Elektrokimia

Ilmu kimia merupakan salah satu cabang ilmu yang berlandaskan eksperimen, sehingga dalam mempelajarai ilmu kimia selain harus memahami konsep-konsep teoritis juga harus memahami prosedur eksperimen. Konsep teori ilmu kimia muncul dari keteraturan fakta eksperimen. Perkembangan teknologi di berbagai bidang sangat pesat. Salah satunya terkait dengan bidang kimia yaitu elektrokimia. Elektrokimia adalah cabang ilmu kimia yang telah banyak memberi sumbangan bagi banyak hal dalam kehidupan manusia, misalnya proses elektrolisis. Elektrolisis merupaka proses yang penting dalam industri, sebab elektrolisis memiliki banyak kegunaan antara lain,  pembentukan unsur-unsur logam yang tidak terdapat bebas di alam, pembuatan gas halogen, pembuatan gas oksigen dan hidrogen, pemurnian logam, dan penyepuhan (Haetami, 2000).

Semua reaksi kimia yang disebabkan oleh energi listrik serta reaksi kimia yang menghasilkan energi listrik dipelajari dalam bidang elektrokimia. Manusia baru mampu menggunakan kelistrikan sejak Luigi Galvani pada tahun 1791 menemukan bahwa paha kodok yang segar dapat bergetar jika dihubungkan dengan dua macam logam bersambung dengan dan sejak Alessandro Volta berhasil membuat baterai pertama dengan menyusun kepingan perak dan kepingan seng serta kartas yang dibasahi larutan asam. Pada tahun 1807 Sir Humphry Davy berhasil memisahkan logam kalium dari senyawanya. Ia mengalirkan listrik melalui leburan kalium hidroksida. Sejak waktu itu prinsip elektrokimia diterapkan dalam berbagai hal. Prinsip penerapan ini berkaitan dengan sel elektrokimia (Achmad, 1992).

Prinsip penerapan ini berkaitan dengan sel elektrokimia. Secara umum sel elektrokimia dibagi menjadi sel galvani atau sel elektrokimia dan sel elektrolisis. Proses yang terjadi pada sel galvani ialah reaksi kimia berubah menjadi energi listrik, sedangkan di dalam sel elektrolisis sebaliknya, dari energi listrik menjadi energi kimia. Pada sel galvani elektroda positif menjadi katoda, dan elektroda negatif sebagai anoda, sedangkan pada sel elektrolisis sebaliknya, yaitu elektroda negatif sebagai katoda, dan elektroda positif sebagai anoda (Mulyono, 2009).

Untuk meneliti fenomena listrik yang terlibat dalam suatu reaksi dan untuk membuat suatu rangkaian  praktis yang berasal dari perubahan energi listrik menjadi suatu reaksi kimia, maka perlu disiapkan sistem terpisah seperti redoks yang keduanya terhubung oleh kondutor listrik (Flaschka, dkk, 1969).

Reaksi elektrokimia seperti reaksi redoks, dapat digunakan untuk mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Sel elektrokimia adalah alat yang digunakan melangsungkan perubahan di atas. Dalam sebuah sel, energi listrik dihasilkan dengan jalan pelepasan elektron pada suatu elektroda (oksidasi) dan penerima elektron pada elektroda lainnya (reduksi). Elektroda yang melepaskan elektron dinamakan anoda sedangkan elektroda yang menerima elektron dinamakan katoda. Jadi sebuah sel selalu terdiri dari dua bagian atau dua elektroda, setengah reaksi oksidasi akan berlangsung pada anoda dan setengah reaksi reduksi akan berlangsung pada katoda. Dengan kata lain pada sel elektrode kimia, kedua setengah reaksi dipisahkan dengan maksud agar aliran listrik (elektron) yang ditimbulkan dapat dipergunakan. Salah satu faktor yang mencirikan sebuah sel adalah gaya gerak listrik (GGL) atau perbedaan potensial listrik antara anoda dan katoda. Satuan GGL adalah volt. Satuan volt dapat didefenisikan sebagai berikut apabila muatan satu coulomb dilalukan pada perbedaan potensial sebesar 1 volt akan dihasilkan energi sebesar 1 joule (Bird, 1993).

            Penentuan daya gerak listrik suatu sel elektrokimia untuk daerah suhu tertentu memungkinkan untuk mendapatkan besaran termodinamika dari reaksi yang berlangsung dalam sel. Sel elektrokimia mempunyai kepentingan praktis karena dapat memberikan cara untuk mengubah perubahan energi Gibbs dari reaksi kimia menjadi kerja tanpa kerugian mesin kalor dari hukum kedua (Farrington dan Daniels, 1983).

            Besaran termodinamika pada sel elektrokimia seperti energi bebas Gbbs (), hanya dapat diukur bila sel bersifat reversible. Sebuah sel akan bersifat reversible bila sel dikenai perbedaan potensial dari luar supaya tidak lagi terjadi reaksi kimia dalam sel. Suatu peningkatan atau penurunan potensial luar yang sangat kecil akan menyebabkan berlangsungnya reaksi dalam sel, tetapi secara keseluruhan masih dapat dianggap berada dalam keadaan reversibel (Bird, 1993).

            Perubahan energi bebas Gibbs untuk reaksi yang berlangsung dalam sel elektrokimia dapat dengan segera dihitung dari daya gerak listrik reversibel. Bila suatu sel dapat diimbangi terhadap daya gerak listrik luar sedemikian rupa sehingga tak ada muatan dari sel yang berlangsung, dan dimisalkan bahwa kuantitas listrik yang sangat kecil dilewatkan pada sel, kerja listrik yang reversibel pada suhu dan tekanan tetap. Kuantitas muatan listrik yang sesuai dengan kuantitas molar dinyatakan dalam persamaan kimia yaitu, zF. z adalah jumlah muatan untuk reaksi sel, dan F ialah tetapan Faraday (96.485 C mol^-1). Jumlah muatan z merupakan bilangan positif yang sama dengan jumlah elektron ynag dipindahkan dalam reaksi sel. Bila reaksi sel berlangsung , maka kuantitas muatan listrik yang mengalir adalah zF. bila kuantitas muatan listrik ini dipindahkan lewat beda potensial E volt, banyaknya kerja yang diperlukan adalah zFE. Karena perubahan listrik ini mencakup kerja, tekanan, volume, dan berlangsung secara isothermal, maka perubahan energi bebas Gibbs dinyatakan sebagai  () = - zFE (Farrington dan Daniels, 1983).

            Menurut Castellan (1983), Untuk setiap reaksi kimia energi Gibbs ditulis:

∆G = ∆G^o + RT ln Q

Dimana Q adalah hasil bagi dari usaha. Dengan menggabung persamaan di atas dengan persamaan ( nFEº_sel = - ∆G), kita akan mendapatkan :

-nFEº_sel = ∆Gº + RT ln Q

Potensial standar dari sel dapat didefinisikan sebagai :

-nFEº_sel = ∆Gº

Dengan memasukkan nilai ∆Gº dan membagi dengan –nF, kita akan memperoleh :

                      RT

E_sel = Eº_sel -          ln Q ;

                      nF

                      2,303 RT

E_sel = Eº_sel -                    log₁₀  Q ;

                           nF

                      0,05916V

E_sel = Eº_sel -                    log₁₀  Q      (pada 25 ºC)

                            n

Persamaan diatas merupakan bentuk lain dari persamaan Nerst untuk sel elktrokimia. Persamaan Nerst berhubungan dengan potensial sel sebagai nilai standar Eº_sel.