Makalah Aplikasi Kimia

Aki dan Sel Bahan Bakar

Disusun Oleh:

Titi Afri1203111802

Jurusan Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu PengetahuanAlam

Universitas Riau2012/2013

KATA PENGANTAR

Dengan mengucapkan puji dan syukur kehadirat Tuhan

Yang Maha Esa atas berkat dan Rahmat yang dilimpahkan-Nya

sehingga saya dapat menyelesaikan makalah ini, yang

dilanjutkan guna menyelesaikan tugas pada mata kuliah

Kimia Dasar II. Dengan judul “Aki dan Sel Bahan Bakar”

Dalam penyusunan makalah ini saya banyak menghadapi

kesulitan tetapi berkat bimbingan, pengarahan dan bantuan

dari semua pihak, makalah ini dapat diselesaikan.

Saya menyadari sepenuhnya bahwa kliping ini belum

sempurna, untuk itu saya mengharapkan kritikan dan saran

yang sifatnya membangun. Semoga kliping ini bermanfaat

bagi semua pihak yang membutuhkan.

Pekanbau, Mei 2013

Penyusun

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ………………………………………………… i

DAFTAR ISI ………...………………………………………………... ii

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang ………………………………….... 1

1.2. Tujuan Penulisan Makalah ………………………..

2

1.3. Manfaat ……………...………….………………... 2

BAB II PEMBAHASAN

2.1. Aki Primer ………...…………………….……….. 2

2.2. Aki Sekunder ……………..……………………… 7

2.3.Sel Bahan Bakar ………………………………..... 14

BAB III TINJAUAN KASUS …………………………………… 18

DAFTAR PUSTAKA ………………………………….………..…… 25

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Elektrokimia sel galvani memberikan banyak

aplikasi di industri dan dalam kehidupan sehari-

hari. Dalam makalah ini akan difokuskan pada dua hal

yaitu aki untuk menyimpan energi dan sel bahan bakar

untuk mengubah energi kimia menjadi energi listrik.

Asal mula aki tidak diketahui, tetapi dipercaya

bahwa seniman Persia telah mengunakan beberapa betuk

aki untuk melapis perhiasan dengan emas sejak abad

kedua sebelum masehi. Pengembangan aki yang modern

dimulai oleh Alessandro Volta pada tahun 1800. Volta

mebuat tumpukan piringan seng dan perak yang

berselang-seling, yang diantaranya diselipkan

piringan kertas yang jenuh akan larutan garam.

Sistem ini menghasilkan selisih potensial pada

ujungnya yang dapat menyebabkan aliran listrik jika

tumpukan berisi piringan yang cukup.

Dalam penemuan Volta, sel galvani dalam jumlah

besar disusun secara seri (katoda ke anoda) sehingga

tegangan masing-masing saling menambahkan.

Sebenarnya penyusunan seperti ini adalah sebuat sel

aki, tetapi penggunaan yang modern tidak membedakan

antara sel tunggal dan batrai volta, dan kata “aki”

berarti sel itu sendiri. Sel yang dibuang bila

energi listriknya telah habis disebut sel primer,

dan yang dapat diisi ulang disebut sel sekunder.

Sel bahan bakar atau fuel cell merupakan bagian

dari sel sekunder yang dapat mengubah energi kimia

menjadi energi listrik secara kontinu. Pada sebuah

baterai biasa, jika bahan bakar atau fuel dan oksigen

baterai habis, maka baterai tersebut harus diganti,

sementara sel bahan bakar dapat dipakai secara

kontinu . Pada sel bahan bakar energi yang

dihasilkan langsung menjadi energi listrik, berbeda

dengan mesin yang memerlukan bahan bakar untuk

mengubah energi kimia menjadi energi mekanik.

Berbagai keunggulan dari sel bahan bakar akan

dibahas dalam makalah ini.

1.2 Tujuan

Tujuan dari makalah ini yaitu agar kita dapat lebih

memahami mengenai elektrokimia khusunya dalam

pengaplikasiannya dalam kehidupan sehari-hari, salah

satunya yaitu pada aki dan sel bahan bakar yang

sering dijumpai pada kehidupan sehari-hari.

1.3 Manfaat

Melalui makalah ini kita dapat memahami salah satu

bagian dari elektrokimia yaitu sel galvani atau sel

volta, terkhusus pada pengklasifikasiannya yaitu

pada sel primer dan sel sekunder. Terutama dalam

pengaplikasian berbagai macam jenis-jenis dari sel

tersebut tehadap industri dan kehidupan sehari-hari,

seperti pada baterai, aki dan sel bahan bakar,

sehingga kita dapat mengetahui secara men-detail

mengenai pengaplikasian sel-sel tersebut.

BAB II

PEMBAHASAN

Elektrokimia adalah kajian reaksi redoks yang

dilaksanakan sedemikian sehingga dalam sitem itu terdapat

potensial listrik yang dapat diukur. Dalam sebuah sel

volta, suatu reaksi redoks spontan membangkitkan arus

listrik yang mengalir lewat rangkaian luas. Dalam suatu

sel elektrolisis, suatu reaksi redoks tak spontan

didorong oleh suatu arus listrik yang diberikan oleh

suatu sumber luar. Semua sel elektrokimia harus juga

mempunyai suatu rangkaian dalam lewat mana arus dapat

mengalir dalam bentuk ion yang berdifusi.

Aplikasi dari elektrokimia yang akan dibahas yaitu

Sel Galvani atau Sel Volta yang dapat di klasifikasikan

pada sel primer, sekunder, dan sel bahan bakar. Sebuah

sel primer adalah sel yang dibentuk dengan anode dan/

katode yang dihabiskan secara kimia ketika sel itu

menghasikan arus. Sel sekunder adalah sel yang dapat

dicas-ulang dengan elektrolisis, jadi elektrodenya

dikembalikan kepada kondisi awal. Sementara sel bahan

bakar adalah sebuah sel yang secara berkesinambungan

menghabiskan pereaksi yang disuplai ke elektrode-

elektrode yang tak-reaktif dan secara sinambung membuang

produk-produknya.

2.1. Aki Primer

Sel primer yang paling terkenal adalah sel

Leclanche (juga disebut sel kering seng-karbon) yang

digunakan untuk lampu senter, radiom dan kegunaan

lain. Setaip tahun lebih dari 5 milyar sel kering

seperti ini digunakan di selutuh duniam dan

perkiraan jumlah seng yang digunakan untuk tujuan

ini lebih daru 30 metrik ton per hari.

Aki untuk mobil biasanya mempunyai tegangan

sebesar 12 Volt, sedangkan untuk motor ada tiga

jenis yaitu, dengan tegangan 12 Volt, 9 volt dan ada

juga yang bertegangan 6 Volt. Selain itu juga dapat

ditemukan pula aki yang khusus untuk menyalakan tape

atau radio dengan tegangan juga yang dapat diatur

dengan rentang 3, 6, 9, dan 12 Volt.

Dikenal dua jenis elemen yang merupakan sumber

arus searah (DC) dari proses kimiawi, yaitu elemen

primer dan elemen sekunder. Elemen primer terdiri

dan elemen basah dan elemen kering. Reaksi kimia

pada elemen primer yang menyebabkan elektron

mengalir dari elektroda negatif (katoda) ke

elektroda positif (anoda) tidak dapat dibalik

arahnya.

Maka, jika muatannya habis, maka elemen primer

tidak dapat dimuati kembali dan memerlukan

penggantian bahan pereaksinya (elemen kering).

Sehingga dilihat dari sisi ekonomis elemen primer

dapat dikatakan cukup boros. Contoh elemen primer

adalah batu baterai (dry cells). “Sel kering” tidak

benar-benar kering sama sekali, akan tetapi

elektrolitnya bubuk basah yang mengandung ammonium

klorida dan seng klorida.

Gambar 2.1 adalah ilustrasi dari potongan sel

kering, yang terdiri dari lapisan seng untuk anoda

(kutub negatif) dan batang grafit untuk katoda

(kutub positif), dimana batang dikelilingi oleh

lapisan grafit dan mangan dioksida yang padat.

Setiap komponen ini mempunyai fungsi yang menarik

dan penting. Pada anoda seng, oksidasi berlangsung:

Zn(s) Zn2+(aq) + 2 e-

Gambar 2.1 Dalam sel kering Leclanche, elektron-

elektron dilepaskan ke rangkaian luar anoda

dan masuk ke sel kembali di katoda dimana

berlangsung reduksi MnO2.

Campuran garam basah memungkingkan untuk membaca ion

melalui sel sebuah muatan netto yang sama dengan

yang dibawa oleh elektron dalam rangkaian luar, sama

seperti yang dilakukan oleh jembatan garam. Mangan

dioksida adalah akseptor elektron dan direduksi

menjadi Mn2O3 oleh elektron yang melewatinya dari

batang grafit melalui partikel grafit:

2 MnO2(s) + 2 NH4+(aq) + 2e- Mn2O3(s) + 2 NH3(aq) +

H2O(l)

Sistem pencampuran bubui grafit dengan MnO2 bubuk

yang baik akan menaikkan luas permukaan efektif

katoda, menurunkan tahanan dalam sel, dan

memungkinkan arus beberapa amper mengalir. Reaksi

sel total adalah:

Zn(s) + 2 MnO2(s) + 2 NH4+(aq) Zn2+(aq) + Mn2O3(s)

+ 2 NH3(aq) + H2O(l)

Komposisi sel ditutup rapat dalam lapisan baja yang

terhubung dengan seng dan berfungsi sebagai terminal

negatif batrai. Sel kering seng-karbon yang baru

menghasilkan selisih potensial sebesar 1,5 V.

Sel Leclanche ini mempunyai kekurangan bahwa

konsentrasinya berubah bersama waktu, sehingga

tegangan baterai turun saat dignakan. Dalam sel

kering alkalin, ammonium klorida digantikan dengan

kalium hidroksida, dan reaksi setengah-sel menjadi:

Zn(s) + 2 OH-(aq) Zn(OH)2(s) + 2e- (anoda)

2 MnO2(s) + H2O(l) + 2e- Mn2O3(s) +2 OH-(aq)

(katoda)

Reaksi total kemudian adalah:

Zn(s) + 2 MnO2(s) +H2O(l) Zn(OH)2(s) + Mn2O3(s)

(katoda)

Karena senyawa yang larut tidak muncul dalam reaksi

total, konsentrasi tidak berubah secara signifikan

dan dihasilkan tegangan yang lebih stabil.

Sel kering primer ketiga adalah sel seng-

merkuri oksida seperti yang diperhatikan dalam

Gambar 2.2. sel ini sering berbentuk kancing kecil

dan digunakan dalam kamera otomatis, alat bantu

fengar, kalkulator digital, dan jam kuartz-listrik.

Gambar 2.2 Sel kering seng

merkuri oksida

yang digunakan dalam

jam dan kamera

Baterai ini mempunyai anoda yang merupakan campuran

merkuri dan seng dan katoda baja yamg kontak dengan

merkuri(II) oksida padat (HgO). Elektrolitnya adalah

larutan KOH 45% yang menjenuhkan bahan penyerap.

Setengah reaksi anoda sama dengan setengah-reaksi

anoda dalam sel kering alkalin:

Zn(s) + 2 OH-(aq) Zn(OH)2(s) + 2e- (anoda)

Tetapi setengah-reaksi katoda sekarang adalah:

HgO(s) + H2O(l) + 2e- Hg(l) + 2 OH-(aq)

(katoda)

Reaksi total adalah:

Zn(s) + HgO(s) + H2O(l) Zn(OH)2(s) + Hg(l)

Sel ini mempunyai keluaran yang sangat stabil

sebesar 1,34 V, sebuah kenyataan yang membuatnya

sangat spesial untuk digunakan dalam peralatan

komunikasi dan peralatan ilmu pengetahuan.

2.2. Aki Sekunder

Dalam beberapa aki, elektroda dapat diisi ulang

setelah habis dengan memberikan potensial luar yang

berlawanan arah dengan arus yang mengalir dalam sel.

Ini disebut aki sekunder, dan proses yang

mengembalikannya pada kondisi awal disebut

“pengisian ulang”. Untuk mengisi ulang sebuah aki

sekunder yang sudah habis, tegangan dari sumber luar

harus lebih besar dari tegangan aki pada kondisi

awalnya dan tentu saja polaritasnya berlawanan.

Sel nikel-kadmium (atau batrai nicad; Gambar

2.3) digunaka dalam kalkulator tangan elektronik dan

alat listrik tanpa kabel seperti pencukur listrik.

Gambar 2.3 Baterai Nikel Kadmium yang dapat diisi

ulang

(Baterai Energizer)

Reaksi setengah selnya selama pemakaian adalah:

Cd(s) + 2 OH-(aq) Cd(OH)2(s) + 2 e-

(anoda)

2NiO(OH)(s) + 2H2O(l) + 2e- 2NiO(OH)2(s) + 2OH-

(aq) (katoda)

Cd(s) + 2 NiO(OH)(s) + 2 H2O(l) Cd(OH)2(s) + 2

Ni(OH)2(s)

Baterai ini memberikan tegangan yang cukup stabil

sebesar 1,4 V. Jika ini dihubungakan ke sumber

tegangan luar, reaksi sebelumnya dibalik selama

pengisian ulang baterai

Kelebihan Baterai Nikel Kadmium adalah sebagai

berikut:

• Dapat diisi ulang

• Praktis, mudah dibawa

• Potensial selnya atau arus yang dihasilkan

bertahan sangat konstan selama pemakaian karena

hasil reaksi pada setiap elektrodanya berwujud

padat

• Dapat diperoleh dalam berbagai bentuk ukuran

Sementara kekurangan dari Baterai Nikel Kadmium

adalah:

• Biaya pembuatannya yang mahal

• Baterai dapat mengingat jumlah energi yang

dilepaskan pada saat di charge sebelumnya. Efek

ingatan disebabkan oleh perubahan yang terjadi

pada struktur kristal elektrode ketika baterai

nikel kadmium diisi muatan listrik kembali sebelum

seluruh energi listrik yang terdapat pada baterai

nikel kadmiun dikeluarkan/digunakan

• Sensitif terhadap kelebihan pengisian.

• Tidak ramah lingkungan (beracun) karena limbah Cd

bersifat racun.

• Penanggulangannya dengan cara di daur ulang.

Hal yang penting dari sebuat aki skeunder

adalah aki penyimpan timbal-asam, yang digunakan

dalam mobil. Sebuah aki penyimpan timbale 12-V

terdiri dari enam sel 2-V yang dihubungkan secara

seri (katoda ke anoda) oleh hubungan timbal internal

dan ditutup dalam karet keras atau kotak plastik.

Dalam tiap sel anoda terdiri dari logam timbal

yang bentuknya berpori untuk memaksimalkan luas

permukaan kontaknya dengan elektrolit. Katodanya

mempunyai rancangan yang sama, tetapi timbalnya

diubah menjadi timbal oksida. Larutan asam sulfat

(dengan massa 37%) berfungsi sebagai elektrolit.

Bila rangkaian luar dihubungakan, elektron

dilepaskan dari anoda ke rangkaian luar dan ion Pb2+

yang dihasilkan mengendap pada elektroda sebagai

endapan timbal sulfat. Pada katodam elektron dari

rangkaian luar mereduksi PbO2 menjadi air dan ion

Pb2+, yang juga mengendap sebagai PbSO4 pada

elektroda itu. Reaksi setengah-selnya adalah:

Pb(s) + SO42-(aq) PbSO4(s) +2 e-

(anoda)

PbO2(s) + SO42-(aq) + 4 H3O+(aq) + 2 e- PbSO4(s) + 6

H2O(l) (katoda)

Pb(s) + 2 PbO2(s) + SO42-(aq) + 4 H3O+(aq) 2 PbSO4(s)

+ 6 H2O(l)

Anoda dan katoda diubah menjadi PbSO4(s) jika aki

penyimpan habis terpakai, dank arena asam sulfat

adalah reaktan, konsentrasinya turun. Pengukuran

berat jenis elektrolit memberikan cara yang cepat

untuk memperkirakan kondisi muatan aki.

Bila tegangan lebih dari 12 V diaplikasikan

pada ujung aki dalam arah yang berlawanan, rekasi

setengah-sel dibalik. Bagian siklus ini membawa

kembali aki ke keadaan awalnya, yang siap digunakan

dalam pekerjaan lain yang menghasilkan pelepasan

setengah siklus. Aki penyimpan timbal-asam bisa

digunakan beberapa ribu siklus pelepasan dan

pemuatan sebelum mereka pada akhirnya rusak karena

pengelupasan PbSO4 dari elektroda atau pembentukan

hubungan pendek internal.

Dalam aki mobil biasanya tidak ditujukan untuk

menjalani siklus pelepasan-pemuatan sampai habis.

Akan tetapi, sebuah generator mengubah beberapa

energi kinetik kendaraan menjadi energi listrik

untuk pengisian kontinu atau diskontinu. Kira-kira

1,8x 107 J dapat diperoleh selama pelepasan aki

mobil rata-rata, dan arus sebesar 100 A dirancang

unutk waktu pendek yang dibutuhkan untuk menstater

mesin.

Kekurangan aki penyimpan timbal-asam adalah

berat jenis energinya yang rendah, jumlah energi

yang bisa didapat per kilogram berat aki. Ini tidak

penting bila aki digunakan untuk menstater mobil

berenergi bensin, tetapi ini menghalangi penggunaan

aki dalam kendaraan yang digerakkan oleh motor

listrik. Kesulitan rasio energi per berat yang

rendah ini, yang membatasi pemakaian kendaraan

sebelum pengisian ulang diperlukan, telah memacu

penelitian oleh para ahli elektrokimia untuk

mengembangkan aki sekunder yang mempunyai berat

jenis energi yang lebih tinggi.

Satu garis pendekatan yang menjanjikan adalah

pengembangan aki isi ulang yang menggunakan logam

alkali (litium atau natrium) sebagai anoda dan

belerang sebagai akseptor elektron. Belerang

bersifat nonkonduktor listrik, sehingga grafit

digunakan sebagai katoda yang menghantarkan elektron

padanya. Unsur-unsur harus berada pada kondisi

cairnya, sehingga aki ini adalah sel dengan suhu

tinggi (belerang meleleh pada 112oC, litium pada

186oC dan natrium pada 98oC). sel natrium-belerang,

sebagai contoh, mempunyai suhu kerja yang optimum

pada 250oC.

Reaksi setengah-selnya adalah:

2 Na 2 Na+ + 2 e- (anoda)

S + 2 e- S2- (katoda)

2 Na + S 2 Na+ + S2-

Ini sebenarnya proses katoda yang amat

disederahanakan, karena ion sulfide dengan belerang

membentuk polisulfida:

S2- + nS S2-n+1

tetapi kerja dari sel tetap.

Apa yang membuat sel natrium-belerang mungkin

adalah sifat senyawa sangat istimewa yang disebut

beta-alumina, yang mempunyai komposisi NaAl11O17. Ini

memungkinkan ion natrium untuk berpindah senyawa

dengan sangat mudah, tetapi menghalangi lewatnya ion

polisulfida. Oleh karena itu, senyawa inidapat

berfungsi sebagai media yang semipermeabel seperti

membran yang digunaka dalam osmosis. Elektrolit pada

penghantar ion seperti ini penting untuk mencegah

reaksi kimia langsung antara belerang dan natrium.

Aki litium-belerang bekerja dengan prinsip yang

sama, dan elektrolit padat yang lain seperti seperi

kalsium fluorida, yang memungkinkan perpindahan ion

fluorida, bisa digunakan dalam sel yang menggunakan

unsur ini.

Mengapa sel logam alkali-belerang ini sangat

menjanjikan adalah karena rapatan energinya tinggi

sehingga kita dapat membuat aki yang ringan namun

mampu menghasilkan arus yang besar. Penggunaannya

dalam mobil listrik adalah kemungkinan yang menarik.

Jika harga bahan bakar yang berasal dari minyak naik

dan pasokannya menjadi kurang, sel seperti aki logam

alkali alkali-belerang dapat digunakan.

Aki juga dapat dibagi menjadi 2 macam yaitu aki

basah dan aki kering. Aki basah merupakan aki yang

sudah lama dan sering kita lihat di setiap motor

maupun mobil, sebab aki basah inilah awalnya kita

mengenalnya. Aki jenis ini dapat dikenali dari

melihat fisik secara langsung. Biasanya aki basah

menggunakan wadah yang berwarna transparan, yang

memperlihatkan bagian dalam.

Cairan elektrolit yang diisikan biasanya

disebut  air aki atau air zuur (untuk aki baru),

yang berfungsi untuk merendam sel-sel aki. Volume

air aki tersebut harus tetap dijaga diatas batas

minimal, untuk tetap dapat merendam sel-sel yang ada

di dalam wadah tersebut, bila volume air kurang dari

batas minimal maka sel penyimpanan arus akan ter-

oksidasi dan berkarat. Cukup menggunakan air biasa

atau air destilasi untuk menambah volume air. Ingat,

tambahlah dengan air biasa atau destilasi bukan air

zuur.

Yang kedua yaitu aki kering, Aki kering

merupakan bentuk pengembangan dari aki basah yang

sudah lama dikenal konsumen. Perbedaan fisik yang

langsung terlihat adalah pada warna wadah yang gelap

/ tidak transparan dan tidak adanya lubang-lubang

untuk mengisi air aki. Cairan berbentuk gel

digunakan sebagai pengganti cairan elektrolit. Gel

ini sangat minim tingkat penguapannya dan pada saat

menguap pun, uap tersebut tidak dibuang keluar

wadah,tetapi masuk lagi ke dalam wadah (Maintenance

Free).

Komponen dari aki ada beberapa macam yaitu:

• Jenis aki yang umum digunakan adalah accumulator

timbal

• Kutub positif (katoda) : timbal dioksida (Pb02)

• Kutub negatif (anoda) : timbal murni (Pb)

• Elektrolit : asam sulfat

(H2SO4)

• Letak pelat positif dan negatif sangat berdekatan

tetapi dibuat untuk tidak saling menyentuh dengan

adanya lapisan pemisah yang berfungsi sebagai

isolator (bahan penyekat).

2.3. Sel Bahan Bakar

Sel hidrogen-oksigen termasuk jenis sel bahan

bakar yang terus-menerus dapat berfungsi selama

bahan-bahan secara tetap dialirkan ke dalamnya. Sel

hidrogen-oksigen terdiri atas anode dari lempeng

nikel berpori yang dialiri gas hidrogen dan katode

dari lempeng nikel oksida berpori yang dialiri gas

oksigen. Elektrolitnya adalah larutan KOH pekat.

Sel bahan bakar didasarkan pada reaksi:

2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(l)

Digunakan dalam kendaraan angkasa luar Gemini dan

Apollo, sebagai contoh, untuk membanatu memenuhi

kebutuhan listrik selama misi. Setelah dimurnikan

dengan penukar ion, air tersebut kemudian diminum

oleh para awak,

Gambar 2.4 Didalam sel bahan bakar hidrogen-

oksigen, kedua gas dialirkan secara

terpisah dan dioksidasi atau direduksi di

elektroda-elektroda. Larutan panas kalium

hidroksida antara elektroda-elejtroda

menyempurnakan rangkaian, dan uap yang

dihasilkan dalam reaksi menguap dari sel

secara kontinu

Gambar 2.4 menunjukkan sel bahan bakar hidrogen-

oksigen secara skematis. Elektroda dapat berpa

konduktor nonreaktif manapun (grafit, misalnya),

yang fungsinya adalah menghantarkan elektron ke

dalam dan keluar dari sel serta untuk mempermudan

pertukaran elektron antara gas dan ion dalam

larutan. Elektrolit membawa muatan melalui sel, dan

ion yang larut di dalamnya ikut serta dalam

setengah-reaksi di setiap elektroda. Larutan asam

menimbulkan masalah korosi, sehingga dipilih larutan

basa (misalnya, NaOH 1 M). Setengah-reaksi anoda

kemudian adalah:

H2(g) + 2 OH-(aq) 2 H2O(l) + 2 e-

dan reaksi pada katoda adalah

½ O2(g) + H2O(l) + 2 e- 2 OH-(aq)

Potensial reduksi standar pada 25oC (konsentrasi 1

M, tekanan 1 atm) adalah

o(H1|H2) = -0,828 V dan o(O2|OH-) = 0,401 V

reaksi sel total adalah pembentukan air:

H2(g) + ½ O2(g) H2O(l)

Dan tegangan sel adalah

∆ o = o (katoda) - o (anoda) = 0,401 – (-0,828)

= 1,229 V

Tegangan sel total tidak tergantung pada pH karena

OH- sudah keluar; tegangan yang sama akan didapat di

dalam sel bahan bakar asam.

Sel bahan bakar lainnya menggunakan reksi total:

CO(g) + ½ O2(g) CO2(g)

dimana setengah-reksinya adalah:

CO(g) + 3 H2O(l) CO2(g) + 2 H3O+(aq) + 2

e- (anoda)

½ O2(g) + 2 H3O+(aq) + 2 e- 3 H2O(l)

(katoda)

Elektrolit yang biasanya digunakan adalah asam

fosfat pekatm dan suhu kerja antara 100oC dan 200oC.

Platina adalah bahan elektroda pilihan karena

memudahkan reaksi perpindahan elektron.

Gas alam (biasanya CH4) dan bahan bakar minyak dapat

di “bakar” secara elektrokimia untuk menghasilkan

energy listrik melalui dua pendekatan. Mereka dapat

diubah menjadi CO dan H2 atau menjadi CO2 dan H2

dalam pemakaiannya di sel bahan bakar oleh reaksi

dengan uap

CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g)

CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)

pada suhu sekitar 500oC. Sebagai alternatif mereka

dapat digunakan langsung dalam sel bahan bakar pada

suhu lebih tinggi (sampai 750oC) dengan logam alkali

karbonat cair sebagai elektrolit. Jenis sel bahan

bakar menarik sebagai pengubah energi elektrokimia

di daerah dimana bahan bakar hidrokarbon tersedia,

tetapi pabrik pembangkit skala-besar (fosil atau

nuklir) jauh.

Keuntungan teori sel bahan bakar elektrokimia

dibandingkan dengan teknologi bahan bakar yang lebih

tradisional dapat dilihat dari analisis

termodinamika. Jika reaksi kimia seperti oksidasi

bahan bakar dapat berlangsung secara elektrokimia ,

maka kerja maksimal (rebersibel) yang bisa didapat

sama dengan perubahan energi bebas ∆G.

-Wmaks(sel bahan bakar) = |∆G|

Dalam teknologi bahan bakar tradisional, bahan bakar

yang sama akn dibakar di udara, yang menghasilkan

sejumlah kalor qp=∆H, entalpi pembakaran. Kalor

kemudian digunakan untuk menjalankan system

generator-generator mesin kalor untuk menghasilkan

tenaga listrik. Efisiensi perubahan kalor menjadi

kerja dibatasi oleh hukum termodinamika.

Jika kalor diberikan pada suhu Th dan jika suhu

kerja yang lebih rendah adalah T1, kerja maksimal

yang bisa didapat adalah

-Wmaks(mesin kalor) = |qP| =Th–T1Th |∆H|

Karena intensitas ∆H umumnya sebanding dengan

intensitas ∆G untuk reaksi oksidasi bahan bakar, sel

bahan bakar akan lebih efisien karena faktor (Th –

T1) / Th untuk mesin kalor jauh lebih kecil dari I.

dalam prakteknya, sel bahan bakar dan mesin kalor

harus dioperasikan secara tak reversibel (atau

menaikkan energi produksi), dan kerja yang didapat

dari keduanya kurang dari Wmaks. Efisiensi total mesin

kalor praktis jarang melebihi 30-35%, sedangkan

efisiensi sel bahan bakar bisa berada dalam interval

60-70%. Keuntungan teknologi sel bahan bakar ini,

bagaimanapun, sebagian diimbangi oleh biaya

konstruksi dan pemeliharaan sel bahan bakar yang

besar.

BAB III

TINJAUAN KASUS

Reaksi kimia dapat kita temukan pada banyak

peristiwa di kehidupan sehari-hari. Salah satunya yaitu

reaksi yang dapat menimbulkan energi listrik. Hal ini

tentu saja banyak dikenal karna kegunaannya yang dapat

memberi kemudahan kepada manusia dalam melakukan berbagai

kegiatan, contohnya dalam industri pembuatan baterai,

aki, dan banyak lagi contoh lainnya yang dapat

menghantarkan arus listrik.

Reaksi kimia yang dapat menghantarkan arus listrik

sangat berhubungan dengan sel elektrokimia, dimana pada

sel elekrokimia terjadi reaksi antar ion anode dan ion

katode yang dapat menghantarkan arus listrik. Sel

elektrokimia dibagi menjadi dua yaitu sel elektrolisis

yang menggunakan energi listrik untuk melangsungkan

reaksi kimia tak spontan dan sel galvani atau sel volta

yang merupakan hasil dari reaksi redoks spontan yang

diubah menjadi energi listrik.

Salah satu bagian dari Elektrokimia, yaitu Sel

Galvani yang juga disebut sebagai Sel Volta diaplikasikan

dalam kehidupan sehari-hari sebagai sumber listrik sejak

ratusan tahun sebelum masehi. Setelah melalui berbagai

perkembangan Sel Volta dikenal sebagai baterai yang

memiliki banyak kegunaan.

Berdasarkan reaksinya Sel Volta atau Sel Galvani

dapat dibagi dalam dua bagian, yaitu sel primer dan sel

sekunder. Sel primer bereaksi searah sehingga setelah

dipakai tidak berguna lagi, sementara sel sekunder adalah

sel yang reaksinya dapat balik, pembalikan reaksi terjadi

dengan member arus listrik yang berlawanan arah.

Pembagian sel volta yaitu adalah sel primer, ada

beberapa macam sel primer yang banyak digunakan dalam

kehidupan sehari-hari. Yang paling dikenal adalah sel

kering atau sel Leclanche. Sel ini tidak benar-benar

kering namun memiliki bubuk basah yang mengandung

ammonium-klorida dan seng-klorida Baterai kering seng

masih merupakan jenis yang paling banyak di jumpai di

Indonesia. Harganya relatif murah dan banyak digunakan

pada radio, senter, mainan dan sejenisnya. Potensial sel

dari baterai sekitar 1,5 V dan menurun sejalan dengan

lama pemakaian.

Hal itulah yang merupakan kelemahan sel ini yaitu

cepat habis jika dipakai terus menerus, karena hasil

reaksi menempel pada elektroda sehingga melindungi

reaksi. Jika diistirahatkan sel ini memberikan tenaga

waktu tambahan yang memungkinkan terjadinya reaksi kimia

dan proses difusi yang akan membuang produk reaksi dari

dekat electrode dan memungkinkan pereaksi segar mendekat.

Waktu pakai sel ini yang realtif pendek dibangdingkan sel

jenis lain maka dari itu harganya realtif lebih murah.

Fakta yang kita temui dalam kehidupan sehari-hari

yaitu pada lampu senter, a[anila baterai lampu senter

digunakan terus-menerus dalam waktu satu jam atau lebih,

cahaya lama kelamaan akan meredup dan tampak seperti

mati. Namun setelah didiakan dalam beberapa lama, baterai

tersebut dapat menghasilkan arus dengan cahayan yang

normal kembali.

Jenis dari sel primer yang kedua yaitu sel kering

alkali. Sel ini dapat digunakan sebagai pengganti sel

kering Lenclanche. Sel ini lebih tahan karena hasul

reaksinya tidak begitu menggangu permukaan elektroda.

Dalam beberap kondisi, baterai ini dapat menghasilkan

energi dua kali lebih besar dari pada sel Lenclanche

dalam ukuran yang sama.

Sel seng merkuri-oksida merupakan jenis sel primer

yang ketiga yang bentuknya lebih kecil dan ringan

dibandingkan dengan yang lainnya. Sel ini memiliki

efisiensi yang lebih tinggi daripada sel primer lain, sel

ini juga memberikan voltase yang lebih konstan dibanding

dengan sel Leclanche. Sel ini memiliki kapasitas yang

jauh lebih tinggi dan awet, pemanfaatan bahan aktif

sampai dengan 80-90%. Sifat-sifat yang dimiliki oleh sel

ini membuat baterai merkuri ideal untuk digunakan dalam

alat pacu jantung, alat bantu dengar, arloji listrik, dan

pengatur cahaya.

Pembagian Sel Galvani atau Sel Volta setelah Sel

Primer adalah Sel Sekunder. Salah satuya adalah sel

nikel-kadmium, disebut juga nicad. Sel ini lebih tahan

dari sel penyimpan timbal, bentuknya mirip dengan sel

kering dan mudah dibawa. Potensialnya cukup kecil, yaitu

1,4 V dan sel ini sering digunakan pada alat-alat

elektronik seperti kalkulator, kamera dan sebagainya.

Bagian dari sel sekunder yang lainnya adalah sel

penyimpan timbal asam. Umumnya sel penyimpan timbal ini

digunakan sebagai baterai pada mobil atau yang sering

disebut dengan aki. Dengan proses elektrokimia reversibel

yaitu di dalam aki saat dipakai berlangsung proses

pengubahan kimia menjadi tenaga listrik (discharging).

Sedangkan saat diisi atau dimuati, terjadi proses tenaga

listrik menjadi tenaga kimia (charging).

Penerapan aki dalam kehidupan sehari hari dapat

sebagai alat untuk menghimpun energi listrik secara

langsung yaitu seperti menyalakan kendaraan bermotor

seperti mobil, motor, menyalakan benda – benda elektrik

seperti lampu, TV, menyalakan generator, pembangkit

listrik dan juga sebagai penyimpan energi listrik secara

tidak langsung seperti penghasil dan penyimpan daya

listrik hasil reaksi kimia dan peranti untuk mengubah

tenaga listrik menjadi tenaga kimia atau sebaliknya.

Beberapa kelebihan dari aki diantaranya adalah mampu

menyediakan sumber energi yang lebih besar contohnya

sebagai starter, mempunyai waktu hidup relatif panjang,

serta efektif pada suhu rendah. Sementara aki juga

memiliki kekurangan, seperti: kapasitasnya dapat hilang,

dan resiko keselamata, sel yang sudah lama dapat

menimbulkan kerak dan dapat kehilangan air jika

digunakan. Selama pengisian kembali, terkadang air akan

terhidrolisis menghasilkan H2 dan O2, dimana dapat meledak

jika disulut, dan kepercikan H2SO4.

Aki menjadi pilihan yang praktis bagi banyak orang

karena dapat menghasilkan listrik yang cukup besar dan

dapat diisi kembali. Sel aki terdiri atas anode Pb dan

katoda PbO2, keduanya merupakan zat padat yang dicelupkan

dalam larutan asam sulfat. Aki dapat diisi kembali karena

hasil-hasil reaksi pengosongan aki tetap melekat pada

kedua elektrode. Pengisian aki dilakukan dengan membalik

arah aliran elektron pada kedua elektrode.

Pada daerah dingin kadang-kadang akan sulit untuk

menyalakan mobil karena akinya mati. Perhitungan

termodinamika menunjukkan bahwa emf dari banyak sel

elektrokimia menurun dengan menurunnya suhu. Penyebab

sebenarnya matinya aki ialah meningkatnya viskositas

elektrolit karena suhu menurun. Agar aki dapat berfungsi

baik, elektrolit harus bisa menghantar sepenuhnya. Namun,

ion bergerak jauh lebih lambat dalam medium yang kenal,

sehingga resistansi cairan meningkat, mengakibatkan

turunnya daya aki. Jika aki mati maka dihangatkan sampai

mendekati suhu kamar pada hari yang dingin kekuatannya

dalam menghantar daya akan kembali.

Sebuah aki adalah sistem tertutup yang menghasilkan

energi listrik dari reaksi elektrokimia. Sekali bahan

kimia yang awalnya ada dipakai, aki itu harus diisi ulang

atau dibuang. Sebaliknya, sel bahan bakar dirancang untuk

operasi kontinu, dengan reaktan (bahan bakar) yang

disuplai dan produk diambil secara kontinu. Ini adalah

alat pengubah energi, yang merubah energi kimia menjadi

energi listrik.

Sel bahan bakar tersebut merupakan bagian lain dari

sel volta yang mirip dengan aki atau baterai, dimana

bahan bakarnya diisi secara terus menerus sehingga dapat

dipergunakan secara kontinu. Bahan baku dari sel bahan

bakar adalah gas hidrogen dan oksigen.

Kegunaan dari sel bahan bakar yaitu pada mobil

listrik dan peralatan elektronik rumah tangga, untuk

pembangkit energi komersial dan industrial, sumber energi

pada kendaraan ruang angkasa, stasiun pemantauan cuaca,

dan pusat komunikasi, serta untuk keperluan militer

tertentu.

Sel bahan bakar seringkali dianggap sangat menarik

dalam aplikasi modern karena efisiensinya yang tinggi dan

penggunaannya yang bebas emisi, sangat berlawanan dengan

bahan bakar yang biasa dipakai seperti methane atau gas

alam yang menghasilkan karbondioksida. Hasil produk dari

bahan bakar yang beroperasi menggunakan hidrogen murni

adalah uap air.

Namun, kekhawatiran dalam proses pembuatan hidrogen

yang menggunakan banyak energi ialah dalam memproduksi

hidrogen membutuhkan carrier hydrogen yang biasanya

merupakan bahan bakar fosil, meskipun air dapat dijadikan

alternatif, dan juga listrik, yang diproduksi oleh bahan

bakar konvensional. Meskipun sumber energi alternatif

seperti energi angin dan surya dapat juga digunakan,

namun sekarang ini mereka dapat menjadi sangat mahal.

Sel bahan bakar atau yang sering disebut fuel cell

dapat dikatakan sebagai baterai masa depan. Dimana fuel cell

ini sangat ramah lingkungan karena produk dari fuel cell ini

adalah air.

Sel bahan bakar memiliki efisiensi yang cukup

tinggi, sekitar 85%. Umumnya konversi energi kimia dari

bahan bakar menjadi energi listrik memerlukan tiga

langkah, yaitu:

1. produksi panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan

bakar

2. konversi dari panas ke energi mekanik

3. konversi energi mekanik ke energi listrik.

Namun pada langkah ini efisiensinya hanya sekitar 41%,

maka dilakukan pendekatan dengan sel galvani, yaitu sel

bahan bakar sehingga tahap yang kedua tidak perlu

dilakukan maka efisiensinya dapat mencapai 85%.

Sel bahan bakar juga bersifat modular. Dengan rapat

energi yang besar dan ukuran atau volume yang kecil maka

sel bahan bakar ini dapat ditempatkan dimana kita

memerlukannya.

Sel bahan bakar banyak menjadi pilihan karena

emisinya rendah. Secara teoritis limbah atau emisi yang

dihasilkan adalah air, berbeda dengan pembakaran biasa

yang menggunakan mesin, dimana limbah yang dihasilkan

adalah gas-gas yang berpotensi untuk mencemari lingkungan

seperi Sox (belerang oksida), NOx (nitrogen oksida), dan

CO (karbon monoksida). Keuntungan lainnnya dalam

penggunaan bahan bakar adalah limbah-limbah emisi seperti

CO dapat dimasukkan ke sel ini menghasilkan CO2 dan

energi.

Selain itu apabila menggunakan pembangkit daya yang

kovensional dapat menyebabkan kebisingan, sementara sel

bahan bakar tidak menghasilkan suara, sama seperti

baterai biasa yang tidak menimbulkan suara tetapi

perbedaannya yaitu pada baterai biasa memerlukan

pengganti elektrolit dengan pengisian ulang sementara sel

bahan bakar tidak memerlukan hal tersebut.

Ada beberapa jenis sel bahan bakar yang memerlukan

suhu operasi diatas 300oC dan panas yang terbuang dapat

di recovery dan dimasukkan kembali ke sel bahan bakar. Pada

umumnya bahan bakar yang digunakan dalam sel bahan bakar

adalah hydrogen dan oksigen, namun dapat juga dicoba

dengan bahan bakar lain yaitu ammonia, hidrazine,

methanol dan batubara.

Salah satu contoh penerapan dari bahan bakar adalah

yang telah dikembangkan oleh BPTP atau Bahan Pengkajian

dan Penerapan Teknologi. Mereka telah menghasilkan

listrik 1.000 watt untuk pemenuhan listrik permukiman.

Sel bahan bakar yang digunakan yaitu aki yang

memiliki kutub anoda dan katoda, pada kutub anoda

terdapat gas hydrogen sedangkan pada kutub anoda terdapat

oksigen. Arus listrik timbul ketika ion hydrogen dan

elektron dari anoda mereduksi oksigen hingga terjadi

perbedaan potensial yang menjadi arus listrik. Limbahnya

berupa air murni.

Perkembangan sel bahan bakar juga dapat ditemui pada

bio hidrogen yang menggunakan fermentasi bio massa

berbagai bahan seperti limbah, singkong, nira dan sorgum.

Biaya yang diperlukan untuk memproduksinya pun relatif

murah. 500 watt dari produksi sel bahan bakar telah

dimanfaatkan untuk sepeda motor listrik tanpa baterai.

Dan banyak lagi kegunaan dari sel bahan bakar yang dapat

diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari.

DAFTAR PUSTAKA

Chang, Raymond. 2004. Kimia Dasar: Konsep-Konsep Kimia Inti.

Jakarta: Erlangga

Keenan, Charles W. dkk. 1979. Kimia Untuk Universitas.

Jakarta:Erlangga

Oxtoby, David W. dkk. 1998. Prinsip-Prinsip Kimia Modern.

Jakarta:Erlangga

S, Syukri. 1999. Kimia Dasar 3. Bandung:ITB

http://kimia.upi.edu/utama/bahanajar/kuliah_web/2007/Irma%20Nurhasanah%20(043801)/APLIKASI%20SEL%20VOLTA/SEL%20VOLTA/4.html

http://www.alpensteel.com/article/65-109-energi-fuel-cell-sel-

bahan-bakar/2626-fuel-cell-sistem-matisnya-sel-bahan-baka.html

Sumber gambar:

http://1.bp.blogspot.com/-WW0BjnY3mPs/TmB290EGiDI/

AAAAAAAABQE/Rdx7PmW3-aw/s1600/kimia05.png

http://kimia.upi.edu/staf/nurul/web2012/1001078/

litium_clip_image001.jpg

http://kimia.upi.edu/utama/bahanajar/kuliah_web/2007/Irma

%20Nurhasanah%20(043801)/APLIKASI%20SEL%20VOLTA/batteries.jpg

http://kimia.upi.edu/utama/bahanajar/kuliah_web/2007/tugas

%20web_fitri%20fauzia%20054671/galvani%20sehari-

hari_clip_image002_0003.jpg