cara kerja baterai

  • Published on
    27-Jun-2015

  • View
    672

  • Download
    0

Embed Size (px)

Transcript

<p>KIMIAps2unsKomunitas Kimia Prodi Sains UNS</p> <p>BERANDA TERAPAN SAINTEK</p> <p>CARA KERJA BATERAI</p> <p>15122008</p> <p>Fathur Rochman/P.Sains/IPA S830208008 BAB I PENDAHULUAN Ilmu bisa terorganisasi berarti proses memperoleh proses pengetahuan, atau pengetahuan cara</p> <p>yang</p> <p>diperoleh</p> <p>lewat</p> <p>tersebut. Proses</p> <p>keilmuan adalah</p> <p>memperoleh pengetahuan secara sistematis tentang suatu sistem Perolehan sistematis ini umumnya berupa metode ilmiah, dan sistem tersebut umumnya adalah alam semesta. Dalam pengertian ini, ilmu sering disebut sebagai sains. Ion adalah atom atau sekumpulan atom yang bermuatan listrik. Ion bermuatan negatif, yang menangkap satu atau lebih elektron, disebut anion, karena dia tertarik menuju anoda. Ion bermuatan positif, yang kehilangan satu atau lebih elektron, disebutkation, karena tertarik ke katoda. Proses pembentukan ion disebut ionisasi. Atom atau kelompok atom yang terionisasi ditandai dengan tikatas jumlah elektron yang hilang atau diperoleh. Ion pertama kali diteorikan oleh Michael Faraday sekitar tahun 1830, untuk menggambarkan bagian melekul yang bergerak ke anoda atau katoda. Namun, mekanisme peristiwa ini baru dideskripsikan pada 1884 oleh Svante August Arrhenius dalam disertasi doktornya di University of Uppsala. Pada mulanya, teori ini tidak diterima (ia memperoleh gelarnya dengan nilai minimum), tetapi disertasinya memenangi Hadiah Nobel Kimia pada 1903. Elektrokimia adalah ilmu yang mempelajari aspek elektronik dari reaksi kimia. Elemen yang digunakan dalam reaksi elektrokimia dikarakterisasikan dengan banyaknya elektron yang dimiliki. Elektrokimia secara umum terbagi dalam dua kelompok, yaitu sel galvanik dan sel elektrolisis. Sel Volta/Galvania: a. terjadi perubahan : energi kimia energi listrik, b. anode = elektroda negatif (-), dan c. katoda = elektroda positif (+). Seln+</p> <p>atau n-, di mana n adalah</p> <p>Elektrolisis: a. terjadi perubahan : energi listrik energi kimia, b. anode = elektroda positif (+), dan c. katoda = elektroda neeatif (-). Sel volta terdiri dari beberapa macam, antara lain: 1. Sel Kering atau Sel Leclance yang meliputi: a. Katoda : Karbon, b. Anoda :Zn, dan c. Elektrolit : Campuran berupa pasta : MnO2 + NH4Cl + sedikit Air; 2. Sel Aki yang meliputi: a. Katoda: PbO2, b. Anoda : Pb, c. Elektrolit: Larutan H2SO4, dan d. Sel sekunder; 3. Sel Bahan Bakar yang meliputi: a. Elektroda : Ni, b. Elektrolit : Larutan KOH, dan c. Bahan Bakar : H2 dan O2 ; 4. Baterai Ni Cd yang meliputi: a. Katoda : NiO2 dengan sedikit air, dan b. Anoda : Cd Konsep-konsep sel volta adalah: 1. Deret Volta/Nerst yang meliputi: a. Li, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, (H), Cu, Hg, Ag, Pt, Au, dan b. Makin ke kanan, mudah direduksi sukar dioksidasi serta sebaliknya Makin ke kiri, mudah dioksidasi sukar direduksi; dan 2. Prinsip yang meliputi: a. Anoda terjadi reaksi oksidasi ; Katoda terjadi reaksi reduksi, b. Arus elektron : anoda katoda ; Arus listrik : katoda anoda, dan c. Jembatan garam: menyetimbangkan ion-ion dalam larutan. BAB II DASAR TEORI</p> <p>A. RedoksRedoks (singkatan dari reaksi reduksi/oksidasi) adalah istilah yang menjelaskan</p> <p>berubahnya bilangan oksidasi (keadaan oksidasi) atom-atom dalam sebuah reaksi kimia. Hal ini dapat berupa proses redoks yang sederhana seperti oksidasi karbon yang menghasilkan karbon dioksida, atau reduksi karbon oleh hidrogen menghasilkan metana(CH4), ataupun ia dapat berupa proses yang kompleks seperti oksidasi gula pada tubuh manusia melalui rentetan transfer elektron yang rumit. Istilah redoksberasal dari dua konsep, yaitu reduksi dan oksidasi. Ia dapat dijelaskan dengan mudah sebagai berikut:</p> <p>Oksidasi menjelaskan pelepasan elektron oleh sebuah molekul, atom, atau ion Reduksi menjelaskan penambahan elektron oleh sebuah molekul, atom, atau ion.</p> <p>Gambar Ilustrasi sebuah reaksi redoks</p> <p>Walaupun cukup tepat untuk digunakan dalam berbagai tujuan, penjelasan di atas tidaklah persis benar. Oksidasi dan reduksi tepatnya merujuk pada perubahan bilangan oksidasi karena transfer elektron yang sebenarnya tidak akan selalu terjadi. Sehingga oksidasi lebih baik didefinisikan sebagai peningkatan bilangan oksidasi, dan reduksi sebagai penurunan bilangan oksidasi. Dalam prakteknya, transfer elektron akan selalu mengubah bilangan oksidasi, namun terdapat banyak reaksi yang diklasifikasikan sebagai redoks walaupun tidak ada transfer elektron dalam reaksi tersebut (misalnya yang melibatkan ikatan kovalen). Reaksi non-redoks yang tidak melibatkan perubahan muatan formal (formal charge) dikenal sebagai reaksi metatesis.</p> <p>Gambar Besi berkarat Gambar Pembakaran terdiri dari reaksi redoks yang melibatkan radikal bebas B. Oksidator dan reduktorSenyawa-senyawa yang memiliki kemampuan untuk mengoksidasi senyawa lain</p> <p>dikatakan sebagai oksidatif dan dikenal sebagai oksidator atau agen oksidasi.Oksidator melepaskan elektron dari senyawa lain, sehingga dirinya sendiri tereduksi. Oleh karena ia menerima elektron, ia juga disebut sebagai penerima elektron. Oksidator bisanya adalah senyawa-senyawa yang memiliki unsur-unsur dengan bilangan oksidasi yang tinggi (seperti H2O2, MnO4, CrO3, Cr2O72, OsO4) atau senyawa-senyawa yang sangat elektronegatif, sehingga dapat mendapatkan satu atau dua elektron yang lebih dengan mengoksidasi sebuah senyawa (misalnya oksigen, fluorin, klorin, dan bromin). Senyawasenyawa yang memiliki kemampuan untuk mereduksi senyawa lain dikatakan sebagai reduktif dan dikenal sebagai reduktor atauagen reduksi. Reduktor melepaskan</p> <p>elektronnya</p> <p>ke</p> <p>senyawa</p> <p>lain,</p> <p>sehingga</p> <p>ia</p> <p>sendiri</p> <p>teroksidasi.</p> <p>Oleh</p> <p>karena</p> <p>ia</p> <p>mendonorkan elektronnya, ia juga disebut sebagai penderma elektron. Senyawasenyawa yang berupa reduktor sangat bervariasi. Unsur-unsur logam seperti Li, Na, Mg, Fe, Zn, dan Al dapat digunakan sebagai reduktor. Logam-logam ini akan memberikan elektronnya dengan mudah. Reduktor jenus lainnya adalah reagen transfer hidrida, misalnya NaBH4 dan LiAlH4), reagen-reagen ini digunakan dengan luas dalam kimia organik[1][2], terutama dalam reduksi senyawa-senyawa karbonil menjadi alkohol. Metode reduksi lainnya yang juga berguna melibatkan gas hidrogen (H2) dengan katalis paladium, platinum, atau nikel, Reduksi katalitik ini utamanya digunakan pada reduksi ikatan rangkap dua ata tiga karbon-karbon. Cara yang mudah untuk melihat proses redoks adalah, reduktor mentransfer elektronnya ke oksidator. Sehingga dalam reaksi, reduktor melepaskan elektron dan teroksidasi, dan oksidator mendapatkan elektron dan tereduksi. Pasangan oksidator dan reduktor yang terlibat dalam sebuah reaksi disebut sebagai pasangan redoks.</p> <p>Contoh reaksi redoksSalah satu contoh reaksi redoks adalah antara hidrogen dan fluorin:</p> <p>Kita dapat menulis keseluruhan reaksi ini sebagai dua reaksi setengah: reaksi oksidasi</p> <p>dan reaksi reduksi</p> <p>Penganalisaan masing-masing reaksi setengah akan menjadikan keseluruhan proses kimia lebih jelas. Karena tidak terdapat perbuahan total muatan selama reaksi redoks, jumlah elektron yang berlebihan pada reaksi oksidasi haruslah sama dengan jumlah yang dikonsumsi pada reaksi reduksi. Unsur-unsur, bahkan dalam bentuk molekul, sering kali memiliki bilangan oksidasi nol. Pada reaksi di atas, hidrogen teroksidasi dari bilangan oksidasi 0 menjadi +1, sedangkan fluorin tereduksi dari bilangan oksidasi 0 menjadi -1. Ketika reaksi oksidasi dan reduksi digabungkan, elektron-elektron yang terlibat akan saling mengurangi: Dan ion-ion akan bergabung membentuk hidrogen fluorida:</p> <p>C. Reaksi penggantianRedoks terjadi pada reaksi penggantian tunggal atau reaksi substitusi. Komponen redoks dalam tipe reaksi ini ada pada perubahan keadaan oksidasi (muatan) pada atom-atom tertentu, dan bukanlah pada pergantian atom dalam senyawa.</p> <p>Sebagai contoh, reaksi antara larutan besi dan tembaga(II) sulfat:</p> <p>Persamaan ion dari reaksi ini adalah: Terlihat bahwa besi teroksidasi: dan tembaga tereduksi:</p> <p>Contoh-contoh lainnya Besi(II) teroksidasi menjadi besi(III) Fe2+ Fe3+ + e hidrogen peroksida tereduksi menjadi hidroksida dengan keberadaan sebuah asam: H2O2 + 2 e 2 OHPersamaan keseluruhan reaksi di atas adalah:</p> <p>2Fe2+ + H2O2 + 2H+ 2Fe3+ + 2H2O denitrifikasi, nitrat tereduksi menjadi nitrogen dengan keberadaan asam: 2NO3 + 10e + 12 H+ N2 + 6H2O Besi akan teroksidasi menjadi besi(III) oksida dan oksigen akan tereduksi membentuk besi(III) oksida (umumnya dikenal sebagai perkaratan): 4Fe + 3O2 2 Fe2O3 Pembakaran hidrokarbon, contohnya pada mesin pembakaran dalam,</p> <p>menghasilkan air, karbon dioksida, sebagian kecil karbon monoksida, dan energi panas. Oksidasi penuh bahan-bahan yang mengandung karbon akan menghasilkan karbon dioksida. Dalam kimia organik, oksidasi seselangkah (stepwise oxidation) hidrokarbon menghasilkan air, dan berturut-turut karboksilat, dan kemudian peroksida. D. Reaksi Redoks dalam Industri alkohol, aldehida atau keton, asam</p> <p>Proses</p> <p>utama</p> <p>pereduksi</p> <p>biji</p> <p>logam</p> <p>untuk</p> <p>menghasilkan</p> <p>logam</p> <p>akan</p> <p>dibahas</p> <p>dalampeleburan. Oksidasi digunakan dalam berbagai industri seperti pada produksi produk-produk pembersih. Reaksi redoks juga merupakan dasar dari sel elektrokimia.</p> <p>E. Reaksi redoks dalam biologi</p> <p>Gambar asam askorbat (bentuk tereduksi Vitamin C)</p> <p>Gambar asam dehidroaskorbat (bentuk teroksidasi Vitamin C)Banyak proses biologi yang melibatkan reaksi redoks. Pernapasan sel, contohnya, adalah oksidasi glukosa (C6H12O6) menjadi CO2 dan reduksi oksigen menjadi air. Persamaan ringkas dari pernapasan sel adalah:</p> <p>C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O Proses pernapasan sel juga sangat bergantung pada reduksi NAD+ menjadi NADH dan reaksi baliknya (oksidasi NADH menjadu NAD+). Fotosintesis secara esensial merupakan kebalikan dari reaksi redoks pada pernapasan sel: 6 CO2 + 6 H2O + light energy C6H12O6 + 6 O2Energi biologi sering disimpan dan dilepaskan dengan menggunakan reaksi redoks. Fotosintesis melibatkan reduksi karbon dioksida menjadi gula dan oksidasi air menjadi</p> <p>oksigen. Reaksi baliknya, pernapasan, mengoksidasi gula, menghasilkan karbon dioksida dan air. Sebagai langkah antara, senyawa karbon yang direduksi digunakan untuk mereduksi nikotinamida adenina dinukleotida (NAD+), yang kemudian berkontribusi dalam pembentukan gradien proton, yang akan mendorong sintesis adenosina trifosfat (ATP) dan dijaga oleh reduksi oksigen. Pada sel-sel hewan, mitokondria menjalankan fungsi yang sama. Lihat pula Potensial membran. Istilahkeadaan redoks juga sering digunakan untuk menjelaskan keseimbangan antara NAD+/NADH dengan NADP+/NADPH dalam sistem biologi seperti pada sel dan organ. Keadaan redoksi direfleksikan pada keseimbangan beberapa set metabolit (misalnya laktat dan piruvat, beta-hidroksibutirat dan asetoasetat) yang antarubahannya sangat bergantung pada rasio ini. Keadaan redoks yang tidak normal akan berakibat buruk, seperti hipoksia, guncangan (shock), dan sepsis.</p> <p>F. Siklus RedoksBerbagai macam senyawa aromatik direduksi oleh enzim untuk membentuk senyawa radikal bebas. Secara umum, penderma elektronnya adalah berbagai jenis flavoenzim dan koenzim-koenzimnya. Seketika terbentuk, radikal-radikal bebas anion ini akan mereduksi oskigen menjadi superoksida. Reaksi bersihnya adalah oksidasi koenzim flavoenzim dan reduksi oksigen menjadi superoksida. Tingkah laku katalitik ini dijelaskan sebagai siklus redoks. Contoh molekul-molekul yang menginduksi siklus redoks adalah herbisida parakuat, dan viologen dan kuinon lainnya seperti menadion.[3]PDF (2.76 MiB). G. Penyetaraan Persamaan Reaksi Redoks Tahapan: 1. Tentukan perubahan bilangan oksidasi. 2. Setarakan perubahan bilangan oksidasi.</p> <p>3.</p> <p>Setarakan jumlah listrik ruas kiri dan kanan dengan : H+ pada larutan bersifat asam OH- pada larutan bersifat basa</p> <p>4. Tambahkan H2O untuk menyetarakan jumlah atom H.</p> <p>Contoh:MnO4- + Fe2+ Mn2+ + Fe3+ (suasana asam) ..-5</p> <p>..B. .</p> <p>1. MnO4- + Fe2+ Mn2+ + Fe3+ . .+7 +2. +2 +3</p> <p>.. . . +1 2. Angka penyerta = 5 MnO4- + 5 Fe2+ Mn2+ + 5 Fe3+ 3. MnO4- + 5 Fe2+ + 8 H+ Mn2+ + 5 Fe3+ 4. MnO4- + 5 Fe2+ + 8 H+ Mn2+ + 5 Fe3+ + 4 H2O</p> <p>H. Menyeimbangkan reaksi redoksUntuk menuliskan keseluruhan reaksi elektrokimia sebuah proses redoks,</p> <p>diperlukanpenyeimbangan komponen-komponen dalam reaksi setengah. Untuk reaksi dalam larutan, hal ini umumnya melibatkan penambahan ion H+, ion OH-, H2O, dan elektron untuk menutupi perubahan oksidasi.</p> <p>1. Media asamPada media asam, ion H+ dan air ditambahkan pada reaksi setengah untuk</p> <p>menyeimbangkan keseluruhan reaksi. Sebagai contoh, ketika mangan(II) bereaksi dengan natrium bismutat: Reaksi ini diseimbangkan dengan mengatur reaksi sedemikian rupa sehingga dua setengah reaksi tersebut melibatkan jumlah elektron yang sama (yakni mengalikan reaksi oksidasi dengan jumlah elektron pada langkah reduksi, demikian juga sebaliknya). Reaksi diseimbangkan: Hal yang sama juga berlaku untuk sel bahan bakar propana di bawah kondisi asam: Dengan menyeimbangkan jumlah elektron yang terlibat: Persamaan diseimbangkan:</p> <p>2. Media basaPada media basa, ion OH- dan air ditambahkan ke reaksi setengah untuk</p> <p>menyeimbangkan keseluruhan reaksi.Sebagai contoh, reaksi antara kalium permanganat dan natrium sulfit: Dengan menyeimbangkan jumlah elektron pada kedua reaksi setengah di atas:</p> <p>Persamaan diseimbangkan:I. Anoda.</p> <p>Anoda adalah elektroda, bisa berupa logam maupun penghantar listrik lain, pada sel elektrokimia yang terpolarisasi jika arus listrik mengalir ke dalamnya. Arus listrik mengalir berlawanan dengan arah pergerakan elektron. Pada proses elektrokimia, baiksel galvanik (baterai) maupun sel elektrolisis, anoda mengalami oksidasi. Perlu diperhatikan bahwa tidak selalu anion (ion yang bermuatan negatif) bergerak menuju anoda, ataupun tidak selalu kation (ion bermuatan positif) akan bergerak menjauhi anoda. Pergerakan anion maupun kation menuju atau menjauh dari anoda tergantung dari jenis sel elektrokimianya.</p> <p>Pada sel galvanik atau pembangkit listrik (baterai), anoda adalah kutub negatif. Elektroda akan melepaskan elektron menuju ke sirkuit dan karenanya arus listrik mengalir ke dalam elektroda ini dan menjadikannya anoda dan berkutub negatif. Dalam sel galvanik, reaksi oksidasi terjadi secara spontan. Karena terus menerus melepaskan elektron anoda cenderung menjadi bermuatan positif dan menarik anion dari larutan (elektrolit) serta menjauhkan kation. Dalam contoh gambar diagram anoda seng (Zn) di kanan, anion adalah SO4-2, kation adalah Zn2+ dan ZnSO4 elektrolit. Pada sel elektrolisis, anoda adalah elektroda positif. Arus listrik dari kutub positifsumber tegangan listrik luar (GGL) dialirkan ke elektroda sehingga memaksa elektroda teroksidasi dan melepaskan elektron.</p> <p>Diagram dari anoda seng pada sel galvanik</p> <p>J. KatodaKebalikan dari Anoda, katoda adalah elektroda dalam sel elaktrokimia yang terpolarisasi jika arus listrik mengalir keluar darinya. Pada baterai biasa (Baterai Karbon-Seng), yang menjadi katoda adalah seng, yang juga menjadi pembungkus baterai. Seda...</p>