Elektrokimia: sel, baterai & elektrolisis

Sederhana · Fase A–C · SD kelas 1–6 (IPAS)

Baterai di senter, jam, dan ponsel menyimpan energi dalam bentuk zat kimia. Saat dipakai, zat-zat di dalamnya bereaksi dan menghasilkan listrik.

Kamu bisa membuat "baterai buah": tusukkan paku berlapis seng dan kawat tembaga ke dalam jeruk nipis, lalu hubungkan dengan kabel ke lampu LED kecil (beberapa buah disambung berderet). Air jeruk yang asam membantu kedua logam bereaksi sehingga listrik mengalir.

Kebalikannya, listrik juga bisa dipakai untuk menjalankan reaksi kimia. Perhiasan dan keran yang berkilau sering dilapisi logam tipis dengan cara ini (penyepuhan). Baterai bekas jangan dibuang sembarangan karena berisi logam yang dapat mencemari tanah dan air.

Standar · Fase D · SMP kelas 7–9 (IPA)

Reaksi redoks adalah perpindahan elektron: zat yang melepas elektron mengalami oksidasi, zat yang menerima elektron mengalami reduksi. Bila kedua setengah reaksi dipisahkan dan elektronnya dialirkan lewat kawat, terbentuklah sel listrik.

• Sel volta (sel galvani) mengubah energi kimia menjadi listrik dari reaksi yang berlangsung sendiri. Pada sel Daniell, seng teroksidasi dan ion tembaga tereduksi: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu.
• Sel elektrolisis memakai listrik untuk menjalankan reaksi yang tidak berlangsung sendiri, misalnya menguraikan air menjadi hidrogen dan oksigen, penyepuhan, dan pemurnian logam.

Di kedua jenis sel, oksidasi terjadi di anode dan reduksi di katode.

Baterai sekali pakai (baterai kering, alkalin) tidak dapat diisi ulang; baterai isi ulang (aki timbal–asam, litium-ion) dapat dipulihkan dengan arus listrik. Korosi besi juga reaksi elektrokimia; besi dilindungi dengan cat, pelapisan seng (galvanis), atau timah (kaleng).

Lanjutan · Fase E–F · SMA kelas 10–12 (Kimia)

Susunan sel volta: dua elektrode dalam larutan ionnya, dihubungkan kawat dan jembatan garam yang menjaga kenetralan muatan. Notasi sel: Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu (anode di kiri). Pada sel volta anode bermuatan negatif dan katode positif; pada sel elektrolisis sebaliknya.

Potensial reduksi standar (E°, disebut juga potensial elektrode standar; 1 M, 1 bar, 25 °C) diukur terhadap elektrode hidrogen standar (0 V). Makin positif E°, makin mudah spesies tereduksi: Ag⁺/Ag +0,80 V, Cu²⁺/Cu +0,34 V, 2H⁺/H₂ 0,00 V, Zn²⁺/Zn −0,76 V.

E°sel = E°katode − E°anode; reaksi spontan bila E°sel > 0. Sel Daniell: +0,34 − (−0,76) = +1,10 V. Cobalah di lab Sel volta.

Elektrolisis: hasilnya bergantung pada lelehan atau larutan. Lelehan NaCl menghasilkan logam Na dan Cl₂; larutan NaCl pekat menghasilkan H₂, Cl₂, dan NaOH (proses klor-alkali) karena air lebih mudah direduksi daripada Na⁺. Hukum Faraday: muatan Q = I·t; mol elektron = Q/F dengan tetapan Faraday F = 96 485 C/mol. Massa logam yang mengendap = (Ar × I × t)/(n × F).

Baterai: sel kering seng–karbon dan alkalin sekitar 1,5 V; aki timbal–asam sekitar 2 V per sel (6 sel = 12 V); litium-ion dengan katode LiCoO₂ atau LiFePO₄ dan anode grafit; sel bahan bakar hidrogen mengubah H₂ + ½O₂ menjadi air dan listrik.

Korosi adalah sel volta kecil: besi teroksidasi di daerah anodik, oksigen tereduksi di daerah katodik (perkaratan). Perlindungan katodik memakai anode korban (Mg atau Zn) pada kapal dan pipa.

Mendalam · Perguruan tinggi · Kimia dasar dan lanjut

Potensial sel bergantung pada konsentrasi menurut persamaan Nernst: E = E° − (RT/nF) ln Q, atau E = E° − (0,0592/n) log Q pada 25 °C. Sel konsentrasi (elektrode sama, konsentrasi berbeda) menghasilkan tegangan kecil; prinsip yang sama mendasari elektrode kaca pH (sekitar 59 mV per satuan pH pada 25 °C) dan elektrode selektif ion.

Termodinamika sel: ΔG = −nFE dan ΔG° = −nFE° = −RT ln K. E°sel +1,10 V untuk sel Daniell (n = 2) memberi K sekitar 10³⁷: reaksinya praktis sempurna. Diagram Pourbaix (E terhadap pH) memetakan daerah kekebalan, korosi, dan pasivasi logam.

Kinetika elektrode: arus nyata memerlukan overpotensial di atas potensial kesetimbangan; hubungan arus–overpotensial digambarkan persamaan Butler–Volmer dan pendekatan Tafel. Inilah alasan elektrolisis air di industri memerlukan tegangan lebih besar dari 1,23 V dan katalis elektrode (Pt, Ni, IrO₂).

Material baterai modern dinilai dari tegangan sel, kapasitas spesifik (mAh/g), rapat energi (Wh/kg), dan umur siklus. Pada baterai litium-ion terjadi interkalasi Li⁺ ke dalam grafit (LiC₆) dan lapisan antarmuka elektrolit padat (SEI) yang menentukan umur. Katode kaya nikel (NMC) memakai nikel, sumber daya strategis Indonesia; pengolahan dan daur ulangnya adalah bidang riset elektrokimia dan kimia hijau.