kimia dasar baterai
TRANSCRIPT
19.6 BateraiBaterai adalah sel galvanik , atau beberapa sel galvanik yang disatukan, yang dapat digunakan
sebagai sumber arus listrik searah pada voltase tetap. Meskipun cara bekerja baterai pada
dasarnya sama dengan sel galvanik yang dijelaskan pada Subbab 19.2, baterai memiliki
keunggulan karena sifatnya, yang berdiri sendiri dan tidak memerlukan komponen tamabahan
seperti jembatan garam. Di sini kita akan membahas beberapa jenis baterai yang banyak
digunakan.
Baterai Sel Kering
Sel kering yaitu sel tanpe komponen cairan, yang paling lazim, ialah sel
Leclanche yang digunakan dalam lampu senter dan radio transistor.Anoda
selnya terbuat dari sebuah kaleng atau wadah seng yang bersentuhan
dengan mangan dioksida (MnO2 ) dan sebuah elektrolit. Elektrolit itu terdiri
atas ammonium klorida dan seng klorida dalam air, yang ditambahkan pati
sebagai pengental agar larutan menyerupai pasta sehingga tidak mudah
bocor (Gambar 19.7). Sebatang karbon berfungsi sebagai katoda, yang
direndam di dalam elektrolit ini pada bagian tengah dari sel. Reaksi selnya
ialah
Anoda : Zn(s )→ Zn(aq )2+¿+2e−¿ ¿¿
Katoda : 2NH¿+¿¿ + 2MnO2( s) + 2e−¿→Mn2O3( s)¿ + 2NH3(aq) + H 2O(l)
Keseluruhan : Zn(s )+ 2NH¿+¿¿+ 2MnO2( s) Zn(aq )
2+¿¿ + 2NH3(aq) + H 2O(l) + Mn2O3( s)
Sebenarnya, persamaan ini merupakan bentuk sangat sederhana dari suatu proses yang
rumit.Voltase yang dihasilkan oleh sel kering sekitar 1,5 V.
Baterai Merkuri
Baterai merkuri banyak digunakan dalam dunia pengobatan dan industri elektronik dan lebih
mahal dibandingkan sel kering biasa. Ditempatkan di dalam sebuah silindir baja antikarat,
baterai merkuri terdiri atas anoda sen (diamalgamkan dengan merkuri) yang bersentuhan
dengan elektrolit alkali kuat yang mengandung seng oksida dan merkuri (II) oksida (Gambar
19.8). Reaksi selnya ialah
Anoda : Zn(Hg)+2OH (aq)−¿ →¿ ZnO (s )+H 2O(l )+2e−¿ ¿
Katoda : HgO (s ) + H 2O(l) + 2e−¿→Hg( l )¿ + 2OH (aq)−¿ ¿
Keseluruhan : Zn(Hg)+ HgO (s )→ ZnO (s ) + Hg(l )
Karena tidak ada perubahan komposisi ekektrolit selama
pengoperasian-reaksi sel keseluruhan hanya melibatkan zat padat-
baterai merkuri memberikan voltase lebih konstan (1,35 V) dibandingkan
sel Leclanche. Baterai merkuri juga memiliki kapasitas jauh lebih tinggi
dan lebih awet. Sifat-sifat ini membuat baterai merkuri ideal untuk
digunakan dalam alat pacu jantung, alat bantu dengar, arloji listrik, dan
pengatur cahaya.
Baterai Bertimbal (Aki)
Baterai bertimbal (aki) yang umum digunakan di mobil terdiri atas enam sel identik yang
tersusun secara seri. Setiap sel mempunyai anoda timbale dan katoda yang terbuat dari timbal
oksida (PbO2) yang dikemas pada sebuah pelat logam (Gambar 19.9). Baik katoda maupun
anoda dicelupkan dalam larutan asam sulfat, yang berfungsi sebagai elektrolit. Reaksi selnya
ialah
Anoda : Pb( s)+SO ¿2−¿→¿ PbSO4( s)+2e−¿¿
Katoda : PbO2(s ) + 4 H (aq )+¿ ¿ +SO¿
2−¿+2e−¿→PbSO4(s )¿¿ + 2H 2O( l)
Keseluruhan :Pb( s)+ PbO2(s )+4H (aq)+¿ +2SO¿
2−¿→¿¿ 2 PbSO4(s ) + 2H 2O( l)
Pada kondisi kerja normal, setiap sel menghasilkan 2 V; jadi total 12 V dari keenam sel
digunakan sebagai catu daya untuk menyalakan rangkaian pengapian mobil dan sistem listrik
lainnya. Aki dapat memberi banyak arus dalam waktu singkat, seperti waktu yang dipakai untuk
menyalakan mesin.
Tidak seperti sel Leclanche dan baterai merkuri, aki dapat diisi ulang (rechargeable).
Pengisian ulang baterai berarti membalik reaksi elektrokimia normal dengan menerapkan
voltase eksternal pada katoda dan anoda. (Jenis proses ini dinamakan proses elektrolisis).
Reaksi pengisian material awalnya ialah
PbSO4( s)+2e−¿→ ¿ Pb( s)+SO ¿2−¿¿
PbSO4( s) + 2H 2O( l)→PbO2(s )+4H (aq)+¿ +SO ¿
2−¿+2e−¿¿¿¿
Keseluruhan : 2 PbSO4(s ) + 2H 2O( l)→ Pb( s)+ PbO2(s )+4H (aq)+¿ +2SO¿
2−¿¿¿
Reaksi keseluruhannya sepenuhnya berlawanan dengan reaksi sel normal.
Dua aspek kerja aki perlu mendapat perhatian. Pertama, karena reaksi elektrikimia
menggunakan asam sulfat, seberapa kurang aki dapat diperiksa dengan mengukur kerapatan
elektrolit dengan hidrometer, seperti lazimnya dilakukan di bengkel. Kerapatan cairan dalam aki
yang baik dan penuh harus sama atau lebih besar dari 1,2 g/mL . Kedua, orang di daerah
dingin kadang-kadang sulit menyalakan mobilnya karena akinya “mati.” Perhitungan
termodinamika menunjukkan bahwa emf dari banyak sel elektrokimia menurun dengan
menurunnya suhu. Namun demikian, untuk baterai timbal, koefisien suhunya adalah sekitar 1,5
×10−4V /℃ ; artinya, ada penurunan volume sebesar 1,5 ×10−4 V untuk setiap derajat
penurunan suhu. Jadi, meskipun penurunan suhunya 40 , besarnya penurunan voltase
hanyalah sejumlah 6 ×10−3V , yaitu sekitar
6×10−3V12V
×100 %=0,05 %
dari voltase kerja, satu perubahan yang sangat kecil. Penyebab sebenarnya matinya aki adalah
meningkatnya viskositas elektrolit karena suhu menurun. Agar aki dapat berfungsi baik,elektrolit
harus bisa menghantar sepenuhnya. Namun, ion bergerak jauh lebih lambat dalam medium
yang kental, sehingga resistansi cairan meningkat, mengakibatkan turunnya daya aki. Jika “aki
mati” dihangatkan sampai mendekati suhu kamar pada hari yang dingin, kekuatannya dalam
menghantar daya akan kembali.
Baterai Litium Keadaan-Padat
Tidak seperti baterai yang dibahas sejauh ini, baterai keadaan padat menggunakan padatan
(bukannya berair atau pasta dalam air) sebagai elektrolit yang menghubungkan elektroda.
Gambar 19.10 menunjukkan skema baterai litium keadaan padat. Litium dipilih sebagai anoda
karena litium memiliki nilai E° paling negatif. Selain itu, litium merupakan logam ringan sehingga
hanya diperlukan 6,941 gr Li (massa molarnya) saja untuk menghasilkan 1 moil elektron.
Elektrolitnya adalah suatu bahan polimer yang akan melewatkan ion tetapi menahan elektron.
Katodanya terbuat dari TiS2 atau V 6O13. Voltase sel suatu baterai litium keadaan-padat, dapat
mencapai 3 V, dan dapat diisi ulang seperti pada aki. Meskipun belum terlalu andal dan
umurnya masih pendek, baterai ini dianggap sebagai baterai masa depan.
Sel Bahan Bakar
Minyak fosil merupakan sumber energi utama, tetapi proses pengubahan minyak fosil menjadi
energi listrik sangat tidak efisien. Kita lihat pembakaran metana
CH 4(g)+2O2(g )→CO2(g)+2H 2O(l)+¿ energi
Untuk menghasilkan listrik, kalor yang dihasilkan dari reaks terlebih dahulu digunakan untuk
mengubah air menjadi uap air, yang selanjutnya menggerakkan turbin yang menggerakkan
generator. Cukup banyak energy yang dilepaskan dalam bentuk kalor hilang ke lingkungan
pada setiap tahap; pembangkit tenaga yang paling efisien pun hanya mengubah sekitar 40
persen dari energi kimia asalnya menjadi listrik. Karena reksi pembakaran adalah reaksi redoks,
akan lebih baik melaksanakannya langsung dengan cara-cara elektrokimia, dengan demikian
akan sangat meningkatkan efisiensi produksi daya. Tujuan ini dapat dicapai dengan alat yang
dikenal sebagai sel bahan bakar (fuel cell), yaitu sel galvanik yang memerlukan pasokan
reaktan yang kontinu agar tetap berfungsi.
Dalam bentuknya yang paling sederhana, sel bahan bakar hidrogen-oksigen terdiri atas
larutan elektrolit,seperti larutan kalium hidroksida, dan dua elektroda inert. Gas hidrogen dan
oksigen dihmbuskan melalui kompartemen anoda dan katoda (Gambar 19.11), di mana reaksi-
reaksi berikut terjadi
Anoda : 2H 2(s )+4OH (aq )−¿ →¿ 4 H2O( l)+4 e−¿¿
Katoda : O2(g) + 2H 2O( l) +4 e−¿→4OH (aq )
−¿ ¿ ¿
Keseluruhan : 2H 2(s )+ O2(g)→ 2H 2O( l)
Emf standar dari sel ini dapat dihitung sebagai berikut.
E sel° =Ekatoda
° −Eanoda°
¿ 0,40 V – (−¿0,83 V)
¿ 1,23 V
Jadi, reaksi selnya adalah reaksi spontan pada kondisi keadaan-standar. Perhatikan bahwa
reaksi ini sama seperti reaksi pembakaran hidrogen, tetapi oksidasi dan reduksinya
dilaksanakan terpisah pada anoda dan katoda. Seperti platina pada elektroda hidrogen standar,
elektroda-elektroda di sini mempunyai dua fungsi. Kedua elektroda tersebut berfungsi sebagai
penghantar listrik, dan keduanya menyediakan permukaan yang diperlukan untuk mengawali
penguraian spesi dalam bentuk molekul menjadi bentuk atom, sebelum transfer elektron.
Elektroda-elektroda ini dinamakan elektrokatalis. Logam seperti platina, nikel, dan rodium
merupakan elektrokatalis yang baik.
Selain sistem H 2−O2, sejumlah sel bahan bakar lain telah dikembangkan. Di antaranya ialah
sel propana-oksigen. Reaksi setengah selnya ialah
Anoda : C3H 8(g )+6H 2O(l )→ 3CO2(g )+2OH (aq )+¿ +2Oe−¿¿¿
Katoda : 5O2(g ) + 2OH (aq)+¿ ¿ + 2Oe−¿→¿ 10H 2O( l)
Keseluruhan : C3H 8(g )+ 5O2(g ) → 3CO2(g ) + 4 H2O( l)
Reaksi keseluruhannya sama dengan pembakaran propana dan oksigen.
Tidak seperti baterai, sel bahan bakar tidak menyimpan energy kimia. Reaktan harus
dipasok secara konstan, dan produknya harus dipindahkan secara konstan dari sel bahan
bakar. Dari segi ini, sel bahan bakar lebih menyerupai mesin daripada baterai. Namun, sel
bahan bakar tidak bekerja seperti mesin kalor sehingga tidak terkena kendala
termodinamikayang dialami mesin kalor dalam hal konversi energi.
Sel bahan bakar yang dirancang dengan baik dapat mencapai efisiensi sampai 70 persen,
sekitar dua kali efisiensi mesin bakar internal. Selain itu, generator sel bahan bakar bebas dari
bising, getaran, transfer kalor, pencemaran termal, dan masalah lain yang biasanya terdapat
pada pembangkit tenaga konvensional. Bagaimanapun, sel bahan bakar masih belum
digunakan secara luas. Masalah utama terletak pada kurangnya elektrokatalis yang murah yang
mampu berfungsi efisien dalam kurun waktu yang lama tanpa terkontaminasi. Penerapan yang
paling berhasil dari sel bahan bakar sampai saat ini adalah dalam kendaraan ruang angkasa.