PENGARUH VARIASI ELEKTROLIT JEMBATAN GARAM

PENGARUH VARIASI ELEKTROLIT JEMBATAN
GARAM TERHADAP IMPEDANSI
SEL GALVANIK Cu/Zn
(THE EFFECT OF SALT BRIDGE’S
ELECTROLYTE VARIATION TOWARDS
Cu/Zn GALVANIC CELL IMPEDANCE)
SKRIPSI
Oleh
ARSANDI WIDITYA
NIM 10501064
PROGRAM STUDI KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2007
Abstract
A battery consist of three main parts, namely anode or the negative pole, cathode or the
positive pole and electrolyte. The electrolyte role in a battery is to maintain the electrical
neutrality both side of the electrodes. Electrolyte consists of cation and anion that has
different ionic mobility in solution. A battery has an impedance that caused by battery
components itself including the electrolyte. This impedance called internal impedance. In
this research the effect of KCl, KNO3 and NaCl electrolyte in a simple Cu/Zn galvanic cell
was investigated. The cell impedance analysis performed by Electrochemical Impedance
Spectroscopy (EIS) method and the maximum current density that could be delivered at
cell’s nominal potential performed by Galvano Cyclic Voltammetry method. The result
showed that Cu/Zn galvanic cell with KCl as the electrolyte in the salt bridge has the least
cell impedance value. This data was consistent with the maximum current density
measurement. This information could be used as a basis on electrolyte selection for
improving battery performance.
ii
Abstrak
Sebuah baterai terdiri dari tiga bagian utama yaitu anoda atau kutub negatif, katoda atau
kutub positif dan elektrolit. Elektrolit dalam sebuah baterai berfungsi menjaga keseimbangan
muatan pada kedua sisi elektrodanya. Elektrolit terdiri dari anion-kation yang mempunyai
mobilitas ionik yang berbeda dalam air. Dalam sebuah baterai terdapat hambatan dalam,
yaitu hambatan yang diakibatkan komponen-komponen baterai itu sendiri, termasuk
elektrolit. Dalam penelitian ini dipelajari pengaruh elektrolit KCl, KNO3 dan NaCl serta
pengaruh konsentrasi agar terhadap impedansi suatu sel galvanik Cu/Zn sederhana. Metode
Spektrokopi Impedansi Elektrokimia (SIE) digunakan untuk analisis impedansi dan
Voltametri Siklik Galvano digunakan untuk menentukan rapat arus maksimum yang dapat
dihasilkan baterai pada nilai potensial nominal sel. Hasil pengukuran EIS menunjukkan KCl
mempunyai impedansi paling rendah. Data ini konsisten dengan data penentuan rapat arus
maksimum. Sementara pengaruh variasi konsentrasi agar tidak ditemukan korelasi yang jelas
terhadap impedansi sel. Informasi ini dapat digunakan sebagai dasar pemilihan elektrolit
sehingga diperoleh peningkatan kinerja suatu baterai.
iii
Program Studi Kimia
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Teknologi Bandung
Menerangkan bahwa Skripsi dari :
Nama
: Arsandi Widitya
NIM
: 10501064
Telah disetujui sebagai salah satu persyaratan untuk mendapatkan
gelar Sarjana Kimia
Pada tanggal
2007
_________________________
Achmad Rochliadi, Msi
NIP. 132049630
iv
“See! How clear we make for them our messages. Yet See! How
they are deluded away from the truth”
Holy Qur’an 5 : 75
Untuk Bapa, Mamah dan Teteh
v
Ucapan Terima Kasih
Alhamdulillaahirobbil ‘aalamin, puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah swt. atas
segala nikmat dan karuniaNya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Shalawat
serta salam semoga tercurah kepada Nabi Besar Muhammad saw, beserta keluarga, sahabat,
dan umatnya hingga akhir zaman.
Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan rasa terima kasih kepada orang-orang yang
telah banyak membantu dalam penulisan karya tulis ini. Penulis menghaturkan terima kasih
kepada :
1.
Pak Achmad Rochliadi sebagai pembimbing yang telah memberikan bimbingan bagi
penulis selama penelitian Tugas Akhir dan penulisan Skripsi ini
2.
Pak Bambang Ariwahjoedi atas masukan-masukannya yang sangat berharga bagi
kemajuan penelitian penulis
3.
Kepada Bapa, Mamah dan Teteh, yang telah memberikan kasih sayang, pengertian dan
kesabaran yang tanpa batas bagi penulis
4.
Seluruh staf dosen dan pegawai prodi Kimia atas segala ilmu dan bantuannya selama
kuliah
5.
Pak Wahyo, Pak Yayan, Pak Masykuri, Pak Hadi, Pak Bambang, Pak Ode, Bu Entin,
Mas Ari, Ristny, Titik, Alex, Felicia, Mitha, dan anggota LKFM yang lainnya. Terima
kasih atas bantuan dan segala masukannya
6.
Teman-teman satu bimbingan Anggi, Rizal, Kiki dan Mas Arif
7.
Pa Toto atas penyediaan bahan-bahan penelitiannya, terutama yang tidak mudah
didapat
8.
Ibu Lia Dewi Juliawaty sebagai dosen wali penulis
9.
Ibu Haifa dan Ibu Nenen atas bantuannya selama di LIPI
10. Angki, Ahyat dan Lupi atas segala kebersamaannya.
11. Wahyu, Sana, Roni, Bayu, Faisal, Muchtar, Didi, Sopyan, Jo, Ferdian, Emir, Netty,
Saras, Dwi, Noviani, Dhini, Zahra, Maya, Ruth dan teman-teman 2001 lainnya.
12. Anton, Yonan, Niki, Kang Rus, Berlin, Rahman, Dudi, Roro, Hasanuddin, Kang Ali,
Teh Rima, Teh Nisaa dan teman-teman 2000 lainnya
vi
13. Wahono, Aldi, Jaka, Iman, Amran, Abdul, Sin Chan, Fika, Sundari, Erma dan adikadik angkatan lainnya
14. Rio, Rifqy, Dedi, Delint, Dudung, Anoko, Angga dan teman sekampus lainnya
15. Kang Hasan dan Kang Ridho atas mentoring-mentoringnya
16. Dedi, Yuda, Amka, Ardy atas segala pelajaran yang diberikan
Semoga Allah SWT membalas segala kebaikan dengan berlipat. Amin.
Bandung, September 2007
Penulis
vii
Daftar Isi
Abstract
................................................................................................................................ ii
Abstrak
............................................................................................................................... iii
Ucapan Terima Kasih ............................................................................................................. vi
Daftar Isi ............................................................................................................................. viii
Daftar Gambar ..........................................................................................................................x
Bab 1
Pendahuluan ............................................................................................................1
Bab 2
Tinjauan Pustaka .....................................................................................................3
2.1
Baterai .....................................................................................................................3
2.1.1
Sejarah baterai .........................................................................................................3
2.1.2
Jenis-jenis baterai ....................................................................................................5
2.1.3
Parameter penting baterai........................................................................................6
2.2
Sel Galvanik ............................................................................................................8
2.2.1
Proses kimia sel galvanik Cu/Zn .............................................................................9
2.2.2
Bagian-bagian sel galvanik Cu/Zn ........................................................................10
2.3
Konduktansi Elektrolitik .......................................................................................12
2.3.1
Konduktivitas ionik ...............................................................................................13
2.3.2
Angka pemindahan................................................................................................13
2.3.3
Jari-jari Stokes.......................................................................................................14
2.3.4
Mobilitas ionik ......................................................................................................15
2.4
Impedansi ..............................................................................................................16
2.4.1
Spektroskopi Impedansi Elektrokimia (SIE).........................................................18
2.4.2
Teori Spektroskopi Impedansi Elektrokimia (SIE) ...............................................20
2.4.3
Pengukuran dengan empat elektroda.....................................................................22
2.4.4
Presentasi data .......................................................................................................23
2.4.5
Analisis dasar spektra SIE.....................................................................................24
2.4.6
Sirkuit ekivalen sel elektrokimia...........................................................................24
2.5
Pengukuran Arus Maksimum ................................................................................26
Bab 3
Metodologi Penelitian ...........................................................................................27
3.1
Alat ........................................................................................................................27
3.2
Bahan.....................................................................................................................27
viii
3.2.1
Pembuatan larutan kompartemen anoda (larutan ZnSO4 1 M)..............................27
3.2.2
Pembuatan larutan kompartemen katoda (larutan CuSO4 1 M) ............................28
3.2.3
Pembuatan jembatan garam ..................................................................................28
3.2.4
Pembuatan larutan elektrolit..................................................................................28
3.2.5
Pembuatan larutan elektrolit dengan variasi konsentrasi agar ..............................29
3.2.6
Pengisian elektrolit ke dalam jembatan garam......................................................29
3.2.7
Penyiapan elektroda ..............................................................................................30
3.2.8
Penyiapan sel galvanik ..........................................................................................30
3.2.9
Pengujian sel .........................................................................................................31
Bab 4
Hasil dan Pembahasan...........................................................................................32
4.1
Pemilihan Elektrolit...............................................................................................32
4.2
Spektroskopi Impedansi Elektrokimia (SIE).........................................................32
4.3
Rapat arus Maksimum Pada Potensial Nominal....................................................38
Bab 5
Kesimpulan dan Saran...........................................................................................43
5.1
Kesimpulan............................................................................................................43
5.2
Saran......................................................................................................................43
Daftar Pustaka.........................................................................................................................44
ix
Daftar Gambar
Gambar 2.1
Tumpukan Volta (Voltaic Pile)......................................................................5
Gambar 2.2
Kerapatan energi berbagai jenis baterai .........................................................6
Gambar 2.3
Profil datar dan profil gradual........................................................................7
Gambar 2.4
Sel galvanik (a) dan baterai timbal asam (b) sebuah baterai timbal asam
dapat tersusun dari beberapa sel galvanik yang disusun seri ........................9
Gambar 2.5
Skema sebuah sel galvanik Cu/Zn ...............................................................11
Gambar 2.6
Perbedaan fasa antara stimulus potensial dan respons arus .........................17
Gambar 2.7
Impedansi, Z, sebagai vektor planar dalam koordinat kartesius ..................18
Gambar 2.8
Skema pengukuran dan karakterisasi sistem oleh SIE .................................20
Gambar 2.9
Kurva arus terhadap potensial yang menunjukkan pseudo-linieritas...........22
Gambar 2.10
Skema pengukuran empat elektroda ............................................................23
Gambar 2.11
Kurva Nyquist dengan vektor impedansi.....................................................23
Gambar 2.12
Kurva Bode dengan kurva Nyquist sebuah semi-lingkaran .........................24
Gambar 2.13
Sebuah contoh yang menunjukkan dua buah kombinasi sirkuit ekivalen
yang berbeda menghasilkan nilai impedansi yang sama.............................26
Gambar 3.1
Jembatan garam...........................................................................................28
Gambar 3.2
Elektroda yang digunakan............................................................................30
Gambar 3.3
Sel Galvanik Cu/Zn yang telah disusun .......................................................30
Gambar 3.4
Pemasangan elektroda pada sel yang diuji...................................................31
Gambar 4.1
Kurva Nyquist sel dengan variasi elektrolit menggunakan jembatan garam 1
....................................................................................................................33
Gambar 4.2
Kurva Nyquist sel dengan variasi elektrolit menggunakan jembatan garam 2
....................................................................................................................33
Gambar 4.3
Kurva Nyquist sel dengan variasi konsentrasi agar menggunakan jembatan
garam 1 .......................................................................................................34
Gambar 4.4
Kurva Nyquist sel dengan variasi konsentrasi agar menggunakan jembatan
garam 2 .......................................................................................................35
Gambar 4.5
Sirkuit ekivalen untuk sel galvanik Cu/Zn yang diuji..................................35
Gambar 4.6
Nilai Rlar sel galvanik Cu/Zn dengan variasi elektrolit pada dua sampel
jembatan garam...........................................................................................37
x
Gambar 4.7
Nilai Rlar sel galvanik Cu/Zn dengan variasi elektrolit pada dua sampel
jembatan garam...........................................................................................37
Gambar 4.8
Tipikal kurva voltametri siklik galvano .......................................................38
Gambar 4.9
Kurva potensial dan log rapat arus terhadap waktu pada sel dengan variasi
elektrolit menggunakan jembatan garam 1 .................................................39
Gambar 4.10
Kurva potensial dan log rapat arus terhadap waktu pada sel dengan variasi
elektrolit menggunakan jembatan garam 2 .................................................39
Gambar 4.11
Rapat arus maksimum yang dapat dihasilkan sel pada nilai potensial 1,06 V
....................................................................................................................40
Gambar 4.12
Kurva potensial dan log arus terhadap waktu pada sel dengan elektrolit KCl
menggunakan jembatan garam 1 pada konsentrasi agar yang berbeda.......41
Gambar 4.13
Kurva potensial dan log arus terhadap waktu pada sel dengan elektrolit KCl
menggunakan jembatan garam 2 pada konsentrasi agar yang berbeda.......41
Gambar 4.14
Nilai rapat arus maksimum terhadap konsentrasi agar ................................42
xi
Daftar Tabel
Tabel 2.1
Sejarah perkembangan baterai ............................................................................4
Tabel 2.2
Jari-jari hukum Stokes dan jari-jari kristal beberapa ion ..................................14
Tabel 2.3
Mobilitas ionik (u) dalam air pada 298 K.........................................................16
Tabel 2.4
Beberapa komponen listrik umum....................................................................25
Tabel 3.1
Jumlah garam yang ditambahkan ke dalam 25 ml aquabides dalam pembuatan
larutan elektrolit ...............................................................................................29
Tabel 3.2
Konsentrasi agar dan jumlah Bakto Agar yang ditambahkan...........................29
Tabel 3.3
Parameter pengukuran sel.................................................................................31
Tabel 4.1
Mobilitas ionik dalam air pada suhu 298 K ......................................................32
Tabel 4.2
Nilai komponen-komponen sirkuit ekivalen dari sel dengan variasi elektrolit.36
Tabel 4.3
Nilai komponen-komponen sirkuit ekivalen dari sel dengan variasi konsentrasi
agar...................................................................................................................36
xii