APLIKASI PROSES ELEKTROKIMIA (Updated) Elektrokimia adalah cabang ilmu kimia yang mempelajari konversi energi kimia dan listrik melalui reaksi reduksi-oksidasi (redoks). Energi listrik dihasilkan dari reaksi kimia spontan. Proses elektrokimia yang terjadi pada level molekuler mendasari perkembangan teknologi khususnya pada teknologi penyimpanan energi, sel surya, dan fuel dan fuel cell . 1.
SEBAGAI
PENYIMPAN
ENERGI
Salah satu contoh proses elektrokimia sebagai penyimpan energi dapat dijumpai pada baterai. Baterai merupakan sel elektrokimia (sel Galvani/sel Volta) yang bisa menghasilkan listrik melalui reaksi redoks spontan dengan memaksa elektron bergerak melewati rangkaian eksternal berupa kawat. Terdapat dua jenis baterai yaitu, primary primary cell dan secondary dan secondary cell . Primary Primary cell merupakan cell merupakan baterai yang tidak dapat diisi ulang j ika energi listriknya sudah habis, sedangkan secondary sedangkan secondary cell bisa diisi ulang jika energi listriknya sudah habis. Pada pengisian baterai (charge), charge), energi listrik diubah menjadi energi kimia, pada saat pemakaian (discharge), discharge), energi kimia yang tersimpan diubah menjadi energi listrik. Reaksi anoda tembaga menjadi ion Cu2+ menghasilkan warna biru pada larutan Sebelum membahas lebih jauh mengenai sistem penyimpanan energi, ada baiknya kita mengulas kembali mengenai Sel Galvani, yang memungkinkan proses penyimpanan energi melalui proses elektrokimia. Sel Galvani
Perhatikan persamaan reaksi redoks diatas antara tembaga (Cu) dan Perak (Ag) diatas. Dari gambar dapat kita lihat bahwa tembaga mengalami oksidasi (kehilangan elektron) menjadi ion tembaga, dan ion perak tereduksi menjadi perak (menangkap elektron). Reaksi diatas dapat dituliskan dalam bentuk persamaan setengah reaksi menjadi
Dari gambar diatas dapat dilihat (pada gelas beaker sebelah kiri) bahwa lempeng tembaga dicelupkan kedalam larutan Cu(NO3)2. Sementara itu, di dalam gelas beker di sebelah kiri , terdapat lempengan perak yang dicelupkan ke dalam larutan AgNO3. Kawat digunakan untuk menghubungkan kedua elektroda melalui suatu rangkaian eksternal, menyediakan jalur bagi aliran elektron. Konduktor ionik yang menghubungkan kedua elektroda ini disebut jembatan garam (terbuat dari larutan ionik seperti NaNO3). Tampak bahwa tembaga teroksidasi mejadi ion Cu2+ (diketahui dari warna biru pada larutan di dalam gelas beaker sebelah kiri) dan ion perak te reduksi menjad i perak. Ammeter digunakan untuk mengukur kuat arus yang melewati rangkaian eksternal. Pada kasus sel galvani ini, arus elektron mengalir dari tembaga menuju perak. Para ahli elektrokimia telah mendefinisikan istilah bagi kedua elektroda pada sel galvani. Anoda adalah elektroda dimana reaksi oksidasi terjadi (pelepasan elektron), sedangkan katoda adalah elektroda dimana reaksi reduksi terjadi (penangkapan elektron). Istilah ini diperkenalkan pertama kali oleh Michae l Faraday, ahli kimia-fisika berkeb angsaan Inggris.
Perlu diingat bahwa terdapat 4 mekanisme ya ng membedakan antara reaksi oksidasi dan reduksi. Keempat mekanisme tersebut terangkum pada tabel di bawah
Skematik sel galvani Pada gambar diatas, tampak bahwa elektron mengalir dari elektroda tembaga menuju elektroda perak melalui rangkaian eksternal dan kuat arus listrik diukur menggunakan ammeter. Anion (ion-ion negatif) bergerak menuju elektroda tembaga, sedangkan kation bergerak menuju elektroda perak melalui jembatan garam. Selain menyediakan jalur bagi pergerakan ion, fungsi jembatan garam ini yaitu untuk menjaga l arutan tetap netral (t idak bermuatan listrik). Sel Kering Seng-Karbon Primary cell yang paling sering digunakan be rupa sel kering seng-karbon (Leclanche Cell ). Leclanche cell merupakan baterai komersial generasi pertama yang biasanya digunakan pada j am dinding, senter, d an alat elektronik lainnya. Pada sel kering in i, ele ktrolitnya beru pa bubuk lembab yang mengandung ammonium klorida (NH4Cl), dan seng klorida (ZnCl).
Penampang baterai kering ditinjukkan pada gambar di atas. Kulit luarnya berupa seng (Zn) yang bertindak sebagai anoda. Katodanya merupakan terminal positif baterai yang tersusun atas karbon (grafit) batangan yang dikelilingi oleh pasta dari bubuk grafit, amonium klorida, seng klorida dan MnO2. Pada anoda seng, reaksi oksidasi yang terjadi memenuhi persamaan berikut:
Elektrolit yang terdiri dari campuran garam ammonium klorida dan seng klorida bertindak sebagai jembatan garam pada sel galvani yang memungkinkan terjadinya pertukaran ion antara anoda dan katoda untuk menjaga agar muatan listrik tetap netral saat elektron mengalir melalui rangkaian eksternal. Mangan oksida sebagai penerima elektron akan direduksi menjadi Mn2O3 oleh H2 yang dihasilkan dari reduksi ion ammonium berdasarkan reaksi berikut yang terjadi di katoda:
Campuran antara bubuk grafit dan bubuk MnO2 mampu meningkatkan luar permukaan efektif
katoda sehingga mengurangi resistansi internal sel. Reaksi sel secara keseluruhan dapat dituliskan sebagai:
Baterai Nikel Kadmium (NiCad)
Potensial yang dihasilkan sebesar 1,5 volt dan arus listrik yang mengalir akan berkurang jika dipakai. Selain itu kondisi dingin juga mempengaruhi performa baterai. Kelemahan dari sel Leclanche ini adalah kon sentrasi proton (ion NH4+) yang tersedia akan berkurang seiring waktu sehingga tegangan bate rai akan menurun ketika digunakan. Sela in itu, katoda seng juga dapat terkorosi selama reaksi oksidasi terjadi dan juga mudah terjadi kebocoran pada elektrolit. Untuk mengatasi masalah ini, maka dikembangkanlah sel kering alkaline yang menggunakan kalium hidroksida sebagai elektrolitnya. Reaksi selnya secara keseluruhan adalah sebagai berikut:
Selain yang telah disebutkan diatas, terdapat satu lagi jenis primary cell yaitu sel seng-raksa oksida. Sel ini biasanya dikemas dalam bentuk yang kecil dan simpel dan biasanya digunakan pada jam tangan dan kalkulator. Anodanya berupa campuran raksa dan seng, sedangkan katodanya terbuat dari baja yang bersentuhan dengan raksa (II) oksida padat (HgO). Elektrolitnya merupakanl larutan kalium hidroksida (KOH) 45%. Reaksi selnya secara keseluruhan adalah sebagai berikut:
Baterai ini merupakan baterai sel kering yang menggunakan nikel oksida sebagai elektode positif (katoda), senya wa kadmium sebagai elektro de negatif (anoda), dan larutan KOH sebagai elektrolit. Nikel kadmium, merupakan baterai isi ulang pertama dan yang paling murah sehingga banyak dipakai di mainan anak-anak dan berbagai gadget . Reaksi yang berlangsung saat pemakaian baterai yaitu sebagai berikut:
Beda potensial yang dihasilkan sebesar 1,2 V. Keunggulan baterai NiCad yaitu ringan, lebih awet, dan hambatan internal yang kecil. Pengisian ulang dayanya relatif cepat, tetapi memiliki efek memori. Jika dayanya belum habis saat melakukan isi ulang, akan terbentuk kristal-kristal besar yang membatasi d aya yang disedia kan di kali be rikutnya. Selain itu kendati tidak d ipakai, baterai akan kehabisan seluruh dayanya setelah sekitar 90 hari.
Accumulator atau Lead-Aci d B attery alias Aki
Baterai kering seng-raksa yang digunakan pada jam tangan dan kalkulator
memiliki ruang lingkup yang sangat luas, misalnya lingkungan laut, lingkungan bawah tanah, lingkungan suhu tinggi, lingkungan mekanik dan lain sebagainya. Korosi dapat terjadi pada besi dan material dari logam lainnya. Air dan oksigen merupakan penyebab utama yang dapat menyebabkan besi terkorosi membentuk karat besi Fe ( 2O3.xH 2O), persamaan reaksinya adalah sebagai berikut:
Sel volta komersial jenis lain yang dapat diisi ulang adalah sel timbal (Pb) atau dikenal denganaccumulator (aki), terdiri atas timbal oksida (PbO2) sebagai katoda dan logam timbal (Pb) sebagai anoda. Kedua elektrode ini dicelupkan dalam larutan H2SO4. Reaksi yang terjadi pada aki selama dipakai (discharge) adalah sebagai berikut: Persamaan reaksi total:
Potensial sel yang dihasilkan dari reaksi tersebut yaitu sebesar 2 V. Untuk mmeperoleh potensial sel sebesar 6 volt, diperlukan 3 buah sel yang d isusun seri. Jika aki telah dipakai , aki dapat diisi ulang, reaksi dalam sel merupakan kebalikan dari reaksi pemakaian. Reaksinya adalah sebagai berikut:
Salah satu cara untuk mencegah korosi pada besi yaitu dengan metode proteksi katodik (pengorbanan anoda). Prinsipnya yaitu, besi dilapisi dengan logam lain yang lebih reaktif (lebih mudah teroksidasi). Dengan metode ini, logam-logam yang lebih reaktif ini yang akan mengalami oksidasi, sehingga logam besi terhindar dari peristiwa oksidasi yang menyebabkan korosi. Oleh karena logam pelindung atau dengan kata lain “mengorbankan diri” untuk melindungi besi, maka harus dilakukan penggantian secara berkala agar besi tetap bisa terlindungi dari proses korosi. Sebagai contoh, perbandingan potensial reduksi antara besi dan magnesium yaitu:
Jika kedua elektrode telah terlapisi oleh endapan PbSO4 yang terbentuk sebagai hasil reaksi di dalam sel aki, aliran elektron akan terhenti karena terhalang oleh endapan itu. Dikatakan aki telah habis sehingga harus diisi ulang (disetrum). Selain itu, selama proses isi ulang, sejumlah air dalam aki teruarai menjadi H2 dan O2, akibatnya aki kekurangan air. oleh karena itu, aki yang sering dipakai dan diisi ulang, cairan elektrolitnya harus diganti dengan yang baru ****** 2. PERLINDUNGAN KOROSI Korosi merupakan proses kerusakan material karena pengaruh lingkungan. Korosi dapat mengurangi daya guna material logam. Lingkungan yang dapat menimbulkan proses korosi
Data diatas menunjukkan bahwa potensial reduksi Mg2+ lebih negatif dibandingkan potensial reduksi Fe2+ , berarti Mg2+ lebih sulit untuk direduksi ketimbang Fe2+, atau dengan kata lain, magnesium lebih mudah teroksidasi dibangkan besi. Pada metode pengorbanan anoda, magnesium dilapiskan pada besi melalui proses elektrolisis. Metode ini biasanya digunakan
untuk
melindungi
badan
kapal,
jembatan,
dan
pipa-pipa
air
dari
proses
korosi.
Metode lain yang bisa digunakan untuk mencegah korosi pada besi, hampir sama dengan metode pengorbanan anoda di atas, namun pada metode ini, besi dilapisi logam inert, yaitu logam-logam yang kurang reaktif dibandingkan besi (memiliki potensial reduksi lebih besar) seperti timah dan tembaga. Pelapisan secara sempurna logam inert pada permukaan besi dapat mencegah kontak antara besi dengan agen penyebab korosi (air, oksigen, asam, gas). Akan tetapi, jika terjadi cacat pada pelapisannya, akan terjadi percepatan korosi.
Referensi: Oxtoby, D. W., Gillis, H.P., Campion, A. 2010. Principles of Modern Chemistry Seventh Edition. California: Brooks/Cole USA
