BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Elektrolisis Air Elektrolisis air

4
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Elektrolisis Air
Elektrolisis air adalah peristiwa penguraian senyawa air (H2O) menjadi
oksigen (O2) dan hidrogen gas (H2) dengan menggunakan arus listrik yang
melalui air tersebut. Pada katode, dua molekul air bereaksi dengan menangkap
dua elektron, tereduksi menjadi gas H2 dan ion hidrokida (OH-). Sementara itu
pada anode, dua molekul air lain terurai menjadi gas oksigen (O2), melepaskan 4
ion H+ serta mengalirkan elektron ke katode. Ion H+ dan OH- mengalami
netralisasi sehingga terbentuk kembali beberapa molekul air. Faktor yang
memperngaruhi elektrolisis air yaitu kualitas elektrolit, suhu, tekanan, resistansi
elektrolit, material dari elektroda dan material pemisah.
Gas hidrogen dan oksigen yang dihasilkan dari reaksi ini membentuk
gelembung pada elektroda dan dapat dikumpulkan. Prinsip ini kemudian
dimanfaatkan untuk menghasilkan hidrogen yang dapat digunakan sebagai bahan
bakar kendaraan hydrogen. Dengan menyediakan energy dari baterai, Air (H2O)
dapat dipisahkan ke dalam molekul diatomik hidrogen (H2) dan oksigen (O2).
Gambar 1. Proses Elektrolisis Air
(Sumber : Chevi Noorcholis, 2011, http://chevinoorcholis.blogspot.co.id. Diakses pada 14 April
2016)
Gas yang dihasilkan dari proses elektrolisis air disebut gas HHO atau
oxyhydrogen atau disebut juga Brown’s Gas. Brown (1974), dalam penelitiannya
4
5
melakukan elektrolisa air murni sehingga menghasilkan gas HHO yang
dinamakan dan dipatenkan dengan nama Brown’s Gas. Untuk memproduksi
Brown’s Gas digunakan elektroliser untuk memecah molekul-molekul air menjadi
gas.
Beda potensial yang dihasilkan oleh arus listrik antara anoda dan katoda
akan mengionisasi molekul air menjadi ion positif dan ion negatif. Pada katoda
terdapat ion postif yang menyerap elektron dan menghasilkan molekul ion H2, dan
ion negatif akan bergerak menuju anoda untuk melepaskan elektron dan
menghasilkan molekul ion O2. Reaksi total elektrolisis air adalah penguraian air
menjadi hidrogen dan oksigen. Bergantung pada jenis elektrolit yang digunakan,
reaksi setengah sel untuk elektrolit asam atau basa dituliskan dalam dua cara yang
berbeda.
½ O2 + 2H+ + 2e-
Elektrolit asam, di anoda : H2O
di katoda : 2H+ + 2etotal
: H2 O
H2
H2 + ½ O2
Elektrolit basa, di katoda : 2H2O + 2edi anoda : 2OHtotal
2.2
: H2O
H2 + 2OH½ O2 + H2O + 2eH2 + ½ O2
Sel Elektrolisis
Elektrolisis adalah peristiwa penguraian elektrolit dalam sel elektrolisis
oleh arus listrik. Dalam sel volta/galvani, reaksi oksidasi reduksi berlangsung
dengan spontan, dan energi kimia yang menyertai reaksi kimia diubah menjadi
energi listrik. Sedangkan elektrolisis merupakan reaksi kebalikan dari sel
volta/galvani yang potensial selnya negatif.
Sel Elektrolisis adalah sel yang menggunakan arus listrik untuk
menghasilkan reaksi redoks yang diinginkan dan digunakan secara luas di dalam
masyarakat kita. Baterai aki yang dapat diisi ulang merupakan salah satu contoh
aplikasi sel elektrolisis dalam kehidupan sehari-hari. Air, H2O, dapat diuraikan
dengan menggunakan listrik dalam sel elektrolisis. Proses ini akan mengurai air
menjadi unsur-unsur pembentuknya. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :
6
2 H2O(l) ——> 2 H2(g) + O2(g)
Rangkaian
sel
elektrolisis
hampir
menyerupai
sel
volta.
Yang
membedakan sel elektrolisis dari sel volta adalah pada sel elektrolisis, komponen
voltmeter diganti dengan sumber arus (umumnya baterai). Larutan atau lelehan
yang ingin dielektrolisis, ditempatkan dalam suatu wadah. Selanjutnya, elektroda
dicelupkan ke dalam larutan maupun lelehan elektrolit yang ingin dielektrolisis.
Elektroda yang digunakan umumnya merupakan elektroda inert, seperti Grafit
(C), Platina (Pt), dan Emas (Au).
Elektroda berperan sebagai tempat berlangsungnya reaksi. Reaksi reduksi
berlangsung di katoda, sedangkan reaksi oksidasi berlangsung di anoda. Kutub
negatif sumber arus mengarah pada katoda (sebab memerlukan elektron) dan
kutub positif sumber arus tentunya mengarah pada anoda. Akibatnya, katoda
bermuatan negatif dan menarik kation-kation yang akan tereduksi menjadi
endapan logam. Sebaliknya, anoda bermuatan positif dan menarik anion-anion
yang akan teroksidasi menjadi gas. Terlihat jelas bahwa tujuan elektrolisis adalah
untuk mendapatkan endapan logam di katoda dan gas di anoda.
Faktor yang mempengaruhi elektrolisis antara lain penggunaan katalisator,
luas permukaan tercelup, sifat logam bahan elektroda dan konsentrasi pereaksi.
a.
Penggunaan Katalisator
Senyawa-senyawa
seperti
asam,
basa
dan
garam
yang
dapat
menghantarkan arus listrik dapat digunakan dalam proses elektrolisis.
Adanya ion dalam larutan menyebabkan peristiwa konduksi dan ketika
arus listrik dilewatkan pada larutan tersebut, maka elektron akan bergerak
diantara ion-ion. Misalnya untuk asam H2SO4 dan basa NaOH berfungsi
mempermudah proses penguraian air menjadi hidrogen dan oksigen karena
ion-ion katalisator mampu mempengaruhi kesetabilan molekul air menjadi
menjadi ion H+ dan OH- yang lebih mudah di elektrolisis karena terjadi
penurunan energy pengaktifan.
Reaksi : Elektrolisis larutan H2SO4 dalam air :
Anoda : 2H2O(aq) → 4H+(aq) + O2(g) + 4e- (Oksidasi)
Katoda : 2H+(aq) + 2e- → H2(g) (Reduksi)
7
Reaksi Total : 2H2O(aq) →2H2(g)+ O2(g)
Reaksi : Elektrolisis larutan NaOH dalam air :
Katoda : 2H2O(l) + 2e- → 2OH–(aq) + H2(g)
Anoda : 4OH–(aq) → 2H2O(l) + O2(g) + 4e Reaksi Total : 2H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
b.
Luas permukaan tercelup
Semakin banyak luas yang semakin banyak menyentuh elektrolit maka
semakin mempermudah suatu elektrolit untuk mentransfer elektronnya.
Sehingga terjadi hubungan sebanding jika luasan yang tercelup sedikit
maka semakin mempersulit elektrolit untuk melepaskan electron
dikarenakan sedikitnya luas penampang penghantar yang menyentuh
elektrolit.
Sehingga
transfer
elektron
bekerja
lambat
dalam
mengelektrolisis elektrolit.
c.
Sifat logam bahan elektroda
Penggunaan medan listrik pada logam dapat menyebabkan seluruh
elektron bebas bergerak dalam metal, sejajar, dan berlawanan arah dengan
arah medan listrik. Ukuran dari kemampuan suatu bahan untuk
menghantarkan arus listrik. Jika suatu beda potensial listrik ditempatkan
pada ujung-ujung sebuah konduktor, muatan-muatan bergeraknya akan
berpindah, menghasilkan arus listrik. Konduktivitas listrik didefinisikan
sebagai ratio rapat arus terhadap kuat medan listrik. Konduktifitas listrik
dapat dilihat pada deret volta seperti, Li K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr
Fe Cd Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Pt Au. Semakin ke kanan maka
semakin besar massa jenisnya.
d.
Konsentrasi Pereaksi
Semakin besar konsentrasi suatu larutan pereaksi maka akan semakin
besar pula laju reaksinya. Ini dikarenakan dengan prosentase katalis yang
semakin tinggi dapat mereduksi hambatan pada elektrolit. Sehingga
transfer electron dapat lebih cepat meng-elektrolisis elektrolit dan didapat
ditarik garis lurus bahwa terjadi hubungan sebanding terhadap prosentase
katalis dengan transfer elektron.
8
2.3
Deret Volta
Deret elektrokimia atau deret Volta adalah urutan logam-logam (ditambah
hidrogen) berdasarkan kenaikan potensial elektrode standarnya. Umumnya deret
volta yang sering dipakai adalah :
semakin mudah teroksidasi
semakin mudah tereduksi
Li K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Pt Au
Pada Deret Volta, unsur logam dengan potensial elektrode lebih negatif
ditempatkan di bagian kiri, sedangkan unsur dengan potensial elektrode yang
lebih positif ditempatkan di bagian kanan.
Semakin ke kiri kedudukan suatu logam dalam deret tersebut, maka logam
semakin reaktif (semakin mudah melepas elektron) dan ogam merupakan reduktor
yang semakin kuat (semakin mudah mengalami oksidasi) Sebaliknya, semakin ke
kanan kedudukan suatu logam dalam deret tersebut, maka logam semakin kurang
reaktif (semakin sulit melepas elektron) dan logam merupakan oksidator yang
semakin kuat (semakin mudah mengalami reduksi).
Salah satu metode untuk mencegah korosi antara lain dengan
menghubungkan logam (misalnya besi) dengan logam yang letaknya lebih kiri
dari logam tersebut dalam deret volta (misalnya magnesium) sehingga logam yang
mempunyai potensial elektrode yang lebih negatif lah yang akan mengalami
oksidasi.
Metode pencegahan karat seperti ini disebut perlindungan katodik. Contoh
lain dari perlindungan katodik adalah pipa besi, tiang telepon, dan berbagai
barang lain yang dilapisi dengan zink, atau disebut Galvanisasi. Zink dapat
melindungi besi dari korosi sekalipun lapisannya tidak utuh. Oleh karena
potensial reduksi besi lebih positif daripada zink (posisinya dalam deret Volta
lebih ke kanan), maka besi yang kontak dengan zink akan membentuk sel
elektrokimia dengan besi sebagai katode. Dengan demikian besi terlindungi dan
zink yang mengalami oksidasi. Badan mobil-mobil baru pada umumnya telah
digalvanisasi, sehingga tahan karat.
9
Larutan garam suatu logam yang berada di bagian kiri dapat bereaksi
dengan logam yang berada di bagian kanan. Contohnya larutan FeCl3 (feri
chloride) boleh mengikis Cu (copper / tembaga).
Peralatan percobaan untuk menghasilkan listrik dengan memanfaatkan
energy redoks spontan disebut sel galvanic atau sel volta, diambil dari nama
ilmuwan Italia Luigi Galvani dan Alessandro Volta yang membuat versi awal dari
alat ini.
Sel volta adalah penataan bahan kimia dan penghantar listrik yang
memberikan aliran electron lewat rangkaian luar dari suatu zat kimia yang
teroksidasi ke zat kimia yang direduksi. Suatu sel galvani menghasilkan listrik
karena adanya perbedaan daya Tarik dua elektroda terhadap electron, sehingga
electron mengalir dari yang lemah ke yang kuat daya tariknya. Jika daya Tarik itu
disebut potensial elektroda, maka perbedaan potensial kedua elektroda disebut
potensial sel atau daya gerak listrik (DGL) sel dalam satuan volt (V). Prinsipprinsip sel volta :
1. Di dalam sel volta reaksi kimianya mengandung arus listrik, reaksi terjadi
secara spontan.
2. Terjadi perubahan dari energi kimia menjadi energi listrik.
3. Pada anode, terjadi reaksi oksidasi dan bermuatan negatif (-).
4. Pada katode, terjadi reaksi reduksi dan bermuatan positif (+).
Elektron mengalir dari anode menuju katode
2.4
Hukum Faraday
Michael Faraday (1791-1867), seorang ilmuwan jenius dari inggris
menyatakan bahwa:
1. Jika sebuah penghantar memotong garis-garis gaya dari suatu medan magnetik
(flux) yang konstan, maka pada penghantar tersebut akan timbul tegangan
induksi.
2. Perubahan flux medan magnetik didalam suatu rangkaian bahan penghantar,
akan menimbulkan tegangan induksi pada rangkaian tersebut.
10
Menurut pernyataan Micheal Faraday tersebut, hukum dasar listrik
menjelaskan tentang fenomena induksi elektromagnetik dan hubungan antara
perubahan flux dengan tegangan induksi yang ditimbulkan dalam suatu rangkaian,
aplikasi dari hukum ini adalah pada generator.
Hukum Faraday menyatakan hubungan antara jumlah listrik yang
digunakan dengan massa zat yang dihasilkan baik di katoda maupun anoda pada
proses elektrolisis. Bunyi Hukum Faraday I "Massa zat yang terbentuk pada
masing-masing elektroda sebanding dengan kuat arus listrik yang mengalir pada
elektrolisis tersebut" sementara Bunyi Hukum faraday II "Massa dari macammacam zat yang diendapkan pada masing-masing elektroda oleh sejumlah arus
listrik yang sama banyaknya akan sebanding dengan berat ekivalen masingmasing zat tersebut".
Faraday mengamati peristiwa elektrolisis melalui berbagai percobaan yang
dia lakukan. Dalam pengamatannya jika arus listrik searah dialirkan ke dalam
suatu larutan elektrolit, mengakibatkan perubahan kimia dalam larutan tersebut.
Sehingga Faraday menemukan hubungan antara massa yang dibebaskan atau
diendapkan dengan arus listrik. Hubungan ini dikenal dengan Hukum Faraday.
Menurut Faraday: Jumlah berat (massa) zat yang dihasilkan (diendapkan)
pada elektroda sebanding dengan jumlah muatan listrik (Coulumb) yang dialirkan
melalui larutan elektrolit tersebut. Massa zat yang dibebaskan atau diendapkan
oleh arus listrik sebanding dengan bobot ekivalen zat-zat tersebut. Dari dua
pernyataan diatas, disederhanakan menjadi persamaan:
M =
𝑒.𝑖.𝑡
𝐹
(Sumber : Elektrokimia dan Kinetika Kimia, 2001)
Dimana:
M = massa zat dalam gram
e = berat ekivalen dalam gram = berat atom : valensi
i = kuat arus dalam Ampere
t = waktu dalam detik
F = Faraday
11
Faraday menyimpulkan bahwa Satu faraday adalah jumlah listrik yang
diperlukan untuk menghasilkan satu ekivalen zat pada elektroda.
Muatan 1 elektron = 1,6 x 10-19 Coulomb
1 mol elektron = 6,023 x 1023 eletron
Muatan untuk 1 mol eletron = 6,023 . 1023 x 1,6 . 10 -19 = 96.500 Coulomb = 1
faraday.
2.5
Elektrolit
Elektrolit adalah senyawa yang dapat terdisosiasi ketika dilarutkan dalam
air membentuk ion (anion dan kation) dan bersifat menghantarkan listrik.
Elektrolit berasal dari bahasa Yunani yaitu lytós yang berarti lepas atau terpisah.
Senyawa-senyawa seperti asam, basa dan garam yang dapat menghantarkan arus
listrik karena proses disosiasi disebut dengan larutan elektrolit. Adanya ion dalam
larutan menyebabkan peristiwa konduksi dan ketika arus listrik dilewatkan pada
larutan tersebut, maka elektron akan bergerak diantara ion-ion.
Beberapa elektrolit seperti kalium klorida, natrium hidroksida, natrium
nitrat terionisasi sempurna menjadi ion-ionnya dalam larutan. Elektrolit yang
terioniasi sempurna disebut dengan elektrolit kuat. Dengan kata lain, elektrolit
kuat terionisasi 100%. Reaksi disosiasi elektrolit kuat ditulis dengan tanda anak
panah tunggal ke kanan. Secara umum asam kuat seperti asam sulfat, asam nitrat,
asam klorida, dan basa kuat seperti kalium hidroksida dan garam adalah elektrolit
kuat.
Pada umumnya proses elektrolisis yang dilakukan untuk menghasilkan gas
oksigen dan gas hidrogen menggunakan larutan alkali. Larutan alkali yang umum
digunakan adalah larutan NaOH dan KOH. Larutan tersebut merupakan elektrolit
kuat yang dapat menghantarkan arus listrik dengan baik. Secara teoritis,
pemberian potensial energi lebih dari 5V akan menghasilkan gas oksigen, gas
hidrogen dan logam kalium.
12
Tabel 1. Sifat Daya Hantar Listrik Elektrolit dalam Larutan
Contoh
Sifat dan Pengamatan lain
Reaksi Ionisasi
Senyawa
NaCl → Na+ +
- Terionisasi Sempurna
Cl- Menghantarkan Arus
NaOH→Na+ +
NaCl, NaOH,
Elektrolit
listrik
OHH2SO4, HCL,
Kuat
- Lampu menyala terang
H2SO4 → H+ +
dan KCL
- Terdapat gelembung
SO42gas
HCl → H+ + ClKCl → K+ + Cl- Terionisasi sebagian
Elektrolit
- Menghantarkan arus
CH3COOH →
Lemah
CH3COOH,
listrik
H+ + CH3COOHN4OH, HCN
- Lampu menyala redup
HCN→ H+ + CNdan Al(OH)3
- Terdapat gelembung
Al(OH)3 →
gas
Al3+ +OHJenis
Larutan
Non
Elektrolit
-
Tidak Terionisasi
Tidak menghantarkan
arus listrik
Lampu tidak menyala
- Tidak terdapat
gelembung gas
C6H12O6
C12H22O11
CO ( NH2 ) 2
C2H5OH
C6H12O6
C12H22O11
CO(NH2) 2
C2H5OH
(Sumber : https://id.wikipedia.org/wiki/Elektrolit, 2016, diakses pada 19 April 2016)
2.6
Elektroda
Elektroda adalah konduktor yang digunakan untuk bersentuhan dengan
bagian atau media non-logam dari sebuah sirkuit (misal semikonduktor, elektrolit
atau vakum). Elektroda adalah suatu sistem dua fase yang terdiri dari sebuah
penghantar elektrolit (misalnya logam) dan sebuah penghantar ionik (larutan).
Elektroda positif (+) disebut anoda sedangkan elektroda negatif (-) adalah katoda.
Reaksi kimia yang terjadi pada elektroda selama terjadinya konduksi listrik
disebut elektrolisis dan alat yang digunakan untuk reaksi ini disebut sel
elektrolisis. Sel elektrolisis memerlukan energi untuk memompa elektron.
Pada beberapa perangkat elektroda juga disebut kutub atau pelat. Elektroda
baterai dipisahkan oleh larutan yang mengandung ion-ion (atom atau kelompok
atom bermuatan listrik). Salah satu elektroda (elektroda negatif) mengalami reaksi
kimia yang memberikan kelebihan elektron. Elektroda lainnya (elektroda positif)
13
mengalami reaksi kimia yang menghilangkan elektron. Ketika dua elektroda
dihubungkan oleh sebuah sirkuit listrik eksternal, kelebihan elektron akan
mengalir dari elektroda negatif ke positif.
Elektroda dalam sel elektrokimia dapat disebut sebagai anode atau katode,
kata-kata yang juga diciptakan oleh Faraday. Anode ini didefinisikan sebagai
elektroda di mana elektron datang dari sel elektrokimia dan oksidasi terjadi, dan
katode didefinisikan sebagai elektroda di mana elektron memasuki sel
elektrokimia dan reduksi terjadi. Setiap elektroda dapat menjadi sebuah anode
atau katode tergantung dari tegangan listrik yang diberikan ke sel elektrokimia
tersebut. Elektroda bipolar adalah elektroda yang berfungsi sebagai anode dari
sebuah sel elektrokimia dan katode bagi sel elektrokimia lainnya.
Pada anoda terjadi reaksi oksidasi, yaitu anion (ion negatif) ditarik oleh
anoda sehingga jumlah elektronnya berkurang atau bilangan oksidasinya
bertambah. Pada katoda terjadi reaksi reduksi, yaitu kation (ion positif) ditarik
oleh katoda dan menerima tambahan elektron, sehingga bilangan oksidasinya
berkurang. Jika elektroda inert (Pt, C, dan Au), ada 3 macam reaksi:
1. Jika anionnya sisa asam oksi (misalnya NO3-, SO42-), maka reaksinya 2H2O →
4H+ + O2 + 4 e
2. Jika anionnya OH-, maka reaksinya 4 OH- → 2H2O + O2 + 4 e
3. Jika anionnya berupa halida (F-, Cl-, Br-), maka reaksinya adalah 2X (halida)
→ X (halida)2 + 2 e
Pada katoda terjadi reaksi reduksi, yaitu kation (ion positif) ditarik oleh
katoda dan menerima tambahan elektron, sehingga bilangan oksidasinya
berkurang.
1.
Jika kation merupakan logam golongan IA (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), IIA (Be,
Mg, Cr, Sr, Ba, Ra), Al, dan Mn, maka reaksi yang terjadi adalah 2H2O + 2e
→ H2 + 2 OH-
2.
Jika kationnya berupa H+, maka reaksinya 2H+ + 2e → H2
3.
Jika kation berupa logam lain, maka reaksinya (nama logam)x+ + xe → (nama
logam)
14
Tabel 2. Nilai Potensial Reduksi Standar Beberapa Elektroda
Kopel (oks/red)
Li+/Li
K+/K
Ca2+/Ca
Na+/Na
Mg2+/Mg
Al3+/Al
Zn2+/Zn
Fe2+/Fe
PbSO4/Pb
Co2+/Co
Ni2+/Ni
Sn2+/Sn
Pb2+/Pb
D+/D2
H+/H2
Sn4+/Sn2+
Cu2+/Cu
I2/IO2/H2O2
Fe3+/Fe2+
Hg22+/Hg
Ag+/Ag
NO3-/N2O4
NO3-/NO
Br2/Br
O2/H2O
Cr2O72-/Cr3+
Cl2/ClPbO2/Pb2+
Au3+/Au
MnO4-/Mn2+
HClO/CO2
PbO2/PbSO4
H2O2/H2O
F2/F
Reaksi katoda (reduksi)
Li+ + e-  Li
K+ + e-  K
Ca2+ + 2e-  Ca
Na+ + e-  Na
Mg2+ + 2e-  Mg
Al3+ + 3e-  Al
Zn2+ + 2e- Zn
Fe2+ + 2e- Fe
PbSO4 + 2e- Pb + 2SO4
Co2+ + 2e- Co
Ni2+ + 2e-  Ni
Sn2+ + 2e-  Sn
Pb2+ + 2e-  Pb
2D+ + 2e- D2
2H+ + 2e- H2
Sn4+ + 2e-  Sn2+
Cu2+ + 2e-Cu
I2 + 2e- 2IO2 + 2H+ + 2e- H2O2
Fe3+ + e- Fe2+
Hg2 2+ + 2e-  2Hg
Ag+ + e- Ag
2NO3- + 4H+ + 2e-N2O4
+ 2H2O
NO3 -+ 4H+ + 3e- NO
+ 2H2O
Br2 + 2e- 2Br
O2 + 4H+ + 4e- 2H2O
Cr2O72- + 14H+ + 6e2Cr3+ + 7H2O
Cl2 + 2e-  2ClPbO2 + 4H+ + 2e- Pb2+
+ H2O
Au3+ + 3e- Au
MnO4- + 8H+ + 5e- 
Mn2+ + 4H2O
2HClO + 2H+ + 2e-Cl2
+ 2H2O
PbO2 + SO42- + 4H+ +2e PbSO4 + 2H2O
H2O2 + 2H+ + 2e-
2H2O
F2 + 2e- 2F
(Sumber : Perpustakaan Cyber, 2013)
E°, Potensial reduksi, volt
(elektroda hidrogen standar = 0)
-3,04
-2,92
-2,87
-2,71
-2,37
-1,66
-0,76
-0,44
-0,36
-0,28
-0,25
-0,14
-0,13
-0,003
0,000
+0,15
+0,34
+0,54
+0,68
+0,77
+0,79
+0,80
+0,80
+0,96
+1,07
+1,23
+1,33
+1,36
+1,46
+1,50
+1,51
+1,63
+1,68
+1,78
+2,87
15
2.6.1
Elektroda Stainlses Steel
Stainless steel merupakan salah satu keluarga logam dari keluarga besar
logam ferro dari klasifikasi logam baja (Fe+C = Fe3C) dan dari klasifikasi logam
baja paduan tinggi (high alloy) yang unsur paduan di atas 8-10 %.Sedangkan
stainless steel memiliki unsur paduan utamanya adalah Chromium (Cr) dan Nickel
(Ni) sebagian. Terdapat 5 pembagian dari jenis stainless steel yaitu:
-
Austenitic Stainless Steels
-
Ferritic Stainless Steels
-
Martensitic Stainless Steels
-
Duplex Stainless Steels
-
Precipitation Hardening Stainless Steels
Meskipun semua stainless steel tergantung pada presentase unsur chrome
(sebagian besar) dan nickel, elemen paduan lainnya juga sering di tambahkan
untuk meningkatkan sifat-sifat stainless steel tersebut menjadi lebih baik lagi.
Kategori stainless steel tidak seperti pada logam-logam alamiah pada umumnya
struktur kirstal yang berubah-ubah pada suhu kamar (stabil) tergantung presentase
unsur chrome dan nickel.
Elektroda berbahan stainless steel dapat dibuat dengan berbagai macam
bentuk menjadi lempeng, spiral, dan pipa silinder yang memiliki dua sisi yang
berbeda (mengkilap dan tidak). Stainless steel merupakan elektroda aktif, dimana
mereka akan ikut bereaksi selama proses elektrolisis berlangsung. Oleh sebab itu,
lama kelamaan elektroda ini akan mengalami penurunan aktivitasnya. Ini berarti
bahwa kemampuan untuk mempercepat reaksi tertentu telah berkurang. Hal ini
terbukti, semakin lama elektroda digunakan kemampuan menghasilkan gas
semakin rendah, karena permukaan elektroda semakin lama semakin berubah
warna dan perlahan tergerus. Elektroda spiral mengalami perubahan yang lebih
cepat dari bentuk elektroda lempeng dan pipa silinder, karena pada elektroda
spiral suhu yang terbentuk pada konsentrasi yang sama lebih cepat meningkat dari
pada elektroda yang lain. Kerja yang dilakukan elektroda spiral lebih besar,
sehingga permukaan elektroda lebih cepat mengalami perubahan warna pada
bagian anoda.
16
Elektroda pipa silinder lebih banyak menghasilkan gas brown daripada
bentuk spiral dan lempeng. Hal ini disebabkan oleh jarak antar elektroda. Luas
permukaan yang sama akan menghasilkan volume gas yang sama karena adsorbsi
pereaksi di permukaan mengalami kesetimbangan yang sama pada konversi mol
per vol menjadi mol per cm2, dengan luasan yang sama distribusi pereaksi di
permukaan juga sama. Tetapi jarak antar elektroda mempengaruhi proses transfer
elektron, semakin dekat jarak antar elektroda maka besar hambatan pergerakan
elektron bernilai kecil begitu pula sebaliknya. Elektroda spiral memiliki jarak
elektroda yang lebih kecil dari elektroda pipa silinder. Akan tetapi elektroda pipa
silinder menghasilkan volume yang lebih besar. Hal ini disebabkan posisi pereaksi
pada permukaan, dengan bentuk spiral posisi pereaksi yang teradsobsi pada
permukaan tidak sejajar atau tidak banyak yang berdampingan, sehingga hal
tersebut menyebabkan tidak banyak gas yang terbentuk karena reaksi tidak dapat
berlangsung. Oleh karena itu dalam penelitian dipilih bentuk pipa silinder untuk
elektroda yang digunakan.
Gambar 2. Pipa Stainless Steel
(Sumber : Surya, 2013, http://www.suryalogam.com, diakses pada 20 Maret 2016)
2.7
Air
Air adalah zat cair yang tidak mempunyai rasa, warna dan bau, yang terdiri
dari hidrogen dan oksigen dengan rumus kimiawi H2O. Karena air merupakan
suatu larutan yang hampir-hampir bersifat universal, maka zat-zat yang paling
alamiah maupun buatan manusia hingga tingkat tertentu terlarut di dalamnya.
17
Dengan demikian, air di dalam mengandung zat-zat terlarut. Zat-zat ini sering
disebut pencemar yang terdapat dalam air (Linsley, 1991).
Sifat air yang penting dapat digolongkan ke dalam sifat fisis, kimiawi, dan
biologis. Sifat kimia dari air yaitu mempunyai pH=7 dan oksigen terlarut jenuh
pada 9 mg/L. Air merupakan pelarut yang universal, hampir semua jenis zat dapat
larut di dalam air. Air juga merupakan cairan biologis, yakni didapat di dalam
tubuh semua organisme. Sifat biologis dari air yaitu di dalam perairan selalu
didapat kehidupan, fauna dan flora. Benda hidup ini berpengaruh timbal balik
terhadap kualitas air (Slamet, 2002).
Zat kimia ini merupakan suatu pelarut yang penting, yang memiliki
kemampuan untuk melarutkan banyak zat kimia lainnya, seperti garam-garam,
gula, asam, beberapa jenis gas dan banyak macam molekul organik.
Rumus Molekul
Massa Molar
Volume Molar
Kerapatan Pada Fasa
Titik Leleh
Titik Didih
Titik Beku
Kalor Jenis
Tekanan Uap
Kapasitas Kalor
Viskositas
Konduktivitas Panas
Tabel 3. Ketetapan Fisik Air
Air
H2O
18,02 g/mol
55,5 mol/L
1000 kg/m3 liquid,
997 kg/m3 solid
0C (273 K) (32F)
100C (373 K) (212F)
0C pada 1 atm
4186 J/kg.K
0,0212 atm pada 20C
4,22 kJ/kg.K
1,002 centipoise pada 20C
0,60 W m-1 K-1 (T=273 K)
(Sumber : Soja Siti Fatimah, 1993)
2.8
Hidrogen
Hidrogen adalah unsur kimia terkecil karena hanya terdiri dari satu proton
dalam intinya. Simbol hidrogen adalah H, dan nomor atom hidrogen adalah 1.
Memiliki berat atom rata-rata 1,0079 amu, sehingga menjadikannya gas paling
ringan diantara gas lainnya.
18
Hidrogen adalah zat kimia yang paling berlimpah di alam semesta,
terutama di bintang-bintang dan planet-planet gas raksasa. Namun, hidrogen
merupakan elemen monoatomik, hidrogen jarang terdapat di Bumi karena
kecenderungan untuk membentuk ikatan kovalen dengan kebanyakan unsur.
Pada suhu dan tekanan standar, hidrogen adalah beracun, bukan logam,
tidak berbau, tidak berasa, tidak berwarna, dan sangat mudah terbakar. Hidrogen
adalah gas diatomik dengan rumus molekul H2. Hidrogen juga lazim di Bumi
dalam bentuk senyawa kimia seperti hidrokarbon dan air.
Hidrogen memiliki titik leleh -259,14°C dan titik didih -252,87°C.
Hidrogen memiliki kepadatan 0,08988 g/L, sehingga kurang padat daripada udara.
Gas hidrogen (H2) sangat mudah terbakar dan akan terbakar di udara pada rentang
yang sangat luas dari konsentrasi antara volume 4 persen dan 75 persen. Entalpi
pembakaran hidrogen adalah -286 kJ/mol, dan dijelaskan oleh persamaan:
2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) + 572 kJ
Hf = (286kJ/mol)
Gas hidrogen juga dapat meledak dalam campuran klorin (5-95 persen).
Campuran ini dapat meledak dalam menanggapi percikan, panas, atau bahkan
sinar matahari. Suhu hidrogen autosulutan (suhu di mana pembakaran spontan
akan terjadi) adalah 500°C. Api murni hidrogen -oksigen memancarkan cahaya
ultraviolet dan tidak terlihat dengan mata telanjang. Dengan demikian, deteksi
dari kebocoran hidrogen yang terbakar berbahaya dan membutuhkan detektor api.
Karena hidrogen mengapung di udara, api hidrogen cepat hilang dan tidak
menyebabkan kerusakan yang lebih parah dari kebakaran hidrokarbon. H2
bereaksi elemen dengan oksidasi, yang pada gilirannya bereaksi secara spontan
dan keras dengan klorin dan fluorin untuk membentuk hidrogen halida yang
sesuai.
H2 tidak membentuk senyawa meskipun dengan unsur-unsur yang paling
stabil. Ketika berpartisipasi dalam reaksi, hidrogen dapat memiliki muatan positif
parsial ketika bereaksi dengan unsur-unsur yang lebih elektronegatif seperti
halogen atau oksigen, tetapi dapat memiliki muatan negatif parsial ketika bereaksi
dengan unsur-unsur yang lebih elektropositif seperti logam alkali. Ketika hidrogen
berikatan dengan fluorin, oksigen, atau nitrogen, dapat berpartisipasi dalam
19
bentuk media nonkovalen (antarmolekul) ikatan yang disebut ikatan hidrogen,
yang sangat penting untuk stabilitas banyak molekul biologis. Senyawa yang
memiliki ikatan hidrogen dengan logam dan metaloid dikenal sebagai hidrida.
Oksidasi hidrogen menghilangkan elektron dan menghasilkan ion H+.
Seringkali, H+ yang terdapat dalam larutan air disebut sebagai ion hidronium
(H3O). Jenis ini sangat penting dalam kimia asam basa.
2.9
Bahan Penyekat
Bahan penyekat digunakan untuk memisahkan bagian-bagian yang
bertegangan. Untuk itu pemakaian bahan penyekat perlu mempertimbangkan sifat
kelistrikanya. Di samping itu juga perlu mempertimbangkan sifat termal, sifat
mekanis, dan sifat kimia. Sifat kelistrikan mencakup resistivitas, permitivitas, dan
kerugian dielektrik. Penyekat membutuhkan bahan yang mempunyai resistivitas
yang besar agar arus yang bocor sekecil mungkin (dapat diabaikan). Yang perlu
diperhatikan di sini adalah bahwa bahan isolasi yang higroskopis hendaknya
dipertimbangkan penggunaannya pada tempat-tempat yang lembab karena
resistivitasnya akan turun. Resistivitas juga akan turun jika tegangan yang
diberikan naik.
Besarnya kapasitansi bahan isolasi yang berfungsi sebagai dielektrik
ditentukan oleh permitivitasnya, di samping jarak dan luas permukaannya.
Besarnya permitivitas udara adalah 1,00059, sedangkan untuk zat padat dan zat
cair selalu lebih besar dari itu. Apabila bahan isolasi diberi tegangan bolak-balik
maka akan terdapat energi yang diserap oleh bahan tersebut. Besarnya kerugian
energi yang diserap bahan isolasi tersebut berbanding lurus dengan tegangan,
frekuensi, kapasitansi, dan sudut kerugian dielektrik. Sudut tersebut terletak antara
arus kapasitif dan arus total (Ic + Ir).
Suhu juga berpengaruh terhadap kekuatan mekanis, kekerasan, viskositas,
ketahanan terhadap pengaruh kimia dan sebagainya. Bahan isolasi dapat rusak
diakibatkan oleh panas pada kurun waktu tertentu. Waktu tersebut disebut umur
panas bahan isolasi.Sedangakan kemampuan bahan menahan suhu tertentu tanpa
terjadi kerusakan disebut ketahanan panas. Menurut IEC (International
20
Electrotechnical Commission) didasarkan atas batas suhu kerja bahan, bahan
isolasi yang digunakan pada suhu di bawah nol (missal pada pesawat terbang,
pegunungan) perlu juga diperhitungkan karena pada suhu di bawah nol bahan
isolasi akan menjadi keras dan regas. Pada mesin-mesin listrik, kenaikan suhu
pada penghantar dipengaruhi oleh resistansi panas bahan isolasi.Bahan isolasi
tersebut hendaknya mampu meneruskan panas yang didesipasikan oleh
penghantar atau rangkaian magnetik ke udara sekelilingnya.
Kemampuan
permeabilitas
uap,
larut
bahan
pengaruh
isolasi,
tropis,
dan
resistansi
resistansi
kimia,
radio
higroskopis,
aktif
perlu
dipertimbangkan pada penggunaan tertentu. Kemampuan larut diperlukan dalam
menentukan macam bahan pelarut untuk suatu bahan dan dalam menguji
kemampuan bahan isolasi terhadap cairan tertentu selama diimpregnasi atau
dalam pemakaian. Kemampuan larut bahan padat dapat dihitung berdasarkan
banyaknya bagian permukaan bahan yang dapat larut setiap satuan waktu jika
diberi bahan pelarut. Umumnya kemampuan larut bahan akan bertambah jika
suhu dinaikkan.
Ketahanan terhadap korosi akibat gas, air, asam, basa, dan garam bahan
isolasi juga nervariasi antara satu pemakaian bahan isolasi di daerah yang
konsentrasi kimianya aktif, instalasi tegangan tinggi, dan suhu di atas normal. Uap
air dapat memperkecil daya isolasi bahan.Karena bahan isolasi juga mempunyai
sifat higroskopis maka selama penyimpanan atau pemakaian diusahakan agar
tidak terjadi penyerapan uap air oleh bahan isolasi, dengan memberikan bahan
penyerap uap air, yaitu senyawa P2O5 atau CaC12. Bahan yang molekulnya berisi
kelompok hidroksil (OH) higrokopisitasnya relative besar dibanding bahan
parafin dan polietilin yang tidak dapat menyerap uap air. Bahan isolasi hendaknya
juga mempunyai permeabilitas uap (kemampuan untuk dilewati uap) yang besar,
khususnya bagi bahan yang digunakan untuk isolasi kabel dan rumah kapasitor.
Di daerah tropis basah dimungkinkan tumbuhnya jamur dan serangga.Suhu yang
tinggi disertai kelembaban dalam waktu lama dapat menyebabkan turunnya
kemampuan isolasi. Oleh karena bahan isolasi hendaknya dipisi bahan anti jamur
(paranitro phenol, dan pentha chloro phenol).
21
Pemakaian bahan isolasi sering dipengaruhi bermacam-macam energi
radiasi yang dapat berpengaruh dan mengubah sifat bahan isolasi. Radiasi sinar
matahari mempengaruhi umur bahan, khususnya jika bersinggungan dengan
oksigen. Sinar ultra violet dapat merusak beberapa bahan organic. T yaitu
kekuatan mekanik elastisitas. Sinar X sinar-sinar dari reactor nuklir, partikelpartikel radio isotop juga mempengaruhi kemampuan bahan isolasi. Sifat mekanis
bahan yang meliputi kekuatan tarik, modulus elastisitas, dan derajat kekerasan
bahan isolasi juga menjadi pertimbangan dalam memilih suatu jenis bahan isolasi.
2.9.1
Pembagian Kelas Bahan Penyekat
Bahan penyekat listrik dapat dibagi atas beberapa kelas berdasarkan suhu
kerja maksimum, yaitu sebagai berikut:
1.
Kelas Y, suhu kerja maksimum 90°C yang termasuk dalam kelas ini
adalah bahan berserat organis (seperti katun, sutera alam, wol sintetis,
rayon serat poliamid, kertas, prespan, kayu, poliakrilat, polietilen,
polivinil, karet, dan sebagainya) yang tidak dicelup dalam bahan pernis
atau bahan pencelup lainnya. Termasuk juga bahan termoplastik yang
dapat lunak pada suhu rendah.
2.
Kelas A, suhu kerja maksimum 150°C, yaitu bahan berserat dari kelas Y
yang telah dicelup dalam pernis aspal atau kompon, minyak trafo, email
yang dicampur dengan vernis dan poliamil atau yang terendam dalam
cairan dielektrikum (seperti penyekat fiber pada transformator yang
terendam minyak). Bahan -bahan ini adalah katun, sutera, dan kertas yang
telah dicelup, termasuk kawat email (enamel) yang terlapis damar-oleo dan
damar-polyamide.
3.
Kelas E, suhu kerja maksimum 120°C yaitu bahan penyekat kawat enamel
yang memakai bahan pengikat polyvinylformal, polyurethene dan damar
epoxy dan bahan pengikat lain sejenis dengan bahan selulosa, pertinaks
dan tekstolit, film triacetate, film dan serat polyethylene terephthalate.
4.
Kelas B, suhu kerja maksimum 130°C yaitu Yaitu bahan non-organik
(seperti : mika, gelas, fiber, asbes) yang dicelup atau direkat menjadi satu
22
dengan pernis atau kompon, dan biasanya tahan panas (dengan dasar
minyak pengering, bitumin sirlak, bakelit, dan sebagainya).
5.
Kelas F, suhu kerja maksimum 155°C. Bahan bukan organik dicelup atau
direkat menjadi satu dengan epoksi, poliurethan, atau vernis yang tahan
panas tinggi.
6.
Kelas H, suhu kerja maksimum 180°C. Semua bahan komposisi dengan
bahan dasar mika, asbes dan gelas fiber yang dicelup dalam silikon tanpa
campuran bahan berserat (kertas, katun, dan sebagainya). Dalam kelas ini
termasuk juga karet silikon dan email kawat poliamid murni.
7.
Kelas C, suhu kerja diatas 180°C. Bahan anorganik yang tidak dicelup dan
tidak terikat dengan substansi organic, misalnya mika, mikanit yang tahan
panas (menggunakan bahan pengikat anorganik), mikaleks, gelas, dan
bahan keramik. Hanya satu bahan organik saja yang termasuk kelas C
yaitu politetra fluoroetilen (Teflon).
2.9.2 Macam-macam bahan penyekat
1.
Bahan penyekat bentuk padat, bahan listrik ini dapat dikelompokkan
menjadi beberapa macam, diantaranya yaitu: bahan tambang, bahan
berserat, gelas, keramik, plastik, karet, ebonit dan bakelit, dan bahanbahan lain yang dipadatkan.
2.
Bahan penyekat bentuk cair, jenis penyekat ini yang banyak digunakan
pada teknik listrik adalah air, minyak transformator, dan minyak kabel.
3.
Bahan penyekat bentuk gas, yang sering digunakan untuk keperluan teknik
listrik diantaranya : udara, nitrogen, hidrogen, dan karbondioksida.
Bahan penyekat yang digunakan pada proses elektrolisis adalah salah satu
bahan penyekat kelas Y yaitu jenis kain katun. Kain serat kapas juga disebut serat
katun, dahulu sudah dikenal kira-kira 5000 tahun SM. Menurut para ahli, India
adalah negara tertua yang menggunakan kapas. Katun merupakan suatu bahan
yang tidak tetap, sehingga sulit untuk di ketahui sifat penampilanya. Kain katun
adalah yang paling murah dari bahan serat alami lainnya. Dahulu ada suatu
pemikiran bagi pabrik-pabrik tekstil untuk mencampur bahan katun dengan
23
poliester, hal itu akan memberikan suatu bahan yang memiliki tampilan serupa
katun dengan perbaikan daya lentingnya. Karena ada kandungan sintetisnya, maka
akan berpengaruh juga terhadap pemilihan jenis benang jahit, serta temperatur
setrika, dan tetu saja cara pemeliharaan/ pencuciannya (Goet Poespo, 2005:69).
Kain katun memiliki sifat-sifat menguntungkan adalah sifat yang kuat
dalam keadaan basah bertambah 25%, dapat menyerap air (higroskopis), tahan
panas setrika tinggi, dan tahan obat-obat kelantang. Disamping sifatnya yang
menguntungkan diatas terdapat sifat yang kurang menguntungkan yaitu katun
tidak tahan terhadap asam mineral dan asam organik (walaupun asam organik
sering digunakan untuk memperidah tenunan), katun kurang kenyal yang
menyebabkan mudah kusut, dan katun dapat susut saat dicuci, kain katun harus
disimpan dalam keadaan kering atau di tempat yang tidak lembab (Ernawati,
Izwerni dan Weni Nelmira (2008:157).
Menurut Goet Poespo (2005:76), kain katun memiliki sifat kuat (bahkan
ketika basah masih menyerap), menarik panas tubuh, kusut, susut atau mengerut
(kecuali ditangani dengan baik), rusak oleh matahari, keringat dan lapuk.
Gambar 3. Ukuran Pori Bahan Penyekat Kain Katun
(Sumber : LPPT UGM, 2016)
24
2.10
Energi dan Daya Listrik
2.10.1 Hukum Joule
Joule menentukan bahwa sejumlah kerja tertentu yang dilakukan selalu
ekivalen dengan sejumlah masukan kalor tertentu. 1 kalori (kal) ternyata ekivalen
dengan 4,186 joule (J). Nilai ini dikenal sebagai tata kalor mekanik.
4,186 J = 1 kal
4.186 × 103J = 1 kkal
Dari percobaan Joule, kalor diinterpretasikan bukan sebagai zat, dan
bahkan bukan sebagai bentuk energi. Kalor merupakan ―transfer energi― yang
berarti ketika kalor mengalir dari benda panas ke yang lebih dingin, energilah
yang yang ditransfer dari yang panas ke yang dingin. Jadi dapat disimpulkan
bahwa kalor adalah energi yang ditransfer dari satu benda ke yang lainnya karena
adanya perbedaan temperatur. (Giancoli, 2001)
Sedangkan hukum joule sendiri adalah daya listrik yang hilang sebagai
kalor, akibat arus listrik yang mengalir dalam hambatan adalah berbanding lurus
dengan kuadrat kuat arus dan hambatannya. Dan hukum ini dikemukakan oleh
James Prescott Joule (1840). Dan juga
hukum kalor menuliskan bagaimana
tenaga listrik diubah ke dalam tenaga termal. Di dalam hukum Joule beda
potensial adalah kerja yang dibutuhkan untuk memindahkan satu satuan dalam
medan. Misalnya saja pada suatu rangkaian, akibat adanya beda potensial V,
timbul I. Maka pada setiap detiknya akan ada 1 coloumb yang dipindahkan dan
ada V.I Joule kerja yang dibutuhkan. Jadi dapat dituliskan persamaan rumusnya
adalah :
P = V.I
Panas dapat ditimbulkan berasal dari E yang mempercepat pergerakkan
elektron, kemudian terjadi tabrakan yang dapat menyebabkan elektron akan
kehilangan energinya ke dalam bagian-bagian bahan dan akibatnya temperatur
bahan akan naik. Dan juga energi yang hilang di kawat oleh arus I selama t detik.
Jadi secara matematis dapat didapat persaan rumus :
W = V.I.t
Dimana :
25
W = Energi Listrik (Joule)
V = Tegangan (Volt)
I = Arus Listrik (Ampere)
t = Waktu (sekon)
P = Daya (Watt)
2.10.2 Efisiensi Elektrolisis
Pada penelitian ini untuk menghitung efisiensidari suatu elektroliser dapat
dihitung dengan persamaan berikut :
Efisiensi=
Energi teoritis yang digunakan untuk elektrolisis
Energi aktual yang dibutuhkan
x 100%
(Sumber : Elektrokimia dan Kinetika Kimia, 2001)