Home / Kimia / sel volta

Sel Volta

  • 12 min read

Penulis : Allyssa Mahasiswi, FMIPA Jurusan Kimia Universitas Indonesia

Ditinjau oleh Yoga Romdoni

Pengertian dan susunan sel volta

Sel volta atau sel galvanik merupakan peralatan percobaan untuk menghasilkan listrik dengan memanfaatkan reaksi redoks spontan yang diambil dari nama ilmuwan Italia Luigi Galvani dan Alessandro Volta. Komponen-komponen yang ada dalam sel volta yaitu:

  • Anoda ialah elektroda tempat terjadinya reaksi oksidasi (kutub negatif).
  • Katoda ialah elektroda tempat terjadinya reaksi reduksi (kutub positif).
  • Elektrolit merupakan zat yang dapat menghantarkan listrik.
  • Jembatan garam adalah medium penghantar agar kation dan anion dapat bergerak dari satu kompartemen elektroda ke kompartemen elektroda lainnya. Biasanya berisi larutan elektrolit inert.
  • Kawat penghantar untuk mengalirkan elektron secara konstan

Gambar sel galvanik :

sel galvanik
sel galvanik

 

Sel bekerja berdasarkan asas bahwa oksidasi Zn menjadi Zn2+ dan reduksi Cu2+ menjadi Cu dapat dibuat berlangsung serentak dalam lokasi-lokasi terpisah dimana transfer elektron antara lokasi-lokasi tersebut terjadi melalui ssebuah kawat eksternal. Batang Zn dan Cu disebut elektroda dimana batang Zn bertindak sebagai anoda dan batang Cu bertindak sebagai katoda.

Untuk reaksi-reaksi setengah sel pada masing-masing elektroda adalah:

Katoda : Cu2+(aq) + 2e → Cu(s)

Anoda : Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e

Perhatikan bahwa kecuali kedua larutan dipisahkan satu sama lain, ion Cu2+ akan bereaksi langsung dengan batang Zn:

Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)

dan tidak akan ada kerja listrik berguna yang diperoleh.

Untuk melengkapi rangkaian tersebut, kedua larutan harus dihubungkan oleh suatu medium penghantar agar kation dan anion dapat bergerak dari satu kompartemen elektroda ke kompartemen elektroda lainnya.

Persyaratan ini terpenuhi oleh jembatan garam, yang berbentuk tabung U terbalik dan biasanya berisi larutan inert seperti NaNO3, KCl atau NH4NO3, yang ion-ionnya tidak akan bereaksi dengan ion lain dalam larutan atau dengan elektroda. Selama reaksi redoks berjalan, elektron mengalir keluar dari anoda (elektroda Zn) melalui kawat dan volmeter menuju katoda (elektroda Cu).

Tanpa jembatan garam yang menghubungkan kedua larutan, akan terjadi penumpukkan muatan positif dalam kompartemen anoda (karena pembentukan ion Zn2+) dan muatan negatif dalam kompartemen katoda (karena sebagian ion Cu2+ tereduksi menjadi Cu). Oleh karena itu, kation-kation (ion Cu2+, Zn2+, dan Na+) akan bergerak ke dalam katoda, sementara anion-anion (ion SO42- dan NO3-) akan bergerak ke dalam anoda.

Notasi Sel

Notasi konvensional untuk menyatakan sel galvanik ialah diagram sel. Untuk sel daniell yang ditunjukkan pada gambar, jika kita sumsikan bahwa konsentras ion Cu2+ dan Zn2+ masing-masing 1 M, maka diagram selnya:

Zn(s) | Zn2+(1 M) || Cu2+(1 M) | Cu(s)

Garis tegak tunggal menyatakan batas fasa. Sebagai contoh elektroda seng adalah padatan dan ion Zn2+ (dari ZnSO4) ada dalam larutan. Jadi, kita gambar garis antara Zn dan Zn2+ untuk menunjukkan batas fasa. Garis tegak ganda menyatakan jembatan garam.

Berdasarkan konvensi, anoda ditulis terlebih dahulu, di sebelah kiri garis ganda dan komponen lain muncul secara berurutan seiring bergeraknya kita dari anoda ke katoda.

Potensial Reduksi Standar (E⁰)

E⁰ adalah potensial reduksi standar, atau voltase sel yang berkaitan dengan reaksi reduksi pada satu elektroda ketika semua zat terlarut 1 M dan semua gas pada 1 atm. Potensial reduksi standar dari elektroda hidrogen ditetapkan sebagai nol. Kita dapat mengukur potensial dari jenis-jenis elektroda lain dengan menggunakan potensial reduksi standar hidrogen yang bisa kita lihat dari tabel potensial reduksi standar.

Berdasarkan konvensi, emf standar dari sel, E⁰sel,yang terdiri atas kontribusi dari anoda dan katoda dinyatakan sebagai:

E⁰sel = E⁰katoda – E⁰anoda

Pada kondisi keadaan standar untuk reaktan dan produk, reaksi redoks akan spontan ke kanan jika E⁰sel bertanda positif. Jika negatif, reaksi akan spontan ke arah sebaliknya. Perlu diingat bahwa E⁰sel negatif tidak berarti reaksi tidak terjadi jika reaktan dicampur pada konsentrasi 1 M. Artinya adalah kesetimbangan reaksi redoks, ketika tercapai, akan terletak di sebelah kiri.

standard reduction
standard reduction

Dalam tabel tersebut, kekuatan sebagai zat pengoksidasi meningkat seiring dengan bertambah besarnya nilai potensial reduksi standar sedangkan kekuatan sebagai zat pereduksi meningkat seiring dengan berkurangnya nilai potensial reduksi standar

Baterai

Baterai adalah sel galvanik, atau beberapa sel galvanik yang disatukan, yang dapat digunakan sebagai sumber arus listrik searah pada voltase tetap. Baterai memiliki keunggulan karena sifatnya yang berdiri sendiri dan tidak memerlukan komponen tambahan seperti jembatan garam.

Baterai sel kering

Baterai sel kering
Baterai sel kering

Sel kering atau sel Leclanche yaitu sel tanpa komponen cairan yang biasanya digunakan di lampu senter dan radio transistor. Anoda selnya terbuat dari sebuah wadah seng yang bersentuhan dengan mangan dioksida dan sebuah elektrolit (berbentuk pasta). Sementara itu katodanya merupakan sebatang karbon yang direndam di dalam elektrolit ini pada bagian tengah dari sel. Voltase yang dihasilkan oleh sel kering sekitar 1,5 V.

Katoda (+) :   2NH4+(aq) + 2MnO2(s) + 2 e Mn2O3(s) + 2NH3(aq) + H2O(l) 

Anoda (-)   :   Zn(s)    Zn2+(aq) + 2e-

Reaksi Sel:  2NH4+(aq) + 2MnO2(s) + Zn(s) Mn2O3(s) + 2NH3(aq) + H2O(l) + Zn2+(aq) 

Baterai Merkuri

Baterai merkuri banyak digunakan dalam dunia pengobatan dan industri elektronik. Ditempatkan di dalam sebuah silinder baja antikarat, baterai merkuri terdiri atas anoda seng yang bersentuhan dengan elektrolit alkali kuat yang mengandung seng oksida dan merkuri(II) oksida. Reaksi redoks yang terjadi :

Anode        : Zn + 2OH –  →  ZnO + H2O + 2e

Katode       : HgO + H2O + 2e → Hg + 2OH           

Reaksi selnya : Zn + HgO → ZnO + Hg

Baterai merkuri memberikan voltase lebih konstan (1,35 V) daripada sel kering. Baterai merkuri juga memiliki kapasitas jauh lebih tinggi dan awet.

Baterai Lithium keadaan-padat

Baterai Lithium keadaan-padat
Baterai Lithium keadaan-padat

Baterai keadaan-padat ini menggunakan padatan bukannya menggunakan larutan berair atau pasta dalam air. Litium digunakan sebagai anoda karena memiliki nilai E⁰sel yang paling negatif. Elektrolitnya adalah suatu bahan polimer yang akan melewatkan ion tetapi menahan elektron. Katodanya terbuat dari TiS2 atau V6O13. Voltase yang dihasilkan mencapai 3 V dan dapat diisi ulang seperti pada aki.

Baterai Bertimbal (Aki)

Baterai Bertimbal
Baterai Bertimbal

Baterai bertimbal (aki) yang umum digunakan di mobil terdiri atas enam sel identik yang tersusun secara seri. Setiap sel mempunyai anoda timbal dan katoda yang terbuat dari timbal oksida (PbO2) yang dikemas pada sebuah pelat logam. Baik katoda maupun anoda dicelupkan dalam larutan asam sulfat yang berfungsi sebagai elektrolit. Pada kondisi kerja normal, setiap sel menghasilkan 2 V, jadi total adalah 12 V. Reaksi yang terjadi:

Anoda : Pb + SO42-                              →  PbSO4 + 2e
Katoda : PbO2 + SO42- + 4H+  + 2e    →  PbSO4 + 2H2O
Reaksi total    : Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO42-     →  2PbSO4  + 2H2O

Aki dapat diisi ulang (rechargeable). Pengisian ulang baterai berarti membalik reaksi elektrokimia normal dengan menerapkan voltase eksternal pada katoda dan anoda (proses elektrolisis).

PbSO4 + 2H2O    →  PbO2  + 4H+  + SO42- + 2e
PbSO4 + 2e–           →  Pb + SO42-
Reaksi total   : 2PbSO4  + 2H2O →   Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO42-   

Reaksi keseluruhannya sepenuhnya berlawanan dengan reaksi sel normal.

Deret Volta

Urutan unsur-unsur logam pada tabel potensial elektroda standar sebelumnya dapat disebut sebagai deret volta. Deret ini memberikan informasi reaktivitas dan sifat daya reduksi atau oksidasi logam.

unsur-unsur logam pada tabel potensial elektroda
  • Nilai Potensial Standar : Semakin ke kanan deret volta maka nilai potensial standarnya semakin besar atau semakin positif.
  • Reaktivitas Logam : Semakin ke kiri reaktivitas logam akan meningkat. Hal ini disebabkan karena logam pada deret volta sebelah kiri mudah untuk melepaskan elektron. Logam sebelah kanan deret volta semakin tidak reaktif karena sulit untuk melepaskan elektron.
  • Sifat Oksidasi dan Reduksi : Dari kiri ke kanan, sifat reduktor (daya reduksi) logam semakin berkurang dan sifat oksidator (daya oksidasi) logam semakin bertambah. Dari kiri ke kanan, logam cenderung untuk teroksidasi semakin berkurang dan tereduksi semakin bertambah.

Hubungan Potensial Sel dengan Energi Gibbs

Perubahan energi bebas (ΔG) merupakan ukuran dari jumlah maksimum kerja atau usaha yang dapat dilakukan selama proses kimia (ΔG = wmax). Hubungan antara potensial sel elektrokimia dan ΔG akan mempengaruhi kespontanan reaksi. Hubungan ini dirumuskan dengan persamaan berikut

1

Dalam sel volta, dimana reaksi redoks spontan (ditandai dengan nilai positif E°cell) akan mendorong sel untuk menghasilkan potensial listrik sehingga nilai perubahan energi bebas Gibbs (ΔG°) harus negatif. Ketika kedua reaktan dan produk berada dalam keadaan standarnya, hubungan antara ΔG° dan E°cell adalah sebagai berikut:

2

Keterangan:

ΔG° = Perubahan energi bebas standar (Joule)

ΔG = Perubahan energi bebas non-standar (Joule)

cell = Potensial elektroda standar (Volt)

Ecell = Potensial elektroda non-standar (Volt)

n = jumlah mol elektron (mol)

F = konstanta Faraday (96.500 C)

Sehingga didapatkan kesimpulan bahwa:

  • Jika ΔG°< 0 dan E°> 0, maka prosesnya spontan (sel volta)
  • Jika ΔG°> 0 dan E°<0, maka prosesnya adalah non-spontan (tegangan harus diberikan, seperti dalam sel elektrolisis)

Hubungan Potensial Sel dan Konstanta Kesetimbangan

Kita bisa menggunakan hubungan antara ΔG° dan konstanta kesetimbangan K, untuk mendapatkan hubungan antara E°cell dan K. Reaksi umum dalam kesetimbangan adalah

aA + bB → cC + dD

Hubungan perubahan energi bebas standar dan konstanta kesetimbangan terkait dengan persamaan berikut:

3

Dengan mensubstitusikan ΔG° = −nFE°cell , maka didapatkan:

4

Jika K < 0 dan E°> 0, maka prosesnya spontan (sel volta) dan kesetimbangan sangat menyukai pembentukan produk (reaksi secara efektif ireversibel terhadap pembentukan produk).

5

Potensial Elektroda Non-Standar

Dalam elektrokimia, potensial elektroda standar, disingkat E°, adalah ukuran potensial suatu elektroda reversibel pada keadaan standar dimana zat terlarut pada konsentrasi efektif 1 M, tekanan gas 1 atm serta pada suhu 25°C (298 K). Apabila kondisinya tidak standar, maka dibutuhkan metode lain untuk menentukan besarnya potensial elektroda. Persamaan Nernst memungkinkan penentuan potensi sel dalam kondisi non-standar.

6

Contoh soal Latihan

1. Sebuah sel galvanik terdiri atas elektroda Mg dalam larutan Mg(NO3)2 1 M dan elektroda AgNO3 1 M. Hitunglah E⁰sel dari sel elektrokimia ini pada 25⁰C.

Diketahui :

nilai potensial reduksi standar Ag+ adalah 0,80 V dan nilai potensial reduksi standar Mg2+ adalah -2,37 V (dari tabel).

Jawab :

Anoda (oksidasi) : Mg(s) Mg2+ (aq) + 2e-

Katoda (reduksi) : 2Ag+(aq) + 2e- 2Ag(s)

Reaksi total : Mg(s) + 2Ag+(aq) Mg2+ (aq) + 2Ag(s)

E⁰sel = E⁰katoda – E⁰anoda

= 0,80 V – (-2,37 V)

= 3,17 V

2. Tuliskan reaksi elektroda dan reaksi pada sel volta berikut :

Mn(s) | Mn2+(1 M) || Cu2+(1 M) | Cu(s)

Jawab :

Anoda : Mn Mn2+ + 2e-

Katoda : Cu2+ + 2e- Cu

Reaksi total : Mn + Cu2+ Mn2+ + Cu

3. Diketahui potensial reduksi standar beberapa logam berikut ini.

Mg2+ + 2e → Mg E0 = -2,35 V

Cu2+ +  2e → Cu E0 = +0,32 V

Ag+ +  e → Ag E0 = +0,79 V

Zn2+ + 2e → Zn E0 = -0,78 V

Fe2+ + 2e → Fe E0 = -0,48 V

Manakah dari sel berikut yang merupakan sel volta?

a) Mg|Mg2+||Cu2+|Cu

b) Fe|Fe2+||Cu2+|Cu

c) Ag|Ag+|| Cu2+|Cu

d) Fe|Fe2+||Zn2+ |Zn

e) Mg|Mg2+||Fe2+|Fe

Jawab :

Syarat sel volta yaitu dapat berlangsung spontan yaitu ditandai dengan potensial sel yang positif. Dengan melihat rumus berikut

Esel = E0 katoda – E0 anoda

Maka potensial sel positif didapat apabila Eanoda < Ekatoda, tanpa perlu dihitung. Notasi sel sebelah kiri merupakan anoda sedangkan sebelah kanan merupakankatoda. Misal untuk soal (a)

Mg|Mg2+ adalah anoda, E= -2,35 V

Cu2+|Cu adalah katoda E= +0,32 V

Karena Eanoda (Mg) < dari E0 katoda (Cu) maka sel Mg|Mg2+||Cu2+|Cu merupakan sel volta (berlangsung spontan)

Cara cepatnya dengan melihat apakah setengah sel kiri lebih memiliki E0  lebih kecil.daripada setengah sel kanan.

Dengan begitu, maka yang merupakan sel volta adalah (a), (b), dan (e).

4. Dalam dua sel volta berikut terjadi variasi:

L2+(aq) + LO2+(aq) + 2H+(aq) → 2L3+(aq) + H2O(l) E° = 0,616V

L3+(aq) + Ag+(aq) + H2O → LO2+(aq) + 2H+ + Ag(s) E° = 0.439V

Jika diketahui pada tabel potensial reduksi standar bahwa:

Ag+(aq) + e → + Ag(s) E° = 0.800V

Tentukan nilai E° untuk setengah reaksi:

L3+(aq) + e → L2+(aq)

Jawab:

6

5. Tentukan E° untuk reaksi setengah sel HAsO2(aq) + 3H+(aq) + 3e→ As(s) + 2H2O(l) jika diketahui ΔG° = -3,0 x 102 kJ mol-1 dan reaksi setengah sel lainnya memiliki nilai E° = -0,276 V.

Reaksi total: 2HAsO2(aq) + 3H3PO3(aq) → 2As(s) + 3H3PO4(aq) + H2O(l)

Jawab:

Untuk menentukan nilai E° persamaan HAsO2(aq) + 3H+(aq) + 3e→ As(s) + 2H2O(l) maka terlebih dahulu membuat reaksi di katoda maupun di anoda agar mengetahui berapa mol elektron yang terlibat dalam reaksi keseluruhan.

Karena mol elektron yang terlibat adalah 6 mol, sehingga dapat ditentukan nilai E° nya dengan:

ΔG° = – nFE°cell

-3,0 x 105 Jmol-1 = -6 (96.500)(E°cell)

cell = + 0,518 V

cell = E°reduksi – E°oksidasi

0,518 = E°reduksi – (-0,276)

reduksi = 0,242 V

Pertanyaan umum

Apa itu sel volta?

Sel volta merupakan sel elektrokimia yang mana energi kimia dengan memanfaatkan reaksi redoks spontan yang diubah menjadi energi listrik.

Komponen apa saja yang ada di sel volta?

Sel volta memiliki susunan komponen berupa anoda, katoda, elektrolit, jembatan garam, kawat penghantar.

Apa saja jenis baterai?

Baterai sel kering, Baterai Merkuri, Baterai Lithium keadaan-padat, Baterai Bertimbal (Aki).

Daftar Pustaka

  • Buku Raymond Chang jilid 2 edisi 3
  • Buku chemistry the central science edisi 3
  • Boundless.com. Cell Potentials. Lumenlearning https://courses.lumenlearning.com/boundless-chemistry/chapter/cell-potentials/
  • Brown, T.L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C.J., & Woodward, P. M. (2012). Chemistry: The Central Science. (12th Ed). Upper Saddler River, NJ: Pearson Prentice Hall
  • Tro, N. J. (2011). Chemistry: A molecular approach 3rd edition. San Francisco, CA: Pearson Prentice Hall

Baca juga :