Sel Volta

Sel volta (galvani) adalah sel elektrokimia dimana energi kimia dari reaksi redoks spontan diubah menjadi energi listrik. Prinsip kerja sel volta dalam menghasilkan arus listrik adalah aliran transfer elektron dari reaksi oksidasi di anode ke reaksi reduksi di katoda melalui rangkaian luar. Reaksi redoks yang dapat mengakibatkan terjadinya energi listrik ini ditemukan oleh Luigi Galvani dan Alessandro Guiseppe Volta.

1.      Prinsip Sel Volta

·        Didalam sel volta reaksi kimianya mengandung arus listrik dan terjadi reaksi spontan

·        Terjadi perubahan dari energi kimia menjadi energi listrik

·        Anoda, yaitu elektroda tempat terjadinya reaksi oksidasi

·        Katoda, yaitu elektrode tempat terjadinya reaksi reduksi

·        Elektrolit yaitu zat yang dapat menghantarkan arus listrik

·        Elektron mengalir dari anoda ke katoda

·         Rangkaian luar yaitu kawat konduktor yang menghubungkan anode dengan katode

·        Jembatan garam yaitu rangkaian dalam yang terdiri dari larutan garam. Jembatan garam  memungkinkan adanya aliran ion-ion dari setengah sel anode ke setengah sel katode,  dan sebaliknya sehingga terjadi keseimbangan ion.

·       Voltmeter yaitu alat untuk menentukan besarnya potensial sel.

2.      Notasi Sel

Rangkaian sel volta dapat ditulis dalam bentuk notasi atau diagram sel. Dalam menuliskan diagram sel, anoda dituliskan disebelah kiri dan katoda disebelah kanan yang dipisahkan oleh jembatan garam. Jembatan garam dilambangkan dengan dua garis sejajar. Secara umum, notasi sel dituliskan sebagai berikut:

                                 Anoda │Larutan ││ Larutan │ Katoda

3.      Potensial Elektroda Standar

Potensial elektrode berkaitan dengan reaksi redoks sehingga ada dua jenis potensial elektrode, yaitu potensial elektrode reduksi dan potensial elektrode oksidasi. Potensial oksidasi merupakan nilai yang sama dengan potensial reduksi dengan tanda berlawanan.

E^ooksidasi = - E^o reduksi

Contoh:

Reaksi reduksi :       Zn²⁺     +          2e        à        Zn        E^o = -0,76 Volt

Reaksi oksidasi:       Zn        à        Zn²⁺     +          2e        E^o = +0,76 Volt

4.      Potensial Sel

Perbedaan potensial dari kedua elektrode (Katode dan Anode) disebut beda potensial atau potensial sel standar yang diberi simbol Esel.

Esel =  E^o katode - E^oAnode

Potensial sel dapat digunakan untuk memperkirakan spontan tidaknya suatu reaksi redoks. Reaksi        redoks berlangsung spontan bila KE sel > 0 (positif) dan tidak spontan bila E sel < 0 (Negatif) 

Aplikasi Elektrolisis

Proses elektrolisis banyak digunakan dalam industri logam untuk pemisahan dan pemurnian dari berbagai sumber. Pada umumnya logam-logam diperoleh dari sampel bijih logam yang banyak mengandung pengotor ikutan.

1.      Pemurnian Tembaga

Tembaga banyak digunakan sebagai kabel dan bagian dalam instalasi listrik karena sifatnya yang merupakan konduktor listrik yang sangat baik. Logam tembaga juga digunakan dalam produksi peralatan memasak karena sifatnya yang sangat baik dalam menghantarkan panas, yang merupakan salah satu sifat logam. Namun, kehadiran pengotor yang walaupun hanya sedikit akan sangat berpengaruh baik dalam bentuk kabel yang sangat halus maupun dalam bentuk kabel yang berukuran besar. Logam tembaga ini harus dalam kondisi 99.99% murni untuk dapat berfungsi baik. Untuk memperoleh tingkat kemurnian yang tinggi ini, tembaga yang baru diekstrak dari bijihnya dapat dimurnikan dengan proses elektrolisis.

Logam tembaga yang belum murni digunakan sebagai anoda dan umumnya berukuran 1 meter persegi, dengan ketebalan 35-50 mm dan bobot mencapai 330 kg. sebagai katoda dipakai tembaga yang sangat murni dengan ketebalan 1 mm dan bobot sekitar 5 kg. karena tembaga itu sendiri yang dipakai dalam proses elektrolisis, katoda tembaga dikenal sebagai elektroda ‘aktif’. Sebagai elektrolit dipakai larutan tembaga(II) sulfat (0.3 mol/liter)yang diasamkan dengan larutan asam sulfat 2 mol/liter untuk mendukung proses pengaliran arus listrik (Gambar 1).

Gambar 1 Proses pemurnian tembaga

(Sumber: Earl B, Wilford D. 2014. Cambridge IGCSE Chemistry, third edition.)

           

Saat arus dialirkan, tembaga bergerak dari anoda yang tidak murni menuju ke katoda yang murni. Pengotor-pengotor yang lain terjatuh  ke dasar sel di bawah anoda dalam bentuk seperti zat berlendir. Campuran pengotor ini kaya akan logam-logam berharga dan proses pemurnian logam-logam ini akan sangat menguntungkan secara ekonomi. Proses elektrolisis berlangsung selama tiga minggu sampai volume anoda menurun hingga mencapai sekitar 105 dari ukuran awalnya dan bobot katoda meningkat hingga mencapai antara 100-120 kg. Proses ini menggunakantegangan 0.25V dan kerapatan arus 200 A/m².

Ion-ion yang terdapat dalam larutan adalah:

dari air                                     : H⁺_(aq)              OH^-_(aq)

dari larutan tembaga(II) sulfat    : Cu²⁺_(aq)           SO₄^2-_(aq)

Selama proses berlangsung, anoda yang tidak murni akan kehilangan massanya karena tembaga kehilangan elektron dan menjadi ion tembaga, Cu²⁺_(aq) (Gambar 2).

Cu_(s)→  Cu²⁺_(aq)  +  2e^-

Elektron yang dilepaskan anoda bergerak melalui sirkuit eksternal menuju katoda. Dari situ elektron akan dialirkan menuju ion tembaga, Cu²⁺_(aq), dari larutan tembaga(II) sulfat dan tembaga akan melekat pada permukaan katoda.

  Cu²⁺_(aq)  +  2e^-→  Cu_(s)

Produksi tembaga di dunia saat ini mencapai 16 juta ton per tahun. Namun, sejumlah besar tembaga yang diperlukan disediakan dari proses daur ulang. Proses pengadaan tembaga dengan cara daur ulang ini semakin meningkat karena semakin sulitnya menemukan dan mengekstrak mineral-mineral yang mengandung tembaga, selain itu juga memakan lebih banyak biaya.

2.. Pemisahan Aluminium

Aluminium adalah unsur logam yang paling melimpah di lapisan kerak bumi. Pertama kali ditemukan pada tahun 1825 oleh Hans Christian Oersted di Copenhagen, Denmark, tetapi pertama kali diisolasi oleh Friedrich Wöhler pada tahun 1827. Aluminium menyusun 8% kerak bumi dan ditemukan dalam mineral bauksit, kriolit dan mika, seperti juga dalam tanah lempung.

Pada abad kesembila belas Napoleon III mengadakan sebuah jamuan makan malam yang sangat berharga. Disebutkan bahwa alat yang digunakan terbuat dari logam yang lebih berharga dari emas. Logam tersebut adalah aluminium. Alasan disebut sebagai logam yang berharga adalah karena sangat jarang ditemukan dalam wujud logam murninya. Aluminium merupakan logam yang sangat reaktif dan karenanya sangat sulit untuk diekstrak dari bijihnya. Logam-logam yang reaktif akan berikatan sangat kuat dengan unsur-unsur yang melekat dalam senyawanya, karena itu proses pemurniannya menggunakan elektrolisis.

Saat ini penggunaan aluminium sangatluas. Produksinya di dunia mencapai 19,5 juta ton per tahun. Proses ekstraksi komersial aluminium dan dilakukan pertama kali oleh dua orang ilmuwan, yang dalam penelitiannya tidak saling berhubungan, menemukan metode pemurnian dengan elektrolisis. Kedua ilmuwan tersebut adalah Charles Martin Hall (Amerika Serikat), yang menemukan proses ini di tahun 1886, dan seorang kimiawan Perancis Paul Héroult, yang menemukan prosesnya juga di tahun yang sama. Proses yang mereka kembangkan, sering disebut dengan proses Hall-Héroult, melibatkan elektrolisis aluminium oksida (alumina). Proses ini melibatkan tahap-tahap sebagai berikut: 

a.   Bauksit, bentuk tak murni dari aluminium oksida, mula-mula diberi perlakuan dengan natrium hidroksida untuk menghasilkan aluminium oksida murni, dengan menyingkirkan  beberapa pengotor seperti besi(III) oksida dan pasir. Proses ini meningkatkan daya hantar  listrik lelehan aluminium oksida.1.   Bauksit, bentuk tak murni dari aluminium oksida, mula-mula diberi perlakuan dengan  natrium hidroksida untuk menghasilkan aluminium oksida murni, dengan menyingkirkan  beberapa pengotor seperti besi(III) oksida dan pasir. Proses ini meningkatkan daya hantar  listrik lelehan aluminium oksida.

b. Aluminium oksida yang telah dimurnikan kemudian dilarutkan dalam kriolit cair (Na₃AlF_6­). Kriolit, mineral yang secara alami ditemukan di Greenland, digunakan untuk mengurangi suhu proses dalam sel Hall-Héroult dari 2017^oC (titik leleh aluminium oksida murni) menjadi antara 800 hingga 1000^oC. Karenanya, kriolit membantu penghematan kebutuhan energi dalam proses. Bahkan di tahun-tahun ini produksi kriolit semakin meningkat.

c. Campuran yang berbentuk cair ini kemudian dielektrolisis dalam suatu sel yang bentuknya ditunjukkan pada Gambar 3. Anoda-anoda dalam proses ini merupakan grafit berbentuk balok-balok yang digerakkan menurun menuju cairan campuran aluminium oksida dan kriolit. Yang menjadi katoda adalah batang grafit yang melekat pada wadah baja di dalam sel.

Aluminium oksida merupakan senyawa ionik. Jika dilelehkan, ion-ion di dalamnya akan mudah bergerak, jika diberikan energi panas maka gaya elektrostatik yang kuat di antara ion-ionnya akan terlepas. Selama elektrolisis ion-ion oksida yang bermuatan negatif akan tertarik ke anoda (elektroda positif), dimana ion-ion tersebut akan kehilangan elektron (mengalami oksidasi).

2O­^2-_(l)→  O_2(g)  +  4e^-

Al³⁺_(l)  +  3e^-→  Al_(l)

Ion-ion aluminium yang bermuatan positif akan tertarik menuju katoda (elektroda negatif). Ion-ion ini akan mendapatkan elektron untuk membentuk logam aluminium cair (mengalami reduksi). Secara keseluruhan, reaksi yang berlangsung di dalam sel adalah:

2Al₂O_3(l)→  4Al_(l)  +  3O_2(g)

Aluminium cair terkumpul di dasar sel dan tersedot keluar dengan interval tertentu. Tidak menjadi masalah jika tercampur dengan logam lainnya karena kriolit sendiri tidak akan terpengaruh dengan arus listrik. Masalah akan timbul pada penggunaan anoda grafit. Pada suhu proses, oksigen yang dibebaskan akan bereaksi dengan anoda grafit membentuk karbon dioksida.

C_(s)  +  O_2(g)→  CO_2(g)

Anoda akan terbakar dan harus diganti secara reguler.

3.    Pelapisan Logam (Electroplating)

Elektroplating merupakan proses elektrolisis dengan tujuan melapisi suatu logam dengan logam lain atau bahan plastik dengan logam. Umumnya tujuan pelapisan ini adalah untuk melindungi logam yang terlapisis. Sebagai contoh, keran air biasanya dilapisi dengan kromium utnuk mencegah korosi dan juga memberikan penampilan yang lebih berkilau dan lebih atraktif.

Proses pelapisan logam ini dilakukan dalam sebuah sel seperti yang tampak pada Gambar dibawah ini 

Sel ini sering dikenal dengan sebutan ‘plating bath’, biasanya menyimpan elektrolit yang sesuai, umumnya berupa larutan garam logam. Untuk pelapisan perak elektrolit yang digunakan berupa larutan garam perak. Bahan yang akan dilapisi ditempatkan sebagai katoda dalam sel sehingga ion-ion logam bergerak ke arah katoda ini saat arus dialirkan. Reaksi yang berlangsung pada katoda adalah:

                                          Ag⁺_(aq)  +  e^-→  Ag_(s)