bab ii tinjauan pustaka

 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Elektrokimia
Elektrokimia adalah suatu peristiwa kimia yang berhubungan dengan energi
listrik.
Elektrokimia didefinisikan pula sebagai reaksi kimia yang melibatkan
adanya transfer elektron antara elektroda dengan larutan elektrolit lingkungan.
Elektrolit umumnya merupakan larutan aqueous, tetapi elektrolit dapat juga
berupa polimer padat, oksida atau lelehan garam. Misalnya : larutan perak nitrat,
seng sulfat. (Agustinus Ngatin,2010)
Prinsip dasar reaksi pada elektrokimia adalah reaksi reduksi oksidasi
(redoks) dan reaksi tersebut terjadi pada suatu sistem sel elektrokimia. Ada dua
jenis sel elektrokimia yaitu galvanis dan sel elektrolisis.
a. Sel galvani adalah suatu sel yang membebaskan energi listrik dari reaksi kimia
dan reaksi berlangsung secara spontan. Contohnya : reaksi korosi.
Pada sel galvanis katoda berfungsi sebagai penghantar listrik sehingga
berkutub positif. Proses aliran elektron terjadi dari elektroda negatif ke
elektroda positif dengan melewati media elektrolit yang berfungsi sebagai
penghantar arus listrik sehingga reaksi yang terjadi adalah spontan.
b. Sel elektrolit adalah suatu sel yang reaksinya terjadi akibat adanya arus listrik
searah. Contohnya elektrolisis air, elektroplating.
Pada sel elektrolisis elektroda yang berfungsi penghantar listrik adalah anoda
sehingga terjadi suatu pelarutan material anoda menghasilkan kation logam
(M+). Elektrolisis air merupakan reaksi samping yang menghasilkan gas
hidrogen pada katoda dan gas oksigen pada anoda. (Purwanto, 2005)
Pada sel elektrokimia dilengkapi dengan dua elektroda :
a. Anoda (reaksi oksidasi)
Anoda adalah elektroda tempat terjadi reaksi oksidasi yang ditandai
dengan pelepasan elektron. Misalnya Zn → Zn2+ + 2e-
6
Laporan Tugas Akhir
Pengaruh logam tembaga dalam penyisihan logam nikel
dari larutannya dengan menggunakan metode elektrodeposisi
b. Katoda (reaksi reduksi)
Katoda adalah suatu elektroda tempat terjadinya reaksi reduksi, yang
ditandai dengan penangkapan elektron. Misalnya Zn2+ + 2e- → Zn
(Agustinus Ngatin,2010)
2.2
Elektroplating
Elektroplating adalah proses pelapisan logam dengan menggunakan bantuan
arus listrik dan senyawa kimia tertentu guna memindahkan partikel logam pelapis
ke material yang hendak dilapis.
Anoda adalah terminal positif, dihubungkan dengan kutub positif dari
sumber arus listrik. Anoda dalam larutan elektrolit ada yang larut dan ada yang
tidak. Anoda yang tidak larut berfungsi sebagai penghantar arus listrik saja,
sedangkan anoda yang larut berfungsi selain penghantar arus listrik, juga sebagai
bahan baku pelapis.
Katoda dapat diartikan sebagai benda kerja yang akan dilapisi, dihubungkan
dengan
kutub
negatif
dari
sumber
arus
listrik.
Elektrolit
berupa
larutan yang molekulnya dapat larut dalam air dan terurai menjadi partikelpartikel yang bermuatan positif atau negatif. (www.scribd.com)
Berikut ini adalah gambar hubungan antara katoda, anoda dan larutan
elektrolit dalam proses elektroplating.
Gambar 2.1 Anoda, Katoda, dan Elektrolit
Pada dasarnya elektroplating dilakukan dengan maksud memberi
perlindungan terhadap bahaya korosi, membentuk sifat keras permukaan, dan sifat
Bab II Tinjauan Pustaka
7
Laporan Tugas Akhir
Pengaruh logam tembaga dalam penyisihan logam nikel
dari larutannya dengan menggunakan metode elektrodeposisi
teknis atau mekanis tertentu, terhadap logam dasar. Di dunia industri, bukan
hanya
kekuatan produk yang diinginkan pasar, tetapi penampilan logam yang
menarik akan sangat membantu terhadap keberhasilan produk di pasaran. Dengan
kata lain, suatu produk pelapisan logam membutuhkan hasil dengan penampilan
yang baik, misalnya dikaitkan dengan penampilan produk yang bagus, mengkilat
dan cemerlang. ( Sudigdo dkk, 2009)
2.3
Elektrodeposisi
Metode elektrodeposisi sudah banyak diaplikasikan dalam rekayasa bahan-
bahan modern, seperti aplikasi pada keramik anti-karat dan anti-sobek,
superkonduktor dan dapat digunakan untuk sintesis material nano. Ada beberapa
aspek yang yang perlu diperhatikan dalam metode elektrodeposisi, yaitu:
1. Pemilihan solven. Solven yang dipilih adalah solven yang dapat melarutkan
garam anorganik dan aditif organik.
2. Faktor-faktor fisik kimia lain, seperti pH, konsentrasi larutan dan garam
logam, arus, tegangan dan waktu. (http://nikisami.blogspot.com)
Elektrodeposisi merupakan proses pengendapan logam pada elektroda
dengan memanfaatkan reaksi elektrokimia. Arus listrik dialirkan ke anoda inert
melalui elektrolit yang mengandung ion logam, sehingga logam tersebut
mengendap dalam bentuk murninya di katoda (Gambar 2.2). Pada proses, anoda
bertindak sebagai elektroda positif (menerima ion negatif) dan katoda bertindak
sebagai elektroda negatif (menerima ion positif) sehingga merupakan kebalikan
dari proses pada sel galvanis.
Reaksi yang berlangsung di masing-masing elektroda adalah sebagai
berikut:
~
K (-)
A
(+)
+ +
+ +
+
- -
Gambar 2.2 Diagram proses elektrodeposisi
Bab II Tinjauan Pustaka
8
Laporan Tugas Akhir
Pengaruh logam tembaga dalam penyisihan logam nikel
dari larutannya dengan menggunakan metode elektrodeposisi
2.4
Limbah Elektroplating
Proses
elektroplating
selain
menghasilkan
produk
yang
berguna,
menghasilkan pula limbah padat, emisi gas dan limbah cair. Limbah padat berasal
dari proses penghilangan kerak maupun kotoran sisa pada bak elektroplating.
Limbah berupa emisi gas pada umumnya berasal dari penguapan larutan elektrolit,
uap asam, maupun cairan pembersih.
Limbah cair berupa air limbah yang berasal dari pencucian, pembersihan
dan proses elektroplating. Air limbah mengandung logam-logam terlarut, solven
dan senyawa organik maupun anorganik terlarut lainnya.
Limbah
yang
dihasilkan
proses
elektroplating
sangat
beragam
kandungannya tergantung proses platingnya atau pelapisannya. Secara umum
efluen dari industri elektroplating yang mungkin dapat terjadi dapat dilihat pada
Tabel 2.1
Tabel 2.1 Effluent Dari Industri Elektroplating
Parameter
Jumlah
Maksimum
7-10
25
pH
TSS
Minyak dan
Lemak
Arsen
Kadmium
Krom
heksavalen
Krom total
Tembaga
Timbal
Merkuri
Nikel
Perak
Seng
Logam total
Sianida bebas
Fluorida
Trikloroetana
Trikloroetilena
Fosfor
Sumber: (World Bank, 1998).
Bab II Tinjauan Pustaka
Satuan
mg/L
10
mg/L
0,1
0,1
mg/L
mg/L
0,1
mg/L
0,5
0,5
0,2
0,01
0,5
0,5
2
10
0,2
20
0,05
0,05
5
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
mg/L
9
Laporan Tugas Akhir
Pengaruh logam tembaga dalam penyisihan logam nikel
dari larutannya dengan menggunakan metode elektrodeposisi
2.5
Prinsip Kerja Elektroplating
Penghantar arus
Katoda
Anoda
(+)
(-)
Mn+
Mo
Sumber arus searah, DC
Bak Plating
Larutan Elektrolit
Gambar 2.3 Proses Elektroplating
(Sumber : Purwanto, 2005)
Sumber arus listrik searah dihubungkan dengan dua buah elektroda yaitu
elektroda yang dihubungkan dengan kutub negatif disebut sebagai katoda dan
elektroda positif disebut anoda. Benda yang akan dilapisi harus bersifat konduktif
atau menghantarkan arus listrik dan berfungsi sebagai katoda, disebut sebagai
benda kerja. Pada elektroplating dengan anoda aktif digunakan anoda logam yang
mempunyai kemurnian tinggi. Arus mengalir dari anoda menuju katoda melalui
elektrolit. (Purwanto, 2005)
Proses pelapisan pada benda kerja dilakukan pada suatu elektrolit yang
mengandung senyawa logam. Ion logam (Mn+) dalam elektrolit yang bermuatan
positif menuju benda kerja sebagai katoda yang bermuatan negatif sehingga ion
logam Mn+ akan tereduksi menjadi logam M dan mengendap di katoda
membentuk lapisan logam (deposit), menurut reaksi :
Mn+ + ne  Mo
Ion logam dalam elektrolit yang telah tereduksi dan menempel di katoda,
posisinya akan diganti oleh anoda logam yang teroksidasi dan larut dalam
elektrolit atau dari penambahan larutan senyawa logam.
Bab II Tinjauan Pustaka
10
Laporan Tugas Akhir
Pengaruh logam tembaga dalam penyisihan logam nikel
dari larutannya dengan menggunakan metode elektrodeposisi
Pada anoda terjadi oksidasi menurut reaksi :
Mo  Mn+ + ne
Apabila proses elektroplating berjalan seimbang maka konsentrasi
elektrolit akan tetap, anoda makin lama berkurang dan terjadi pengendapan logam
yang melapisi katoda sebagai benda kerja.
Reaksi oksidasi-reduksi secara keseluruhan dapat dituliskan sebagai berikut :
Anoda : Mo
 Mn+ + ne
Katoda : Mn+ + ne  Mo
Mo + Mn+  Mn+ + Mo
Apabila plating menggunakan anoda inaktif maka logam yang menempel
pada katoda hanya berasal dari larutan, sehingga konsentrasi larutan makin
berkurang dan diperlukan kontrol yang ketat terhadap konsentrasi larutan
elektroplating untuk menjaga efisiensi proses dan kualitas lapisan. (Purwanto,
2005)
2.6
Hukum Faraday
Banyaknya logam yang mengendap membentuk lapisan atau deposit pada
katoda dinyatakan dalam Hukum Faraday I, yaitu berat endapan (W) sebanding
dengan kuat arus (I) dan waktu plating (t). Hukum Faraday II menyatakan bahwa
berat endapan tergantung dari jenis logam yang dinyatakan sebagai berat
ekuivalen. (Purwanto, 2005)
Pernyataan tersebut dituliskan sebagai berikut :
W = Z I t …………………………..(2.1)
Dengan :
W
: berat endapan (gram)
I
: kuat arus (Ampere)
t
: waktu (detik)
Z
: BE / 96500
BE
: berat ekuivalen = BA / valensi
BA
: berat atom (contoh untuk Cu = 63,5)
Bab II Tinjauan Pustaka
11
Laporan Tugas Akhir
Pengaruh logam tembaga dalam penyisihan logam nikel
dari larutannya dengan menggunakan metode elektrodeposisi
valensi : banyaknya elektron yang diterima untuk membentuk
endapan. Valensi tembaga pada tembaga sulfat, Cu = 2
2.7 Laju Reaksi
Laju reaksi adalah laju berkurangnya pereaksi atau terbentuknya produk reaksi
yang dinyatakan dalam satuan mol(1-n)/(Volume)(1-n)(Waktu)(1-n)
Laju Reaksi
=
Laju
=
Dimana : ∆X
∆t
………………………………………..…..…….(2.2)
= perubahan konsentrasi
= perubahan waktu
Tanda negatif digunakan jika X adalah pereaksi dan tanda positif digunakan jika
X adalah produk hasil reaksi. (Achmad, Hiskia 2001)
2.7.1
Reaksi Orde Satu
Reaksi orde satu adalah reaksi yang lajunya berbanding langsung dengan
konsentrasi reaktan, yaitu:
r = -d [C] = k [C] …………………………….(2.3)
dt
hasil integral untuk memperoleh hubungan antara konsentrasi pereaksi dengan
waktu yaitu,
r =
0∫
t
d [C]
= -k 0∫t dt ....................................(2.4)
[C]
r = ln [C]│t0 = -kt ..............................................(2.5)
r = ln [C]t – ln [C]0 = - kt ...................................(2.6)
r = ln [C]t = - kt + ln [C]0...................................(2.7)
Dengan:
[C]0 = konsentrasi C pada waktu t0
Bab II Tinjauan Pustaka
12
Laporan Tugas Akhir
Pengaruh logam tembaga dalam penyisihan logam nikel
dari larutannya dengan menggunakan metode elektrodeposisi
[C]t = konsentrasi C pada waktu tt
t = waktu proses
r = laju reaksi
k = konstanta laju reaksi
Jika persamaan 7 digambarkan akan diperoleh grafik seperti pada Gambar 2.4.
Ln [C]t
-k
Waktu proses (t) menit
Gambar 2.4 Grafik reaksi orde satu
(Sumber : Achmad, Hiskia 2001)
2.7.2 Konstanta Laju Reaksi Elektrolisis
Konstanta laju reaksi adalah tetapan perbandingan antara laju reaksi dan
hasil kali konsentrasi yang mempengaruhi laju reaksi. Konstanta laju reaksi dapat
diperoleh dari grafik yang mengalurkan ln [C]2 terhadap t, untuk itu diperlukan
perubahan konsentrasi.
Harga suatu konstanta laju reaksi sangat dipengaruhi suhu, tekanan,
konsentrasi, luas bidang sentuh, dan penambahan katalis. Nilai suatu konstanta
laju reaksi dipengaruhi oleh suhu, ukuran dan berat molekul yang terlibat dalam
reaksi serta penambahan katalis.
2.8
Tembaga
Tembaga adalah suatu unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki
lambang Cu dan nomor atom 29. Secara fisik, logam berat Cu digolongkan ke
Bab II Tinjauan Pustaka
13
Laporan Tugas Akhir
Pengaruh logam tembaga dalam penyisihan logam nikel
dari larutannya dengan menggunakan metode elektrodeposisi
dalam logam-logam penghantar listrik yang baik. Tembaga merupakan penghantar
listrik
terbaik setelah perak (Ag) sehingga Cu banyak digunakan dalam bidang
elektronika. Tembaga murni sifatnya halus dan lunak, dengan permukaan
berwarna jingga kemerahan. Tembaga dicampurkan dengan timah untuk membuat
perunggu.
Tembaga (Cu) banyak digunakan sebagai peralatan elektronik sebesar 60%;
untuk
kontruksi, misalnya atap dan plumbing adalah sebesar 20%; industri mesin,
yaitu sebagai pengganti penghantar panas sebesar 15%, dan untuk berbagai alloy
sebesar 5%.
Dari berbagai limbah, limbah yang paling banyak mengandung logam berat
adalah limbah industri. Hal itu disebabkan oleh unsur logam berat yang banyak
digunakan dalam bebagai industri, baik sebagai bahan baku, katalisator, maupun
sebagai bahan tambahan. Cu tidak bisa diuraikan di alam sehingga Cu akan
diakumulasi di dalam tanaman dan hewan melalui tanah. Tanah kaya Cu
berpengaruh terhadap aktivitas mikroorganisme tanah dan cacing tanah, dan
menyebabkan dekomposisi senyawa organik sehingga mengurangi kesuburan
tanah. (Widowati Wahyu, 2008)
2.9
Nikel
Nikel adalah logam berwarna putih perak dengan berat jenis 8,89 g/cm3 dan
berat atom 58,71 g/mol. Ni merupakan logam yang resisten terhadap korosi dan
oksidasi pada temperatur tinggi sehingga bisa digunakan untuk memproduksi
stainless steel. (Widowati Wahyu, 2008)
Nikel (Ni) sebagai bahan paduan logam banyak digunakan di berbagai
industri
logam,
berbagai
macam
baja,
serta
elektroplating.
Untuk
mendayagunakan karakteristik logam yang kuat, tahan tempa, anti-karat, tahan
temperatur rendah maupun tinggi, nikel banyak digunakan sebagai campuran baja
nirkarat, campuran baja berbasis logam Ni untuk memproduksi baterai dan katalis.
Dalam keadaan murni, nikel bersifat lembek, tetapi jika dipadukan dengan besi,
Bab II Tinjauan Pustaka
14
Laporan Tugas Akhir
Pengaruh logam tembaga dalam penyisihan logam nikel
dari larutannya dengan menggunakan metode elektrodeposisi
krom, dan logam lainnya, dapat membentuk baja tahan karat yang keras.
(Widowati
Wahyu, 2008)
Berbagai macam industri menggunakan bahan baku Ni atau garam nikel,
antara lain industri kimia, industri elektronik, serta industri logam. Berbagai
macam jenis produk yang dihasilkan oleh industri logam berbahan baku Ni, antara
lain compact disc (CD), baterai kering (Ni-MH), pigmen (pewarna) cat, pelapisan
permukaan
(plating) logam/nonlogam. (Widowati Wahyu, 2008)
Pembuangan limbah yang mengandung Ni mengakibatkan pencemaran pada
tanah, air, dan tanaman. Total Ni dalam tanah dapat mencapai 5-500 ppm,
sedangkan kadar Ni pada air tanah mencapai 0,005-0,05 ppm dan kadar Ni pada
tumbuhan tidak lebih dari 1 ppm. (Widowati Wahyu, 2008)
2.10
Tabel 2.2 Sifat unsur nikel
Sifat Logam Nikel
Keterangan
Density (g/ cm3)
Melting point (°C)
8,89
1453
Coef of thermal expansion (20ºC) [m/m.ºC]
13,3 x 10-6
Thermal conductivity (25ºC) [W/m.K]
Electrical resistivity (μΩ.cm)
Modulus of elasticity intension (kPa)
Tensile strength, annealed (MPa)
92
9,7
204 x 106
462
Yield strength, 0,2% offset (MPa)
Sumber: (AWS welding handbook)
148
Paduan Ni-Cu
Paduan Ni-Cu yang mengandung 10-30% Ni dinamakan tembaga putih
atau kupronikel. Sedangkan paduan Ni-Cu yang mengandung kira-kira 67% Ni
dinamakan logam monel, yang didapat dari pemurnian langsung dari bijih, yaitu
suatu paduan alamiah. Kedua paduan tersebut mempunyai kekuatan dan
ketahanan korosi yang baik yang dipergunakan untuk komponen-komponen
khusus dari kondensor, komponen-komponen pompa, motor-motor, dan
sebagainya. Paduan Ni-Cu yang mengandung 45% Ni mempunyai tahanan listrik
Bab II Tinjauan Pustaka
15
Laporan Tugas Akhir
Pengaruh logam tembaga dalam penyisihan logam nikel
dari larutannya dengan menggunakan metode elektrodeposisi
yang tinggi dan koefisien pemuaian yang rendah, paduan itu dinamakan
konstantan,
digunakan sebagai kabel tahanan dan termokopel.
2.10.1 Karakteristik dan Komposisi Monel
Monel banyak disukai oleh para penggemar aksesoris, selain karena
harganya yang relatif murah juga karena karakteristiknya, Karakteristik monel
antara
lain :
a. Sangat tahan terhadap korosi, monel dikenal sebagai korosi yang kuat,
bahan tahan karat. Hal ini tahan terhadap korosi dan asam, dan
beberapa paduan dapat menahan api di murni oksigen.
b. Kuat dari baja
c. Kristalnya isometrik
d. Koefisien ekspansi termal rendah
e. Sangat tahan terhadap alkali
f. Dapat dilas, brazing dan patri
2.11 Spektrofotometer Serapan Atom (AAS)
Spektrofotometer Serapan Atom (AAS) adalah suatu alat yang digunakan
pada metode analisis untuk penentuan unsur-unsur logam dan metaloid yang
berdasarkan pada penyerapan absorbsi radiasi oleh atom bebas.
2.11.1 Prinsip Dasar
Spektrofotometer serapan atom (AAS) merupakan teknik analisis kuantitafif
dari unsur-unsur yang pemakainnya sangat luas di berbagai bidang karena
prosedurnya selektif, spesifik, biaya analisisnya relatif murah, sensitivitasnya
tinggi (ppm-ppb), dapat dengan mudah membuat matriks yang sesuai dengan
standar, waktu analisis sangat cepat dan mudah dilakukan. AAS pada umumnya
digunakan untuk analisa unsur, spektrofotometer absorpsi atom juga dikenal
sistem single beam dan double beam layaknya Spektrofotometer UV-VIS.
Sebelumnya dikenal fotometer nyala yang hanya dapat menganalisis unsur yang
Bab II Tinjauan Pustaka
16
Laporan Tugas Akhir
Pengaruh logam tembaga dalam penyisihan logam nikel
dari larutannya dengan menggunakan metode elektrodeposisi
dapat memancarkan sinar terutama unsur golongan IA dan IIA. Umumnya lampu
yang digunakan adalah lampu katoda cekung yang mana penggunaanya hanya
untuk analisis satu unsur saja.
Metode AAS berprinsip pada absorbsi cahaya oleh atom. Atom-atom
menyerap cahaya tersebut pada panjang gelombang tertentu, tergantung pada sifat
unsurnya. Metode serapan atom hanya tergantung pada perbandingan dan tidak
bergantung
pada temperatur. Setiap alat AAS terdiri atas tiga komponen yaitu unit
teratomisasi, sumber radiasi, sistem pengukur fotometerik.
Teknik AAS menjadi alat yang canggih dalam analisis. Ini disebabkan
karena sebelum pengukuran tidak selalu memerlukan pemisahan unsur yang
ditentukan karena kemungkinan penentuan satu unsur dengan kehadiran unsur lain
dapat dilakukan, asalkan katoda berongga yang diperlukan tersedia. AAS dapat
digunakan untuk mengukur logam sebanyak 61 logam.
Sumber cahaya pada AAS adalah sumber cahaya dari lampu katoda yang
berasal dari elemen yang sedang diukur kemudian dilewatkan ke dalam nyala api
yang berisi sampel yang telah teratomisasi, kemudian radiasi tersebut diteruskan
ke detektor melalui monokromator. Chopper digunakan untuk membedakan
radiasi yang berasal dari sumber radiasi, dan radiasi yang berasal dari nyala api.
Detektor akan menolak arah searah arus (DC) dari emisi nyala dan hanya
mengukur arus bolak-balik dari sumber radiasi atau sampel.
Atom dari suatu unsur pada keadaan dasar akan dikenai radiasi maka atom
tersebut akan menyerap energi dan mengakibatkan elektron pada kulit terluar naik
ke tingkat energi yang lebih tinggi atau tereksitasi. Jika suatu atom diberi energi,
maka energi tersebut akan mempercepat gerakan elektron sehingga elektron
tersebut akan tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi dan dapat kembali ke
keadaan semula. Atom-atom dari sampel akan menyerap sebagian sinar yang
dipancarkan oleh sumber cahaya. Penyerapan energi oleh atom terjadi pada
panjang gelombang tertentu sesuai dengan energi yang dibutuhkan oleh atom
tersebut.
Bab II Tinjauan Pustaka
17
Laporan Tugas Akhir
Pengaruh logam tembaga dalam penyisihan logam nikel
dari larutannya dengan menggunakan metode elektrodeposisi
2.11.2 Keuntungan metode AAS
Keuntungan metode AAS dibandingkan dengan spektrofotometer
biasa yaitu spesifik, batas deteksi yang rendah dari larutan yang sama bisa
mengukur unsur-unsur yang berlainan, pengukurannya langsung terhadap
contoh, output dapat langsung dibaca, cukup ekonomis, dapat diaplikasikan
pada banyak jenis unsur, batas kadar penentuan luas (dari ppm sampai %).
Sedangkan
kelemahannya yaitu pengaruh kimia dimana AAS tidak mampu
menguraikan zat menjadi atom misalnya pengaruh fosfat terhadap Ca,
pengaruh ionisasi yaitu bila atom tereksitasi (tidak hanya disosiasi) sehingga
menimbulkan emisi pada panjang gelombang yang sama, serta pengaruh
matriks misalnya pelarut.( http://adityabeyubay359.blogspot.com)
Bab II Tinjauan Pustaka
18