ELEKTROKIMIA DAN KONSEP AKUMULATOR

Elektrokimia

Elektrokimia adalah ilmu yang mempelajari hubungan antara perubahan (reaksi) kimia dengan kerja listrik, yang melibatkan sel elektrokimia dengan menerapkan prinsip reaksi reduksi dalam aplikasinya. Dalam kehidupan sehari-hari penggunaannya sangat banyak, mulai dari pemanfaatan baterei untuk menghidupkan hampir semua peralatan  elektronik sampai dengan pelapisan logam pada permukaan logam lain.

Ada 2 jenis sel elektro kimia, yaitu:

1. Sel yang melakukan kerja dengan melepaskan energi dari reaksi spontan, 
2. Sel yang melakukan kerja dengan menyerap energi dari sumber listrik untuk menggerakkan reaksi non spontan. 

Sel elektrokimia, baik yang melepas atau menyerap energi listrik selalu melalui proses perpindahan elektron-elektron dari satu senyawa ke senyawa yang lain dalam suatu reaksi oksidasi reduksi. Oksidasi adalah proses hilangnya elektron, sedangkan reduksi proses diperolehnya elektron.  Zat pengoksidasi adalah kelompok zat yang melakukan oksidasi, mengambil elektron dari zat yang teroksidasi. Zat pereduksi adalah kelompok yang melakukan reduksi memberikan elektron kepada zat yang tereduksi. 

Setelah reaksi zat teroksidasi memiliki bilangan oksidasi yang lebih tinggi dan zat tereduksi memiliki bilangan oksidasi yang lebih rendah. Sel volta memanfaatkan reaksi spontan (∆G<0) untuk membangkitkan energi listrik. Selisih energi reaktan (tinggi) dengan produk (rendah) diubah menjadi energi listrik. Sel Elektrolisa memanfaatkan energi listrik untuk melakukan reaksi non spontan  (∆G > 0) lingkungan melakukan kerja terhadap sistem. 

Kedua tipe sel tersebut menggunakan elektroda, yaitu zat yang dapat menghantarkan listrik antara sel dan lingkungan serta dicelupkan dalam elektrolit (campuran ion) yang terlibat dalam reaksi atau yang membawa muatan. 

Elektroda

Elektroda dibagi menjadi dua jenis, yaitu anoda dan katoda. Setengah dari reaksi oksidasi terjadi pada anoda. Elektron diberikan oleh senyawa teroksidasi (zat pereduksi) dan meninggalkan sel melalui anoda. Setengah reaksi reduksi terjadi di katoda, elektron diambil oleh senyawa tereduksi (zat pengoksidasi) dan masuk sel melalui katoda.

Gambar 1

Reaksi Sel Volta dan Sel Elektrolisa

1) Sel volta dan sel elektrolisa

Reaksi sel volta dan sel elektrolisa ditunjukkan pada Gambar     1 dan Gambar 2. Pada prinsipnya, semua jenis sel elektrolisa termasuk elektro sintesa selalu berlaku hukum Faraday, yaitu: 

• Jumlah perubahan kimia yang terjadi dalam sel elektrolisis, sebanding dengan muatan listrik yang dilewatkan dalam sel tersebut. 
• Jumlah muatan listrik sebanyak 96.500 coulomb akan menyebabkan perubahan suatu sejumlah sebanyak 1,0 gram ekivalen (grek). 

Konstruksi dan prinsip kerja Sel Volta

• Setengah sel oksidasi, anoda berupa batang logam Zn dicelupkan dalam ZnSO4.
• Setengah sel reduksi, katoda berupa batang logam Cu dicelupkan dalam CuSO4. 
• Terbentuk muatan relatif pada kedua elektroda, anoda bermuatan negatip dan katoda bermuatan positip,
• Kedua sel juga dihubungkan oleh jembatan garam, yaitu tabung berbentuk U terbalik berisi pasta elektrolit yang tidak bereaksi dengan sel redoksi yang digunakan untuk menyeimbangkan muatan ion (kation dan anion),
• Dimungkinkan menggunakan elektroda inaktif yang tidak ikut bereaksi dalam sel volta, misalnya grafit dan platinum.

Gambar 2. Reaksi Sel Volta

Notasi Sel Volta

• Sel Volta dinotasikan dengan cara yang telah disepakati (untuk sel Zn/Cu2+) Zn(s)| Zn2+(aq)║Cu2+(aq)|Cu(s),
• Bagian anoda (setengah sel oksidasi), dituliskan disebelah kiri bagian katoda. 
• Garis lurus menunjukkan batas phasa, yaitu adanya phasa yang berbeda (aqueous vs solid) jika phasanya sama maka digunakan tanda koma. 
• Untuk elektroda yang tidak bereaksi ditulis dalam notasi diujung kiri dan ujung kanan.

2) Sel volta dengan elektroda inaktif

Reaksi sel volta dengan elektroda inaktif ditunjukkan pada     Gambar 3.

Gambar 3 Reaksi Sel Volta dengan Elektroda Inaktif

Konsep Akumulator dan Penerapannya

a. Perubahan kimia pada saat  pelepasan muatan listrik

Aki atau Accu menghasilkan aliran listrik jika dihubungkan dengan rangkaian luar, misalnya, lampu, radio dan lain-lain. Aliran listrik terjadi karena terjadinya reaksi kimia pada asam sulfat dengan kedua material (bahan) aktif plat positip dan plat negatip. 

Pada waktu terjadi pelepasan muatan listrik terus menerus, elektrolit akan bertambah encer dan reaksi kimia terus berlangsung sampai seluruh bahan aktif pada permukaan plat positip dan negatip berubah menjadi timbal sulfat. Jika aki tidak dapat menghasilkan aliran listrik pada tegangan tertentu, maka aki tersebut dalam keadaan lemah arus atau rusak. 

b. Perubahan kimia pada saat pengisian muatan listrik

Pada proses pengisian muatan listrik kembali, terjadi proses reaksi kimia yang berlawanan dengan reaksi kimia pada saat pelepasan muatan. Timbal peroksida terbentuk pada plat positip dan timbal berpori terbentuk pada plat negatip, sedangkan berat jenis elektrolit  akan naik, karena air digunakan untuk membentuk asam sulfat dan aki kembali dalam kondisi bermuatan penuh. 

Pada waktu terjadi pelepasan muatan listrik pada aki maka terjadi penurunan berat jenis accu zuur. Berat jenis accu zuur akan turun sebanding dengan suhu sehingga jumlah energi listrik yang ada dapat ditentukan dengan cara mengukur berat jenis accu zuur. 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 accu masih mempunyai energi listrik sebesar 70%. 

Berat jenis accu zuur juga dapat berubah karena temperaturnya, jadi pembacaan berat jenis pada skala hidrometer kurang tepat sebelum dilakukan koreksi suhu. 

Volume aki zuur bertambah jika dipanaskan dan turun jika didinginkan atau dingin tetapi beratnya tetap. Jika volume bertambah dan beratnya tetap maka berat jenis akan turun. Berat jenis turun sebesar 0.0007 untuk kenaikan tiap derajat celcius dalam suhu batas normal accu. 

Standar berat jenis untuk suhu 20°C menurut perjanjian adalah:

    Perubahan temperatur:

        S20 = St + 0.0007 (t - 20)

        S = Berat Jenis pada temp. 20°C

        St = Berat jenis terukur

        T = Temperatur accu zuur

Contoh:

    Misalnya accu  zuur dengan kondisi sebagai berikut: 

    Berat jenis (terukur ) = 1.250 

    Temperatur= 33°C

    Maka berat jenis pada 20°C adalah:

    S20    = 1.250 + 0.0007 (33 - 20) 

             = 1.250 + 0.0091 

             = 1.2591