2. Sel elektrolisis

Gambar. 1. Skema representasi dari teori elektroda berpori kami menunjukkan tiga skala panjang
yang relevan: meninggalkan struktur elektroda lengkap (ketebalan yang khas adalah 100 pm-1
mm), tengah tingkat pori makro dan partikel (biasanya beberapa mikron) dan kanan micropores
dimensi nanoscopic.
Home » Materi SMP , Pelajaran IPA » Macam-macam Elemen Fisika
Macam-macam Elemen Fisika
Written By Maulana Affan on Selasa, 03 Desember 2013 | 14.10
Sumber Arus Searah dari Proses Kimiawi
Sumber arus searah disebut juga sebagai sumber tegangan searah sebab arus yamng ditimbulkan
oleh suatu tegangan. Sumber arus berfungsi sebagai sumber energi untuk mengalirkan muatan
melalui peralatan listrik. Energi diperoleh dari berbagai macam bentuk energi asal yang
kemudian diubah menjadi energi listrik.
A. Elemen Primer
Pada elemen primer, reaksi kimia yang menyebabkan electron mengalir dari elektroda negatif
(katoda) ke elektroda positif (anoda) tidak dapat dibalik arahnya. Dengan demikian elemen ini
tidak dapat dimuati kembali jika muatannya habis. Elemen primer ialah elemen elektrokimia
yang memerlukan pergantian bahan-bahan pereaksi setelah memberikan sejumlah energi listrik
kepada rangkaian luar.
1. Elmen Volta
Elemen Volta dikembangkan pertama kali oleh Fisikawan Italia
bernama Allesandro Volta (1790-1800) dengan menggunakan
sebuah bejana yang diisi larutan asam sulfat (H2SO4) dan dua
logam tembaga (Cu) dan seng (Zn). Bagian utama elemen Volta,
yaitu
1. kutub positif (anode) terbuat dari tembaga (Cu),
2. kutub negatif (katode) terbuat dari seng (Zn),
3. larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4).
Lempeng tembaga memiliki potensial tinggi, sedangkan lempeng
seng memiliki potensial rendah. Jika kedua lempeng logam itu
dihubungkan melalui lampu, lampu akan menyala. Hal ini
membuktikan adanya arus listrik yang mengalir pada lampu. Ketika lampu menyala, larutan
elektrolit akan bereaksi dengan logam tembaga maupun seng sehingga menghasilkan sejumlah
elektron yang mengalir dari seng menuju tembaga. Adapun, reaksi kimia pada elemen Volta
adalah sebagai berikut.
Pada larutan elektrolit terjadi reaksi
H2SO4 → 2H+ + SO42Pada kutub positif terjadi reaksi
Cu + 2H+ → polarisasi H2
Pada kutub negatif terjadi reaksi
Zn + SO4 → ZnSO4+ 2e
Reaksi kimia pada elemen Volta akan menghasilkan gelembung-gelembung gas hidrogen (H2).
Gas hidrogen tidak dapat bereaksi dengan tembaga, sehingga gas hidrogen hanya menempel dan
menutupi lempeng tembaga yang bersifat isolator listrik. Hal ini menyebabkan terhalangnya
aliran elektron dari seng menuju tembaga maupun arus listrik dari tembaga menuju seng.
Peristiwa tertutupnya lempeng tembaga oleh gelembung-gelembung gas hidrogen disebut
polarisasi. Adanya polarisasi gas hidrogen pada lempeng tembaga menyebabkan elemen Volta
mampu mengalirkan arus listrik hanya sebentar. Tegangan yang dihasilkan setiap elemen Volta
sekitar 1,1 volt. Penggunaan larutan elektrolit yang berupa cairan merupakan kelemahan elemen
Volta karena dapat membasahi peralatan lainnya.
2. Elemen Kering
Elemen kering disebut juga baterai. Elemen kering pertama kali dibuat oleh Leclance. Bagian
utama elemen kering adalah:
1. kutub positif (anode) terbuat dari batang karbon (C),
2. kutub negatif (katode) terbuat dari seng (Zn),
3. larutan elektrolit terbuat dari amonium klorida (NH4Cl),
4. dispolarisator terbuat dari mangan dioksida (MnO2).
Baterai disebut elemen kering, karena elektrolitnya merupakan
campuran antara serbuk karbon, batu kawi, dan salmiak yang
berwujud pasta (kering). Batang karbon (batang arang) memiliki
potensial tinggi, sedangkan lempeng seng memiliki potensial
rendah. Jika kedua elektrode itu dihubungkan dengan lampu maka
lampu akan menyala. Hal ini membuktikan adanya arus listrik yang
mengalir pada lampu. Ketika lampu menyala, larutan elektrolit akan
bereaksi dengan seng. Adapun, reaksi kimia pada batu baterai adalah sebagai berikut.
Pada larutan elektrolit terjadi reaksi
Zn + 2NH4Cl → Zn2+ + 2Cl + 2NH3 + H2 (ditangkap dispolarisasi)
Pada dispolarisator terjadi reaksi
H2 + 2MnO2 → Mn2O3 + H2O
Reaksi kimia pada batu baterai akan menghasilkan gelembung-gelembung gas hidrogen (H2).
Gas hidrogen akan ditangkap dan bereaksi dengan dispolarisator yang berupa mangan dioksida
(MnO2) menghasilkan air (H2O), sehingga pada batu baterai tidak terjadi polarisasi gas hidrogen
yang mengganggu jalannya arus listrik. Bahan yang dapat menghilangkan polarisasi gas
hidrogen disebut dispolarisator. Adanya bahan dispolarisator pada batu baterai, menyebabkan
arus listrik yang mengalir lebih lama. Setiap batu baterai menghasilkan tegangan 1,5 volt.
Elemen kering (batu baterai) banyak dijual di toko karena memiliki keunggulan antara lain tahan
lama (awet), praktis karena bentuk sesuai kebutuhan, dan tidak membasahi peralatan karena
elektrolitnya berupa pasta (kering).
3. Elemen Leclanche
Elemen Lechlance ditemukan oleh seorang ilmuwan Prancis, George Lechlance (1838 – 1882).
Prinsip kerja elemen Lechlance hampir sama dengan elemen Daniell. Elemen ini juga disebut
cikal bakal baterai.
Larutan elektrolit yang digunakan dalam elemen Lechlance merupakan campuran dari
salamoniak dan seng klorida yang berbentuk pasta. Elemen ini terdiri dari Elektrode positif
(anode) yaitu batang carbon (C) yang diselubungi oleh campuran bubuk karbon dan mangan
dioksida, juga Elektrode negatif (katode) yang memuat batang seng (Zn) pembungkus elemen.
Di elemen ini juga terdapat elektrolit berupa zat yang berjenis garam yaitu Ammonium Klorida
(NH4Cl) yang berfungsi untuk menghasilkan listrik.
Cara Kerja:
Ketika ion-ion seng masuk ke dalam larutan ammonium klorida, batang seng akan mejadi negatif
terhadap larutan logam. Ammonium klorida memberikan ion NH4+ menembus bejana berpori
menuju batang karbon dan memberikan muatan positifnya pada batang karbon.
Pada perkembangannya, elemen Leclanche berubah menjadi elemen kering (baterai) yang lebih
mudah dipakai. Sebenarnya elemen kering diperoleh hanya dengan mengganti elektrolit larutan
ammonium klorida menjadi campuran pasta ammonium klorida dengan serbuk kayu, tepung atau
getah.
Elemen Lechlance dapat menghasilkan arus listrik sekitar 1,5 V. Elemen ini tidak menghasilkan
asam yang berbahaya.
4. Elemen Daniell
Elemen ini dibuat oleh John Daniell pada tahun 1835. untuk mencegah terjadinya polarisasi,
elektroda dilindungi oleh suatu bahan kimia yang disebut depolarisator. Pada elemen Daniell
yang digunakan adalah tembaga sulfat (CuSO4) yang dipisahkan dengan elektrolit asam sulfat
encer oleh bejana berpori. Jadi, ion-ion masih dapat pergi dari elektroda ke elektroda lain melalui
depolarisator.
5. Generator
Generator dibedakan menjadi dua, yaitu generator arus searah (DC) dan generator arus bolakbalik (AC). Baik generator AC dan generator DC memutar kumparan di dalam medan
magnet tetap. Generator AC sering disebut alternator. Arus listrik yang dihasilkan berupa arus
bolak-balik. Ciri generator AC menggunakan cincin ganda. Generator arus DC, arus yang
dihasilkan berupa arus searah. Ciri generator DC
menggunakan cincin belah (komutator).
Jadi, generator AC dapat diubah menjadi generator DC
dengan cara mengganti cincin ganda dengan sebuah
komutator. Sebuah generator AC kumparan berputar di
antara kutub- kutub yang tak sejenis dari dua magnet yang
saling berhadapan. Kedua kutub magnet akan menimbulkan
medan magnet. Kedua ujung kumparan dihubungkan
dengan sikat karbon yang terdapat pada setiap cincin.
Kumparan merupakan bagian generator yang berputar
(bergerak) disebut rotor.
Magnet tetap merupakan bagian generator yang tidak bergerak disebut stator.
Bagaimanakah generator bekerja? Ketika kumparan sejajar dengan arah medan magnet
(membentuk sudut 0 derajat), belum terjadi arus listrik dan tidak terjadi GGL induksi
(perhatikan Gambar 12.2). Pada saat kumparan berputar perlahan-lahan, arus dan GGL
beranjak naik sampai kumparan membentuk sudut 90 derajat. Saat itu posisi kumparan tegak
lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan ini kuat arus dan GGL induksi menunjukkan
nilai maksimum. Selanjutnya, putaran kumparan terus berputar, arus dan GGL makin
berkurang.
Ketika kumparan mem bentuk sudut 180 derajat kedudukan kumparan sejajar dengan arah
medan magnet, maka Putaran kumparan berikutnya arus dan tegangan mulai naik lagi dengan
arah yang berlawanan. Pada saat membentuk sudut 270 derajat, terjadi lagi kumparan berarus
tegak lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan kuat arus dan GGL induksi
menunjukkan nilai maksimum lagi, namun arahnya berbeda. Putaran kumparan selanjutnya,
arus dan tegangan turun perlahanlahan hingga mencapai nol dan kumparan kembali ke
posisi semula hingga memb entuk sudut 360 derajat.
B. Elemen Sekunder
Tidak seperti elemen primer, elemen sekunder bersifat dapat diperbaharui. Artinya tegangan
yang berasal dari elemen sekunder suatu saat akan habis, tetapi kamu masih dapat mengisi
elemen tersebut. Contoh elemen sekunder adalah akumulator. Akumulator banyak digunakan
dalam kendaraan bermotor seperti sepeda motor dan mobil.
1. Accumulator
Accumulator sering disebut aki. Elektrode accumulator baik anode dan katode terbuat dari timbal
(Cu) berpori. Bagian utama akumulator, yaitu
1. kutub positif (anode) terbuat dari timbal dioksida (PbO2),
2. kutub negatif (katode) terbuat dari timbal murni (Pb),
3.larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4) dengan kepekatan 30%.
Lempeng timbal dioksida dan timbal murni disusun saling bersisipan
akan membentuk satu pasang sel akumulator yang saling berdekatan
dan dipisahkan oleh bahan penyekat berupa isolator. Beda potensial
yang dihasilkan setiap satu sel akumulator 2 volt. Dalam kehidupan
sehari-hari, ada akumulator 12 volt yang digunakan untuk
menghidupkan starter mobil atau untuk menghidupkan lampu sein
depan dan belakang mobil. Akumulator 12 volt tersusun dari 6
pasang sel akumulator yang disusun seri. Kemampuan akumulator
dalam mengalirkan arus listrik disebut kapasitas akumulator yang
dinyatakan dengan satuan Ampere Hour (AH). Kapasitas
akumulator 50 AH artinya akumulator mampu mengalirkan arus
listrik 1 ampere yang dapat bertahan selama 50 jam tanpa pengisian kembali.
Proses Pengosongan Accumulator
Pada saat accumulator digunakan, terjadi perubahan energi kimia menjadi energi listrik dan
terjadi perubahan anode, katode dan elektrolitnya. Pada anode terjadi perubahan yaitu timbal
dioksida (PbO2) menjadi timbal sulfat (PbSO4). Perubahan yang terjadi pada katode adalah
timbal murni (Pb) menjadi timbal sulfat (PbSO4). Adapun pada larutan elektrolit terjadi
perubahan, yaitu asam sulfat pekat menjadi encer, karena pada pengosongan accumulator
terbentuk air (H2O). Susunan akumulator adalah sebagai berikut.
Kutub positif (anode) terbuat dari timbal dioksida (PbO2).
Kutub negatif (katode) terbuat dari timbal murni (Pb).
Larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4) dengan kepekatan 30%.
Ketika accumulator digunakan, terjadi reaksi antara larutan elektrolit dengan timbal dioksida dan
timbal murni sehingga menghasilkan elektron dan air. Reaksi kimia pada accumulator yang
dikosongkan adalah sebagai berikut.
Pada elektrolit : H2SO4→2H+ + SO42–
Pada anode: PbO2 + 2H+ + 2e + H2SO4 →PbSO4+2H2O
Pada katode : Pb + SO42–→ PbSO4
Pada saat accumulator digunakan, baik anode maupun katode perlahan-lahan akan berubah
menjadi timbal sulfat (PbSO4). Jika hal itu terjadi, maka kedua kutubnya memiliki potensial
sama dan arus listrik berhenti mengalir. Terbentuknya air pada reaksi kimia menyebabkan
kepekatan asam sulfat berkurang, sehingga mengurangi massa jenisnya. Keadaan ini dikatakan
accumulator kosong (habis).
Proses Pengisian Accumulator
Accumulator termasuk elemen sekunder, sehingga setelah habis dapat diisi kembali. Pengisian
accumulator sering disebut penyetruman accumulator. Pada saat penyetruman accumulator
terjadi perubahan energi listrik menjadi energi kimia. Perubahan yang terjadi pada anode, yaitu
timbal sulfat (PbSO4) berubah menjadi timbal dioksida (PbO2). Perubahan pada anode, yaitu
timbal sulfat (PbSO4) berubah menjadi timbal murni (Pb). Kepekatan asam sulfat akan berubah
dari encer menjadi pekat, karena ketika akumulator disetrum terjadi penguapan air.
Untuk menyetrum accumulator diperlukan sumber tegangan DC lain yang memiliki beda
potensial yang lebih besar. Misalnya akumulator 6 volt kosong harus disetrum dengan sumber
arus yang tegangannya lebih dari 6 volt. Kutub-kutub akumulator dihubungkan dengan kutub
sumber tegangan. Kutub positif sumber tegangan dihubungkan dengan kutub positif akumulator.
Adapun, kutub negatif sumber tegangan dihubungkan dengan kutub negatif akumulator.
Rangkaian ini menyebabkan aliran elektron sumber tegangan DC berlawanan dengan arah aliran
elektron accumulator.
Elektron-elektron pada accumulator dipaksa kembali ke elektrode accumulator semula, sehingga
dapat membalik reaksi kimia pada kedua elektrodenya. Agar hasil penyetruman accumulator
lebih baik, maka arus yang digunakan untuk mengisi kecil dan waktu pengisian lama. Besarnya
arus listrik diatur dengan rheostat. Pada saat pengisian terjadi penguapan asam sulfat, sehingga
menambah kepekatan asam sulfat dan permukaan asam sulfat turun. Oleh sebab itu, perlu
ditambah air accumulator kembali. Susunan accumulator yang akan disetrum (diisi) dalam
keadaan masih kosong, yaitu
Kutub positif (anode) terbuat dari timbal dioksida (PbSO4),
Kutub negatif (katode) terbuat dari timbal murni (PbSO4),
Larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4) encer.
Reaksi kimia saat accumulator diisi, yaitu
Pada elektrolit : H2SO4 →2H+ + SO42–
Pada anode : PbSO4 + SO42– + 2H2O→ PbO2 + 2H2SO4
Pada katode: PbSO4 + 2H+ → Pb + H2SO4
Jadi, saat penyetruman accumulator pada prinsipnya mengubah anode dan katode yang berupa
timbal sulfat (PbSO4) menjadi timbal dioksida (PbO2) dan timbal murni (Pb)
Teori Dasar Sel Listrik
Baterai merupakan sistem elektrokimia. Tiap sel baterai terdiri atas 2 elektroda
yang berbeda, dipisahkan satu sama lain dalam cairan penghantar yang disebut elektrolit.
Masing-masing elektroda memiliki sistem sendiri dan menghasilkan potensial yang
berbeda. Perbedaan potensial di antara keduanya disebut elektromotive force.
Energi kimia yang dihasilkan dari reaksi sel merupakan sumber listrik yang
disuplai baterai ketika digunakan (discharge). Zat-zat pereaksi dalam sel sekunder secara
lengkap dan efisien dapat dikembalikan ke keadaan asalnya dengan memberikan arus
listrik (charging) dengan arah yang berlawanan, tetapi dalam sel primer hal ini tidak
mungkin atau hanya sebagian saja. Hanya jenis tertentu saja dari baterai primer yang
dapat diperbaharui, yaitu dengan cara mengganti elektroda dan elektrolitnya.
Ketika dua terminal sel dihubungkan dengan sirkuit luar dengan kabel, arus yang
mengalir proporsional dengan besarnya emf dan berbanding terbalik dengan besarnya
hambatan baterai dan sirkuit luar. Arus mengalir melewati elektrolit oleh partikel
bermuatan, yang disebut ion dan melewati bagian logam dari sirkuit oleh elektron. Reaksi
kimia terjadi pada permukaan elektroda di mana terjadi perubahan dari konduksi
elektronik menjadi konduksi ionik dan sebaliknya.
Material katodik biasanya terbuat dari senyawa kimia seperti, PbO 2, MnO2, NiO2,
CuCl, atau AgCl. Mereka adalah agens depolarisasi. Dicirikan dengan mudahnya
menerima elektron, akibatnya tingkat oksidasinya turun. Di lain pihak material anodik,
biasanya logam seperti Pb, Fe, Cd, Mg atau Zn. Sifatnya mudah melepaskan elektron
membentuk ion positif dalam elektrolit. Reaksinya disebut oksidasi.
Reaksi reduksi dan oksidasi disertai dengan perubahan kimia. Mungkin juga
terdapat perubahan di dalam elektrolit. Perubahan tersebut mengikuti hukum Faraday
tentang elektrolisis. Ketika baterai mensuplai arus listrik dikatakan baterai tersebut
sedang di-discharge. Perubahan dari energi kimia ke energi listrik berlangsung menurut
hukum termodinamika.
Elektrolit yang menyediakan konduksi ionik antar elektroda harus disesuaikan
dengan bahan katoda dan anoda. Dalam elektrolit perlu adanya jumlah asam yang
berlebih dibandingkan jumlah yang diperlukan secara teoritis. Kalau tidak ia akan terlalu
larut dan terlalu resisten terhadap aliran arus listrik. Perubahan yang tidak diinginkan
juga bisa terjadi. Laju reaksi akan sebanding dengan pertukaran elektron antar elektroda,
hal ini tergantung pada difusi, suhu, permukaan efektif, dan kondisi dari sirkuit listrik.
Reaksi dalam sel kering
Pada prinsipnya reaksi dalam baterai dapat dituliskan sebagai berikut:
Zn + 2MnO2 → ZnO.Mn2O3
Grafit atau karbon yang dicampur dengan mangan dioksida tidak mempunyai
pengaruh dalam reaksi, meskipun demikian peranannya sangat penting. Mangan dioksida
adalah penghantar listrik yang buruk, grafit atau karbon ditambahkan untuk
meningkatkan daya campuran. Asetilen black lebih baik karena mempunyai sifat adsorptif
yang sesuai.
Ketika baterai mengantarkan arus listrik, mangan dioksida kehilangan oksigen
sementara itu seng yang bertindak sebagai elektroda positif teroksidasi. Mangan dioksida
umumnya bersifat tidak larut, tetapi Mn2+ yang larut ditemukan dalam larutan asam.
Ternyata terjadi kesetimbangan antara kedua jenis mangan tersebut yang tergantung
pada pH larutan. Reaksi dalam asam menghasilkan garam yang larut, sedangkan dalam
basa oksida yang tidak larut diperoleh. Dalam larutan asam Mn2+ berada dalam keadaan
setimbang dengan MnO2 dan perubahan potensial 0,12 V per unit perubahan pH. Dalam
larutan basa konsentrasi Mn2+ sangat rendah dan hasil reaksi utamanya adalah oksida
Mn3+. Dalam hal ini terjadi perubahan potensial 0,06 V per unit pH. Mangan diklorida
dapat terdapat dalam sel kering namun jumlahnya sangat kecil karena pH elektrolit lebih
tinggi dari keadaan yang sesuai dengan MnCl2 tersebut. Dalam pH yang tinggi reaksi sel
yang terjadi adalah:
2e- + 2MnO2 + 2H+ → Mn2O3.H2O dan
Zn + 2OH- →Zn(OH)2 + 2e-
yang akan memberikan :
Zn + 2H2O + 2MnO2 → ZnO + H2O + Mn2O3.H2O
Kemudian akan menjadi :
Zn + 2MnO2 → ZnO.Mn2O3
Hetaerolit adalah bentuk kristal tanpa air, oleh karenanya dimungkinkan untuk
menghilangkan air di kedua sisi reaksi di atas.
Persamaan reaksi di atas merupakan persamaan reaksi dasar dalam sel kering yang
memperlihatkan transfer oksigen dari elektroda yang satu ke lainnya, namun tidak
menjelaskan tentang elektrolit atau kondisi dinamis yang terjadi selama proses discharge.
Beberapa elektrolit selain amonium klorida telah digunakan, di antarnya adalah
magnesium klorida, kalsium klorida, metilamin hidroklorida dan garam-garam yang lain
dengan gugus alkil berupa metil dan etil. Nilai emf dari berbagai elektrolit ini tidak terlalu
berbeda, tetapi shelf life dan hambatan internalnya yang berbeda.
Zinc klorida yang ditambahkan ke dalam elektrolit mempunyai peranan yang
penting ditambah lagi zinc klorida yang terbentuk selama proses discharge. Zat ini
membantu mempertahankan tegangan kerja sel dengan jalan hidrolisis untuk
menghasilkan reaksi asam. Ketika ion Zn dalam campuran sedikit, akan terbentuk
manganit (Mn2O3.H2O), bukannya hetaerolit.
Di bawah kondisi yang dinamis, yaitu ketika sel secara aktif di-discharge, beberapa
reaksi mungkin terjadi. Terjadi perubahan pH yang tergantung pada lama dan besarnya
beban selama discharge.
Kekurangan ion Zn tidak akan menimbulkan pembentukan hetaerolit, reaksi yang
terjadi adalah:
2MnO2 + 2NH4+ + 2e- → Mn2O3.H2O + 2NH3
Amonia terbentuk di bawah kondisi demikian. Dalam jumlah yang sedikit H2 akan keluar
dari sel. Ketika jumlah NH3 meningkat, senyawa ini akan bereaksi dengan
ZnCl2 membentuk zinc klorida diamina (ZnCl2.2NH3). Mungkin tak satupun reaksi yang
dapat digambarkan selama proses discharge sel kering. Hal ini disebabkan oleh sulitnya
menentukan keadaan transisi masing-masing reaksi yang terlihat saling bergabung satu
dengan lainnya.
Gabungan beberapa sel membentuk baterai
Bahan dasar untuk membuat baterai kering terdiri atas 5 bahan utama, yaitu: black
mix, paste, carbon rod, Zn can, dan top seal.
Black mix
Black mix terdiri atas mangan dioksida dengan karbon atau asetilen black dan
grafit yang sesuai sebagai katoda dan depolarizer. Mangan dioksida dihancurkan dulu
hingga mencapai 80% atau lebih butirannya dapat melewati saringan 200 mesh. Natural
mangan maupun artifisial dapat digunakan bersama-sama, namun biasanya proporsi
mangan artifisial tidak lebih dari 30% karena harganya yang mahal. Penggunaan mangan
artifisial meningkatkan output listrik dari sel.
Ratio antara mangan dioksida dengan karbon dalam black mix bervariasi antara
3:1 hingga 8:1 berdasarkan beratnya. Nilai ini biasanya disebut nilai M/C. Sejumlah kecil
amonia ditambahkan ke dalam campuran karena kelarutan amonia dalam elektrolit masih
kurang mencukupi. Bahan-bahan ini pertama dicampurkan dalam keadaan kering, lalu
dibasahi dengan sejumlah elektrolit yang diaplikasikan dengan cara spraying.
Proses mixing ini dilanjutkan hingga diperoleh campuran yang seragam dan bebas dari
kotoran serta partikel yang tidak rata. Biasanya 2-5 menit cukup untuk dry mixing,
dilanjutkan dengan wet mixing selama 10 menit.
Untuk mengetahui apakah campuran itu telah mencapai derajat kebasahan yang
cukup ada beberapa cara yang bisa dilakukan. Metode yang sederhana adalah dengan
memberikan tekanan kepada sampel sampai dikeluarkan cairan dari dalamnya. Kira-kira
diperlukan tekanan sebesar 20-34 kgf/cm2. Sampel ditempatkan dalam silinder logam yang
dibagian bawahnya terbuka. Selain itu diletakkan pula kertas saring di atas pelat zinc.
Listrik dihubungkan di antara silinder dan pelat. Besarnya press humidity dan tegangan
campuran kemudian dapat diketahui dari skala.
Campuran yang sudah memenuhi standar dibentuk sesuai dengan tinggi dan
diameter yang telah ditentukan dan dinamakan bobbinatau cores.
Elektrolit dari sel kering adalah campuran amonium klorida dengan zinc klorida.
Larutan ini digunakan dalam pembuatan pasta dan sebagai larutan pembasuh dalam
pembuatan black mix. Amonium klorida atau sal ammoniac adalah klorida yang paling
cocok bagi reaksi sel. Namun sifatnya korosif dan ketika discharge ia menyerang zinc can.
Di lain pihak, zinc klorida mempunyai peranan yang cukup penting, terutama untuk
mempertahankan tegangan kerja dari sel. Keberadaannya juga mampu menghambat
serangan korosi amonium klorida terhadap Zn. Hidrolisis zinc klorida membantu
mempertahankan pH elektrolit yang diinginkan dan meningkatkan tegangan sel.

Lapisan pasta sebagai separator antara anoda Zn dengan katoda dan juga sebagai
reservoir elektrolit. Biasanya pasta terdiri atas campuran 2 bagian tepung jagung dengan 1
bagian tepung terigu dan dibuat pasta dengan penambahan elektrolit. Baik zinc klorida
maupun amonium klorida, keduanya memicu proses gelatinisasi.

Batang karbon yang terletak di tengah-tengah campuran dan sering disebut
elektroda positif, walaupun sebenarnya hanya merupakan kolektor dan konduktor arus
listrik dari katoda ke terminal positif eksternal sel.

Zn can yang berfungsi sebagai anoda dan kontainer sel.

Top seal yang menutupi sel dan membuatnya dapat dipakai dalam segala posisi.
Seal tersebut jelas merupakan bahan isolator yang terikat dengan cap pada batang karbon
dan top rim dari kontainer zinc.
Inhibitor untuk mengurangi korosi zinc
Untuk mengurangi aksi lokal pada Zn, telah dikenal proses amalgamasi, misalnya
dengan pemberian merkuri klorida. Sangat baik bila dilakukan amalgamasi pada zinc
baterai kering karena mereka akan digunkan pada temperatur ruang, meskipun jumlah
merkuri yang digunakan terbatas karena efek destruktifnya terhadap kekuatan mekanik
dari Zn. Ketika sel diekspos pada temperatur yang lebih tinggi, efek amalgamasi ini
cenderung berkurang.
Lapisan kromat telah digunakan secara komersial sebagai inhibitor dalam sel
kering. Pada temperatur ruang penambahan kalium dikromat cukup efektif, apalagi pada
temperatur 54°C, hasilnya lebih baik daripada dengan merkuri klorida.
Pada sel kering reaksi terjadi pada Zn ada 2 tipe. Pertama adalah reaksi discharge
yang memberikan energi listrik yang berguna. Reaksi tersebut berjalan menurut
persamaan :
Zn + 2MnO2→ZnO.Mn2O3
Reaksi ini tidak menyebabkan timbulnya gas H2. Reaksi kedua adalah serangan korosi
lokal yang menimbulkan gas H2. Ini menunjukkan energi yang tidak berguna dan
dihasilkan dari daerah anodik dan katodik dari Zn. Reaksi pada anoda adalah :
Zn → Zn2+ + 2eSedangkan pada katoda, reaksinya adalah:
Zn2+ + 2NH4Cl + 2e- → Zn(NH3)2Cl2 + H2
Dalam rangka pencarian inhibitor yang efektif, banyak material telah dicoba, kebanyakan
merupakan senyawa organik. Senyawa tersebut mengandung gugus karbonil, seperti
furfural, senyawa yang berisi nitrogen heterolik misalnya aldin, dan beberapa produk
komersial lainnya telah terbukti efektif dalam menghambat reaksi korosi Zn dalam
elektrolit sel kering, tetapi kebanyakan juga tidak berguna dalam sel lengkap karena
ternyata mereka bereaksi dengan lapisan dinding pasta atau membentuk lapisan yang
tidak larut di atas permukaan anoda Zn yang menghasilkan hambatan internal bagi sel.
Di lain pihak mateial koloid yang lumrah terdapt dalam dinding pasta juga memiliki
aktivitas inhibisi. Pada tepung gandum, terdapat protein koloidal yang mempunyai agens
inhibisi yang dinamakan gluten. Konstituen yang tergolong gluten di antaranya adalah
glutenin, gliadin, dan mesonin. Gliadin dan mesonin terbukti cukup baik dalam
menghambat korosi Zn.
Pada prinsipnya reaksi kimia dalam baterai kering dapat dituliskan sebagai berikut :
Zn + 2MnO2 → ZnO.Mn2O3
Grafit atau karbon ditambahkan ke dalam mangan dioksida untuk meningkatkan daya
hantar listrik campuran. Asetilen hitam lebih baik karena mempunyai sifat adsorptif yang
sesuai terhadap mangan. Bahan karbon ini tidak terlibat langsung dalam reaksi.
Ketika baterai mengantarkan arus listrik, mangan dioksida kehilangan oksigen dan
mengalami reduksi, sementara itu zinc yang bertindak sebagai elektroda positif
teroksidasi. Reaksi ini mengikuti hukum Faraday tentang elektrolisis. Dalam suasana basa,
reaksi sel yang terjadi adalah :
2e- + 2MnO2 + 2H+→ Mn2O3.H2O
Zn + 2OH- → Zn(OH)2 + 2eKedua persamaan tersebut akan memberikan :
Zn + 2H2O + 2MnO2 → ZnO + H2O + Mn2O3.H2O
Kristal mangan hetaerolit adalah bentuk kristal yang tidak mengandung air, oleh sebab itu
H2O dihilangkan dalam persamaan reaksi di atas. Dengan demikian persamaan reaksinya
menjadi :
Zn + 2MnO2 → ZnO.Mn2O3
Dari persamaan dasar baterai di atas dapat diketahui alur transfer oksigen dari elektroda
yang satu ke elektroda lainnya, namun keadaan elektrolit atau kondisi dinamis yang
terjadi selama proses pemakaian baterai (discharge) tidak terungkap. Reaksi yang
sebenarnya memang sangat kompleks dan sulit untuk dituliskan karena sulitnya
menentukan keadaan transisi masing-masing senyawa selama reaksi berlangsung.
Beberapa elektrolit selain amonium klorida telah digunakan, di antaranya adalah
magnesium klorida, kalsium klorida, metilamin hidroklorida dan garam-garam yang lain
dengan gugus alkil berupa metil dan etil. Nilai emf dari berbagai elektrolit ini tidak terlalu
berbeda, tetapi shelf life dan hambatan internalnya yang berbeda.
Zinc klorida yang ditambahkan ke dalam elektrolit mempunyai peranan yang penting
untuk mempertahankan tegangan kerja sel dengan jalan hidrolisis menghasilkan reaksi
asam. Bila terjadi kekurangan ion Zn2+ dalam campuran, maka akan terbentuk manganit
(Mn2O3.H2O) menggantikan hetaerolit. Reaksi yang terjadi adalah :
2MnO2 + 2NH4+ + 2e- → Mn2O3.H2O + 2NH3
Produk samping dari reaksi di atas adalah amonia. Dalam jumlah yang sedikit H2 akan
keluar dari sel. Ketika jumlah NH3 meningkat, senyawa ini akan bereaksi dengan
ZnCl2 membentuk zinc klorida diamina (ZnCl2.2NH3).
Dasar Teori
1. Elektrolisis
Elektrolisis merupakan proses kimia yang mengubah energi listrik menjadi energi kimia.
Komponen yang terpenting dari proses elektrolisis ini adalah elektroda dan elektrolit.Elektroda
yang digunakan dalam proses elektolisis dapat digolongkan menjadi dua, yaitu:
a. Elektroda inert, seperti kalsium (Ca), potasium, grafit (C), Platina (Pt), dan emas (Au).
b. Elektroda aktif, seperti seng (Zn), tembaga (Cu), dan perak (Ag)
Elektrolitnya dapat berupa larutan berupa asam, basa, atau garam, dapat pula leburan
garam halida atau leburan oksida. Kombinasi antara elektrolit dan elektroda menghasilkan tiga
kategori penting elektrolisis, yaitu:
a. Elektrolisis larutan dengan elektroda inert
b. Elektrolisis larutan dengan elektroda aktif
c. Elektrolisis leburan dengan elektroda inert
Pada elektrolisis, katoda merupakan kutub negatif dan anoda merupakan kutub positif.
Pada katoda akan terjadi reaksi reduksi dan pada anoda terjadi reaksi oksidasi.
2. Sel elektrolisis
Sel elektrolisis adalah sel elektrokimia yang menimbulkan terjadinya reaksi redoks yang
tidak spontan dengan adanya energi listrik dari luar. Contohnya adalah elektrolisis lelehan NaCl
dengan elektroda platina. Contoh lainnya adalah pada sel Daniell jika diterapkan beda potensial
listrik dari luar yang besarnya melebihi potensial sel Daniell.
3. Faktor yang Mempengaruhi Proses Elektrolisis
a. Jenis elektroda yang digunakan
b.
Kedudukan ion dalam siri elektrokimia
c. Kepekatan ion
4. Perbedaan Antara Sel Elektrolisis / Sel Kimia
Sel Elektrolisis dialirkan melalui elektrolit, ion-ion akan terurai dan bergerak ke masingmasing anoda dan katoda. Penguraian elektrolit dilakukan oleh arus elektrik.Anion bergerak
menuju ke elektroda anoda manakala Kation bergerak menuju ke elektroda katoda.
Sel Kimia Sel kimia ialah sel yang menghasilkan tenaga elektrik melalui tindakbalas
kimia. Sel kimia dibina daripada dua logam (elektrod) yang berlainan dicelupkan kedalam suatu
larutan masing- masing elektrolit. Elektroda Zn dicelupkan ke dalam larutan ZnSO4, Elektroda
Cu dicelupkan ke dalam larutan CuSO4 dan dihubungkan oleh satu jembatan garam. Arus yang
terhasil ialah sebanyak 1.10A.
5. Contoh Elektrolisis
a. Proses penyepuhan
Yaitu proses perubahan Energi listrik menjadi Energi kimia. Proses ini melibatkan
Elektroda (logam-logam yang dihubungkan dengan sumber listrik) dan Elektrolit (cairan tempat
logam-logam tadi dicelupkan). Penyepuhan berguna untuk melapisi logam untuk perhiasan, atau
juga untuk pencegahan karat/korosi, seperti pada pipa atau besi, yang dilapisi oleh campuran besi
(Fe) dan Seng (Zn), yang disebut proses galvanisasi. Elektrolisis ini adalah kebalikan dari proses
yang terjadi pada baterei atau aki, dimana pada sumber listrik itu terjadi proses perubahan dari
energi kimia menjadi energi Listrik.
b. Elektrolisis Leburan Kalium Bromida
Ion kalium bergerak ke katoda/ ion bromida bergerak ke anoda.
Anoda:
Ion bromida menyahcas secara membebaskan elektron kepada anoda.
2Br- + 2e → Br2
Dua atom bromin akan membentuk satu molekul dwiatom bromin. Gas bromin berwarna perang
terbebas pada anode.
-
Katoda:
Ion kalium menyahcas secara menerima elektron daripada katode.
K+ + e → K
Logam kalium berkilau terbentuk pada katoda
c.
Elektrolisis aluminium oksida lebur.
Ion-ion Al3+ dan O2- dibebaskan apabila aluminium oksida dileburkan. Ion Al3+ tertarik ke
katod dan ion O2- tertarik ke anoda semasa elektrolisis.
Pemerhatian:
-
Di anoda. Gas oksigen terhasil apabila ion-ion O2- membuang elektron seperti berikut;
2O2- → O2 + 4e
Di katoda. Logam aluminium berkilat terhasil apabila ion-ion Al3+ menerima elektron.
Al3+ + 3e → Al