juga berguna untuk suatu reaksi transformasi pembuatan suatu senyawa organik yang melibatkan iodikal, karbanion ataupun korbonium, yang secara kimia biasa tidak dapat dilakukan ternyata dapat dilaksanakan secara elektrokimia. Dari berbagai penelitian yang telah dilakukan diketahui bahwa sebenarnya dasar dari terjadinya reaksi elektrosintesis adalah :

1. Pemutusan

ikatan

tunggal

Beberapa jenis ikatan tunggal yang elektroaktif antara lain : alkil halida, ikatan karbon-oksigen, ikatan karbon-nitrogen, ikatan karbon-belerang, ikatan karbon-fosfor dan ikatan oksigen-oksigen. 2. Reduksi

Ikatan

rangkap

(rangkap

dua

dan

rangkap

tiga)

Beberapa kelompok ikatan rangkap yang elektroaktif, antara lain gugusan karbonil (aldehida, keton, karboksilat dan turunannya), ikatan ganda karbon nitrogen (Irium, turunan karbonil lainnya), gugus nitro (senyawa nitro aromatik, nitro alifatik), ikatan rangkap lainnya (senyawa azo dan nitrozo, diazo dan diazinum). Aplikasi Metode Elektrosintesis Dari beberapa contoh hasil penelitian yang penulis peroleh, metode elektrosintesis telah banyak dimanfaatkan oleh para peneliti dalam mensintesis senyawa organik (elektrosintesis organik) dan elektrosintesis bahan konduktor organik serta yang tak kalah bergengsinya dan sedang dikembangkan saat ini adalah pemanfaatan polutan menjadi senyawa yang bermanfaat melalui metode elektrosintesis. Aplikasi di luar yang penulis ketahui sebagaimana tersebut di atas mungkin telah sangat jauh berkembang karena memang sifat ilmu pengetahuan yang dinamis dan selalu berkembang seiring waktu. Untuk sintesis bahan organik, didasarkan pada reaksi penggabungan, substitusi, siklisasi dan reaksi eliminasi yang diikuti pengaturan kembali secara elektrokimia. Ini berbeda dengan metode secara konvensional yang memakai

dasar reduksi aldehid, oksidasi alkohol, reduksi senyawa nitro dan oksidasi senyawa sulfur. Kesulitan yang timbul selama elektrosintesis organik yakni apabila zat antara yang diinginkan memiliki kestabilan yang rendah, cara mengatasinya adalah dengan menyediakan zat perangkap (trapping agent) di dalam larutan dengan syarat zat perangkap ini tidak bereaksi dengan zat elektroaktif dan tidak mengalami elektrolisis. Berikut adalah contoh gambar rangkaian sel elektrolisis dengan menggunakan dua buah elektroda untuk sintesis senyawa organik:

Gambar 7. Rangkaian Sel Elektrolisis Beberapa contoh dari elektrosintesis organik adalah pembuatan chiral drug untuk industri farmasi (Weinberg, 1997), sintesis p-aminofenol melalui reduksi nitrobenzena secara elektrolisis (Suwarso., et al, 2003), pembuatan soda (NaOH) dan asam sulfat (H2SO4) dari Na2SO4 melalui proses splitting electrochemistry (Genders., et al, 1995), reduksi senyawa Triphenylbiomoethylene menjadi Triphenilethylene dan Triphenylethane (Miller, 1968) serta ratusan senyawa

organik lainnya yang telah berhasil dibuat untuk keperluan bahan baku obat (Buchari, 2003). Untuk skala perusahaan/pabrik telah dilakukan oleh Perusahan Monsanto (Kanada) dengan memproduksi adiponitril (bahan dasar nylon 6,6) dan produksi fluorokarbon oleh Perusahaan Philips (Belanda). Sedangkan metode elektrosintesis bahan konduktor organik telah dilakukan oleh para peneliti di Pusat Penelitian dan Pengembangan Bahan (P3IB) Batan Indonesia yakni polipirol dan polialanin, pembuatan lapisan tipis superkonduktor YBCO-123 dan Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O serta pengkajian pembuatan prekursor superkonduktor YBCO-123.Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, Ti-Sr-Ca-Cu-O dan lain-lain yang didasarkan pada elektrodeposisi unsur-unsur penyusun superkonduktor tersebut. Penanggulangan masalah polutan dalam arti pemisahan polutan dari lingkungan mungkin telah sering kita dengar, tetapi metode atau aspek lain pemanfaatan polutan menjadi senyawa yang bermanfaat mungkin hal baru bagi sebagian orang (terutama non kimia). Untuk tujuan ini, elektrosintesis merupakan metode yang paling banyak mendapat perhatian dan sedang giat dikembangkan oleh para ahli lingkungan dewasa ini. Polutan yang paling banyak diteliti dalam perspektif elektrosintesis adalah karbondioksida. Karbon dioksida mendapat perhatian khusus karena polutan ini merupakan gas buangan paling banyak yang ditemukan dan dampaknya yang sudah dikenal secara luas terhadap atmosfir bumi, terutama terjadinya efek rumah kaca. Penelitian untuk pemanfaatan karbondioksida yang sedang dilakukan dewasa ini adalah pengubahan polutan ini menjadi metana, yang telah dikenal luas sebagai bahan bakar ramah lingkungan.

Meskipun baru dalam tahap pengembangan, hasil percobaan oleh Kaneco., et al (2002) telah menunjukkan tingkat konversi karbon dioksida menjadi metana hingga sekitar 45%. Di samping metana, hasil lain dari elektrosintesis dengan bahan baku karbondioksida yang telah diidentifikasi adalah asetilena dan metanol, yang juga mempunyai nilai ekonomis yang tinggi. Meskipun jumlah polutan yang diteliti masih terbatas, hasil yang dicapai dengan elektrosintesis ini mempunyai makna lain, yakni tidak tertutup kemungkinan bahwa polutan lain baik yang terdapat dalam limbah cair, padat dan gas untuk dapat dimanfaatkan menjadi senyawa yang bermanfaat dengan penggunaan metode yang sama. Hasil-hasil penelitian tentang aplikasi teknik/metode elektrosintesis seperti disajikan dalam tulisan ini hanya sebagian kecil dari penelitian yang telah dilakukan di berbagai negara termasuk Indonesia. Cakupan aplikasi yang sangat luas merupakan keuntungan yang membuat elektrosintesis oleh para peneliti dianggap sebagai salah satu teknologi masa depan bagi sintesis organik dan penanggulangan permasalahan lingkungan yang berkaitan dengan polutan. Dalam konteks ini yang dimaksud dengan para peneliti, tidak hanya dosen ataupun peneliti di institusi penelitian yang telah memiliki gelar S.Si, MSc, Dr, Ph.D ataupun Profesor tetapi juga para mahasiswa yang belum bergelar yang tertarik menjadikan elektrosintesis sebagai bahan skripsi ataupun studi riset biasa semisal untuk bahan karya tulis.

DAFTAR PUSTAKA

Anonim, (2011), Accu, http://id.wikipedia.org, Accessed : 6 Januari 2011. Anonim, (2011), Prinsip Kerja Aki, http://id.ismailkarim86.wodpress.com, Accessed : 6 Januari 2011. Anonim, (2011), Cara Kerja Accessed : 6 Januari 2011.

Aki,

http://tangomotor.110mb.com/artikel,

Anonim, (2011), Elektolisis, http://id.wikipedia.org, Accessed : 6 Januari 2011. Anonim, (2011), Macam-Macam Elektrolisis, http://id.wikipedia.org, Accessed : 6 Januari 2011.