SEL ELEKTROKIMIA (Pengertian, jenis, dan tetapan)

SEL ELEKTROKIMIA

Elektrokimia merupakan ilmu yang mempelajari hubungan antara perubahan (reaksi) kimia dengan kerja listrik, biasanya melibatkan sel elektrokimia yang menerapkan prinsip reaksi redoks dalam aplikasinya.
(Atkins, 1996).

Reaksi elektrokimia melibatkan perpindahan elektron – elektron bebas dari suatu logam kepada komponen di dalam larutan. Kesetimbangan reaksi elektrokimia penting dalam sel galvani (yang menghasilkan arus listrik) dan sel elektrolisis (yang menggunakan arus listrik). Pengukuran daya gerak listrik (DGL) suatu sel elektrokimia dalam jangkauan suhu tertentu dapat digunakan untuk menentukan nilai – nilai termodinamika reaksi yang berlangsung serta koefisien aktifitas dari elektrolit yang terlibat.(Oxtoby, 2001)

1. Elektroda dan Potensial Elektroda Standar (E^o)

Pembahasan sel elektrokimia dimulai dengan menggambarkan elektroda yang menyusun sel elektrokimia. Elektroda tersusun dari elektroda itu sendiri dan bahan kimia (reagents) yang terlibat. Sel elektrokimia umumnya tersusun atas dua elektroda. Setiap elektroda disebut sebagai setengah sel (half cell). Reaksi yang terjadi pada tiap elektroda disebut reaksi setengah sel atau reaksi elektroda. Berdasarkan jenisnya, elektroda dapat digolongkan menjadi : (Mulyati, 2003).

1.       1. Elektroda logam – ion logam

Yaitu elektroda yang berisi logam yang berada dalam kesetimbangan dengan larutan ionnya, contohnya elektroda Cu | Cu²⁺

2.      2. Elektroda redoks

Yaitu elektroda yang melibatkan reaksi reduksi – oksidasi di dalamnya, contohnya elektroda Pt | Fe³⁺, Fe²⁺.

3.      3. Elektroda logam – garam tak larut

Elektroda ini berisi logam M yang berada dalam kesetimbangan dengan garam sangat sedikit larutnya M_υ+X_υ- dan larutan yang jenuh dengan M_υ+X_υ- serta mengandung garam atau asam terlarut dengan anion X^z-. Contoh : elektroda Ag – AgCl yang terdiri dari logam Ag, padatan AgCl, dan larutan yang mengandung ion Cl^- dari KCl atau HCl.

4.      4. Elektroda gas

Yaitu elektroda yang berisi gas yang berda dalam kesetimbangan dengan ion – ion dalam larutan, misalnya elektroda Pt | H_2(g) | H⁺_(aq).

5.      5. Elektroda non logam non gas

Yaitu elektroda yang berisi unsur selain logam dan gas, misalnya elektroda brom (Pt | Br_2(l) | Br^-_(aq)) dan yodium (Pt | I_2(s) | I^-_(aq)).

Untuk menggerakkan muatan dari satu titik ke titik lain diperlukan beda potensial listrik antara kedua muatan. Beda potensial diukur antara dua elektroda yaitu elektroda pengukur dan elektroda pembanding. Sebagai elektroda pembanding umumnya digunakan elektroda hidrogen (H⁺ | H₂ ) atau elektroda kalomel (Cl^- | Hg₂Cl_2(s) | Hg). Beda potensial inilah yang dinyatakan sebagai daya gerak listrik (DGL). Untuk menghitung DGL sel, digunakan potensial elektroda standar (E^o) yang nilainya dapat dilihat pada tabel 1.1

Tabel 1.1 Potensial elektroda standar pada 298^oK

Pada tabel terlihat bahwa elektroda hidrogen merupakan batas pembanding dengan nilai potensial 0,00 V. Bila elektroda pengukur mempunyai nilai lebih besar dari elektroda hidrogen (bernilai positif), maka elektroda tersebut mempunyai kecenderungan untuk tereduksi (bersifat oksidator). Sedangkan bila elektroda pengukur mempunyai nilai lebih kecil dari elektroda hidrogen (bernilai negatif), maka elektroda tersebut mempunyai kecenderungan untuk teroksidasi (bersifat reduktor). Karena reaksi setengah sel pada elektroda ditulis dalam bentuk reduksi, maka nilai potensial elektroda standar juga dapat disebut potensial reduksi standar. (Chang, 2005)

2. Sel Elektrokimia

Sel elektrokimia terdiri atas : (Sukardjo, 1997)
- Dua elektroda atau konduktor logam yang kontak dengan elektrolit
- Elektrolit atau konduktor ionik (larutan atau cairan)

Elektroda dan elektrolit membentuk kompartemen elektroda. Kedua elektroda dapat menggunakan kompartemen yang sama. Jika elektrolit berbeda, kedua kompartemen dapat dihubungkan melalui jembatan garam (merupakan tabung berbentuk Uyang mengandung larutan elektrolit pekat misalnya kalium klorida dalam jeli agar) yang melengkapi rangkaian listrik dan memungkinkan sel untuk berfungsi.(Sukardjo, 1997).

Sel elektrokimia ada dua macam yaitu:
1. Sel Galvani (Sel Volta)

2. Sel Elektrolisis

           

2.1 Sel Galvani (Sel Volta)

            Sel Galvani adalah  sel yang menghasilkan arus listrik. Pada sel galvani, anoda berfungsi sebagai elektroda bermuatan negatif dan katoda bermuatan positif. Arus listrik mengalir dari katoda menuju anoda .Reaksi kimia yang terjadi pada sel galvani berlangsung secara spontan. (Chan, 2005).

 

Gambar 2.1.1 Sel Galvani Pada elektroda Zn │ Zn²⁺ ║ Cu²⁺ │ Cu

ElektronmengalirdarilogamZn (anode) menujuCu melaluikawatpenghubung, danZn mengalamioksidasimenjadiion Zn2+.

Zn _(s) →Zn²⁺ _(aq) + 2e-

Elektron yang dilepaskanmengalirmelaluirangkaiankawatmenujukatode(logamCu). Ion Cu2+akanmengambilelektrondarilogamtembaga, sehinggaterjadireduksiion Cu2+menjadiendapantembaga.

Cu²⁺ _(aq) + 2e-  →Cu_(s)

Akibatnyalama kelamaanlogamZn larut, sedangkan katode (logamCu) semakin tebal karena terbentuknya endapan tembaga, dan menghasilkan aliran elektron (listrik).

Susunan unsur-unsur logam berdasarkan potensial elektrode standarnya disebut deret elektrokimia atau deret volta. Berikut urutan deret volta:

Li  K  Ba  Ca  Na  Mg    Al   Mn   Zn   Fe   Ni   Sn   Pb   H   Cu   Hg   Ag   Pt   Au

semakin ke kiri kedudukan suatu logam dalam deret volta menandakan, logam semakin reaktif (semakin mudah melepas elektron) dan logam merupakan reduktor yang semakin kuat (mudah mengalami oksidasi atau reduktor). Sebaliknya, semakin kanan kedudukan logam dalam deret volta menandakan, logam semakin kurang reaktif (semakin sukar melepas elektron) dan kationnya merupakan oksidator yang semakin kuat (mudah mengalami reduksi atau oksidator).(Oxtoby, 2001).

 

2.2 Sel Elektrolisis

Sel elektrolisis adalah sel yang menggunakan arus listrik. Pada sel elektrolisis, reaksi kimia tidak terjadi secara spontan tetapi melalui perbedaan potensial yang dipicu dari luar sistem. Anoda berfungsi sebagai elektroda bermuatan positif dan katoda bermuatan negatif, sehingga arus listrik mengalir dari anoda ke katoda. Sel elektrolisis banyak digunakan untuk produksi alumunium atau pemurnian tembaga.(Mulyati, 2003).

Gambar 2.2.1 Sel Galvani dan Sel Elektrolisis

Untuk menyatakan sel elektrokimia, digunakan notasi sel sebagai berikut

                                    Zn │ Zn²⁺ ║ Cu²⁺ │ Cu

                                    Zn │ Zn²⁺ ┇┇ Cu²⁺ │ Cu

Sisi kiri notasi sel biasanya menyatakan reaksi oksidasi, sedangkan sisi kanan notasi sel biasanya menyatakan reaksi reduksi. Garis tunggal pada notasi sel menyatakan perbedaan fasa, sedangkan garis ganda menyatakan perbedaan elektroda. Garis putus – putus menyatakan adanya jembatan garam pada sel elektrokimia. Jembatan garam adalah larutan kalium klorida atau amonium nitrat pekat. Jembatan garam diperlukan bila larutan pada anoda dan katoda dapat saling bereaksi.(Mulyati, 2003).

3. Penentuan DGL Standar Sel (E^o_sel)

Nilai E^o_sel ditentukan dengan rumus

                                    E^o_sel  =  E^o_reduksi – E^o_oksidasi   ....................................       (3.1)

E^o_reduksi adalah nilai potensial elektroda standar pada elektroda yang mengalami reduksi dan E^o_oksidasi adalah nilai potensial elektroda standar dari elektroda yang mengalami oksidasi (Oxtoby, 2001).

4.Penentuan DGL Sel (E_sel) dan Perubahan Energi Bebas Gibbs (ΔG)

Beda potensial antara elektroda kanan (reduksi) dan elektroda kiri (oksidasi) ditentukan dengan perhitungan DGL sel (E_sel). Secara umum (Oxtoby, 2001)

                ΔG = -n F Ecell  dan   ΔG° = - n F Eocell   ....... ............................  (4.1)

Bila nilai DGL sel positif, maka ΔG negatif dan reaksi berlangsung secara spontan. Sedangkan bila DGL sel negatif, ΔG positif dan reaksi berlangsung tidak spontan. Menurut kesetimbangan kimia (Oxtoby, 2001)

                                 ∆G = ∆G^o + RT ln Q   ......................................................... (4.2)

Bila perubahan energi Gibbs dinyatakan sebagai potensial kimia, maka persamaan 4.2 dapat ditulis menjadi (Oxtoby, 2001)

                        ................................................... (4.3)

Jika nilai μ_i disubstitusi dengan persamaan 4.2, maka (Oxtoby, 2001)

                   ............................................ (4.4)

                           .........................................................(4.5)

Hubungan antara E_sel dan E^o_sel ini disebut persamaan Nernst, dimana K adalah tetapan kesetimbangan yang nilainya sama dengan perbandingan aktifitas spesi teroksidasi terhadap spesi tereduksi (Oxtoby, 2001)

                                      ........................................................ (4.6)

Pada kesetimbangan, nilai E_sel adalah nol sehingga (Oxtoby, 2001)

                                                  .......................................... (4.7)

                                                   ................................................ (4.8)

Dengan menggunakan persamaan 4.8 nilai K pada kesetimbangan dapat ditentukan.(Oxtoby, 2001)

Daftar Pustaka :

Atkins, P.W . 1994. Kimia Fisika Jilid 1. Jakarta : Erlangga

Chang, Raymond. 2005. Kimia Dasar Konsep-Konsep Inti Edisi Ketiga Jilid 2. Jakarta: Erlangga.

Mulyati, Sri dan Hendrawan. 2003. Kimia Fisika I. IMSTEP JICA.

Oxtoby, D.W. 2001. Kimia Modern. Jakarta : Erlangga.

             Sukardjo. 1997. Kimia Fisika. Yogyakarta : Erlangga.

Oleh : Muhammad Riza Wachid. A (15630042)