sel elektrokimia dan potensiometri

  

SEL ELEKTROKIMIA DAN POTENSIOMETRI

Elektrokimia adalah ilmu yang mempelajari aspek elektronik dari reaksi kimia. Elemen yang digunakan dalam reaksi elektrokimia dikarakterisasikan dengan banyaknya elektron yang dimiliki. Elektrokimia secara umum terbagi dalam dua kelompok, yaitu sel galvanik dan sel elektrolisa.

Sel elektrokimia, juga disebut sel volta atau sel galvani, adalah suatu alat dimana  reaksi kimia terjadi dengan produksi suatu perbedaan potensial listrik antara dua elektroda. Jika kedua elektroda dihubungkan terhadap suatu sirkuit luar dihasilkan aliran arus, yang dapat mengakibatkan terjadinya kerja mekanik sehingga sel elektrokimia mengubah energi kimia ke dalam kerja.

1.      Sel Galvani         

Sel galvani adalah sel elektrokimia yang dapat menghasilkan energi listrik yang disebabkan oleh terjadinya reaksi redoks yang spontan. Contoh sel galvani adalah sel Daniell yang gambarnya dapat dilihat pada gambar 1. Jika kedua elektrodanya dihubungkan dengan sirkuit luar, dihasilkan arus litrik yang dapat dibuktikan dengan meyimpangnya jarum galvanometer  yang dipasang pada rangkaian luar dari sel tersebut.

                             

        Gambar 1. Sel Daniell

Sel Daniell sering pula dimodifikasi seperti yang terlihat pada gambar 2. Kedua setengah sel dihubungkan dengan jembatan garam.

  

 

Gambar 2. Sel Daniell dengan jembatan garam

Ketika sel Daniell digunakan sebagai sumber listrik terjadi perubahan dari Zn menjadi Zn²⁺ yang larut

            Zn(s)         Zn²⁺(aq) + 2e^-             (reaksi oksidasi)

Hal ini dapat diketahui dari semakin berkurangnya massa Zn sebelum dan sesudah reaksi. Di sisi lain, elektroda Cu semakin bertambah massanya karena terjadi pengendapan Cu dari Cu²⁺ dalam larutan.

            Cu²⁺(aq) +  2e^-        Cu(s)            (reaksi reduksi)

Pada sel tersebut elektroda Zn bertindak sebagai anoda dan elektroda Cu sebagai katoda.

Ketika sel Daniell dirangkai, terjadi arus elektron dari elektroda seng  (Zn) ke elektroda tembaga (Cu) pada sirkuat luar. Oleh karena itu, logam seng bertindak sebagai kutub negatif dan logam  tembaga sebagai kutub positif. Bersamaan dengan itu pada larutan dalam sel tersebut terjadi arus positif dari kiri ke kanan sebagai akibat dari mengalirnya sebagian ion Zn²⁺ (karena dalam larutan sebelah kiri terjadi kelebihan ion Zn²⁺ dibandingkan dengan ion SO₄^2-yang ada).

Reaksi total yang terjadi pada sel Daniell adalah :

Zn(s) +  Cu²⁺(aq)        Zn²⁺(aq) + Cu(s)

Reaksi tersebut merupakan reaksi redoks yang spontan yang dapat digunakan untuk memproduksi listrik melalui suatu rangkaian sel elektrokimia.

  Macam-macam sel volta/ sel galvani

1.        Sel Kering atau Sel Leclance

• Sel ini sering dipakai untuk radio, tape, senter, mainan anak-anak, dll.

• Katodanya sebagai terminal positif terdiri atas karbon (dalam bentuk grafit) yang terlindungi oleh pasta karbon, MnO₂ dan NH₄Cl₂

• Anodanya adalah lapisan luar yang terbuat dari seng dan muncul dibagian bawah baterai sebagai terminal negatif.

• Elektrolit : Campuran berupa pasta : MnO₂ + NH₄Cl + sedikit Air

• Reaksi anoda adalah oksidasi dari seng

            Zn(s) → Zn₂+ (aq) + 2e^-

• Reaksi katodanya berlangsung lebih rumit dan suatu campuran hasil akan terbentuk. Salah satu reaksi yang paling penting adalah :

2MnO₂(s) + 2NH₄ + (aq) + 2e^- → Mn₂O₃(s) + 2NH₃(aq) + H₂O

• Amonia yang terjadi pada katoda akan bereaksi dengan Zn₂+ yang dihasilkan pada anoda dan  membentuk ion

Zn(NH₃)₄²⁺.

2.  Sel Aki

• Katoda: PbO₂

• Anoda : Pb

• Elektrolit: Larutan H₂SO₄

• Reaksinya adalah :

PbO₂(s) + 4H⁺(aq) + SO₄^2-(aq) → PbSO₄(s) + 2H₂O (katoda) Pb (s) + SO₄^2-(aq) → PbSO₄(s) + 2e^- (anoda) PbO₂(s) + Pb (s) + 4H⁺(aq) + 2SO₄^2-(aq) → 2PbSO₄(s) + 2H₂O (total)

• Pada saat selnya berfungsi, konsentrasi asam sulfat akan berkurang karena ia terlibat dalam reaksi tersebut.

• Keuntungan dari baterai jenis ini adalah bahwa ia dapat diisi ulang (recharge) dengan memberinya tegangan dari sumber luar melalui proses elektrolisis, dengan reaksi :

2PbSO₄(s)  + 2H₂O → PbO₂(s) + Pb(s) + 4H⁺(aq) + 2SO₄^2-(aq) (total)

• Kerugian dari baterai jenis ini adalah, secara bentuk, ia terlalu berat dan lagi ia mengandung asam sulfat yang dapat saja tercecer ketika dipindah-pindahkan.

3.  Sel Bahan Bakar

• Elektroda : Ni

• Elektrolit : Larutan KOH

• Bahan Bakar : H₂ dan O₂

4.  Baterai Ni – Cd

• Disebut juga baterai ni-cad yang dapat diisi ulang muatannya dan yang umum dipakai pada alat-alat elektronik peka. Potensialnya adalah 1,4 Volt.

• Katoda : NiO₂ dengan sedikit air

• Anoda : Cd

• Reaksinya :

Cd(s) + 2OH^- (aq) → Cd(OH)₂(s) + 2e^-

2e^- + NiO₂(s) + 2H₂O → Ni(OH)₂(s) + 2OH^-(aq)

• Baterai ini lebih mahal dari baterai biasa.

2. Hukum Faraday

Akibat aliran arus listrik searah ke dalam larutan elektrolit akan terjadi perubahan kimia dalam larutan tersebut. 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 = massa zat yang diendapkan (g).

w ~ I.t                                       Q = jumlah arus listrik = muatan listrik (C)

w = e.I.t                                    e = tetapan = (gek : F)

    = gek.I.t                                I = kuat arus listrik (A).

           F                                     t = waktu (dt).

                                                         gek = massa ekivalen zat (gek).

    = Ar.I.t                                 Ar = massa atom relatif.

        n. F                                    n = valensi ion.

                                                  F = bilangan faraday = 96 500 C.

Massa ekivalen = massa zat yang sebanding dengan 1 mol elektron = 6,02 x 1023 ē. 1 gek ~ 1 mol ē.

Jika arus listrik 1 F dialirkan ke dalam larutan AgNO₃ maka akan diendapkan 1 gram ekivalen Ag.

Ag+ (aq) + ē         Ag (s)

1 mol ē ~ 1 mol Ag ~ 1 gram ekivalen Ag

Untuk mendapatkan 1 gram ekivalen Ag diperlukan 1 mol ē

1        gram ekivalen Ag = 1 mol ē = 1 mol Ag = 108 gram Ag

3. Sel Elektrolisis

Elektrolisis berasal dari kata elektro (listrik) dan lisis (penguraian), yang berarti penguraian senyawa oleh arus listrik, dan alatnya disebut sel elektrolisis. Dengan kata lain, sel elektrolisis ini memerlukan energi listrik untuk memompa elektron, dan prosesnya kebalikan dari proses sel Galvani.

Sel elektrolisis adalah sel elektrokimia yang menimbulkan terjadinya reaksi redoks yang tidak spontan dengan adanya energi listrik dari luar. Contohnya adalah elektrolisis lelehan NaCl dengan electrode platina. Contoh lainnya adalah pada sel Daniell jika diterapkan beda potensial listrik dari luar yang besarnya melebihi potensial sel Daniell.

a.      Notasi Sel dan Reaksi Sel 

Notasi sel memberikan informasi yang lengkap dari sel galvani. Informasi tersebut meliputi jenis elektroda, jenis elektrolit yang kontak dengan elektroda tersebut termasuk konsentrasi ion-ionnya, anoda dan katodanya serta pereaksi dan hasil reaksi setiap setengah-sel.

Setengah sel anoda dituliskan terlebih dahulu, diikuti dengan setengah sel katoda. Satu garis vertikal menggambarkan batas fasa. Dua spesi yang ada dalam fasa yang sama dipisahkan dengan tanda koma. Garis vertikal rangkap dua digunakan untuk menyatakan adanya jembatan garam. Untuk larutan, konsentrasinya dinyatakan di dalam tanda kurung setelah penulisan rumus kimianya. Sebagai contoh:

Zn(s)|Zn²⁺(1,00 m) || Cu²⁺(1,00 m) |Cu(s)

Pt|Fe²⁺, Fe³⁺|| H⁺|H₂|Pt

Karena yang dituliskan terlebih dulu (elektroda sebelah kiri) dalam notasi tersebut adalah anoda, maka reaksi yang terjadi pada elektroda sebelah kiri adalah oksidasi dan elektroda yang ditulis berikutnya (elektroda kanan) adalah katoda maka reaksi yang terjadi pada elektroda kanan adalah reaksi reduksi. Untuk sel dengan notasi :

Zn(s)|Zn²⁺(1,00 m) ||Cu²⁺(1,00 m) |Cu(s)  reaksinya adalah:

Zn(s)  -->     Zn²⁺(aq) + 2e^-                                  (reaksi oksidasi)

Cu²⁺(aq) +  2e^{-    -->}       Cu(s)                                (reaksi reduksi)   

      Zn(s) +  Cu²⁺(aq)       Zn²⁺(aq) + Cu(s)         (reaksi keseluruhan)

b.      EMF dan Pengukurannya

Sel seperti Sel Daniell, dapat dibuat reversibel dengan cara mengimbangi potensialnya dengan suatu potensial eksternal sehingga tidak ada aliran arus. Saat potensial listrik benar-benar berimbang, sel tersebut bereaksi reversibel dan potensialnya dirujuk sebagai elektrokimia force (EMF). Hal ini bisa dilakukan dengan menggunakan suatu potensiometer.

4. Potensiometri
Potensiometri adalah suatu cara analisis berdasarkan pengukuran beda potensial sel dari suatu sel elektrokimia. Metode potensiometri digunakan untuk menentukan konsentrasi suatu ion (ion selective electrode), pH suatu larutan, dan menentukan titik akhir titrasi.
Alat-alat yang diperlukan dalam metode potensiometri adalah :
· Elektrode pembanding (refference electrode)
· Elektroda indikator (indicator electrode)

· Alat pengukur potensial

Elektroda Indikator terdiri dari :
1. Elektroda ion logam
2. Elektroda redoks (Inert)
3. Elektroda selaput/ selektif ion
4. Elektroda amalgam
5 Elektroda gas

Proses titrasi potensiometri dapat dilakukan dengan bantuan elektroda indikator dan elektroda pembanding yang sesuai. Dengan demikian, kurva titrasi yang diperoleh dengan menggambarkan grafik potensial terhadap volume pentiter yang ditambahkan, mempunyai kenaikan yang tajam di sekitar titik kesetaraan. Dari grafik itu dapat diperkirakan titik akhir titrasi. Cara potensiometri ini bermanfaat bila tidak ada indikator yang cocok untuk menentukan titik akhir titrasi, misalnya dalam hal larutan keruh atau bila daerah kesetaraan sangat pendek dan tidak cocok untuk penetapan titik akhir titrasi dengan indikator. Titik akhir dalam titrasi potensiometri dapat dideteksi dengan menetapkan volume bila mana terjadi perubahan potensial yang relatif besar ketika ditambahkan titran.


Reaksi-reaksi yang berperan dalam pengukuran titrasi potensiometri yaitu reaksi pembentukan kompleks, reaksi netralisasi, pengendapan, dan reaksi redoks. Pada reaksi pembentukan kompleks dan pengendapan, endapan yang terbentuk akan membebaskan ion terhidrasi dari larutan. Umumnya digunakan elektroda Ag dan Hg, sehingga berbagai logam dapat dititrasi dengan EDTA. Reaksi netralisasi terjadi pada titrasi asam basa dapat diikuti dengan elektroda indikatornya elektroda gelas.