Sel volta: pengertian, contoh, komponen, sejarah

Sel elektrokimia yang mengubah energi kimia dari reaksi redoks spontan menjadi energi listrik dikenal sebagai sel galvanik atau sel volta.  Sel volta adalah sel elektrokimia yang memanfaatkan reaksi kimia untuk menghasilkan energi listrik.

Mari kita memahami bagaimana sel volta atau galvanik dibuat.

Sel volta adalah sel elektrokimia yang menggunakan reaksi kimia untuk menghasilkan energi listrik. Luigi Galvani (1737-1798) adalah seorang dokter Italia dan ilmuwan yang melakukan penelitian tentang konduksi saraf pada hewan. Pengamatan disengaja Nya dari kedutan kaki katak ketika mereka terjadi  kontak dengan pisau bedah besi saat kaki tergantung di kait tembaga menyebabkan studi tentang konduktivitas listrik pada otot dan saraf. Dia percaya bahwa jaringan hewan mengandung “listrik hewan” mirip dengan listrik alami yang menyebabkan petir akan terbentuk.

Pengertian

Sel volta, sering dikenal sebagai sel galvanik, adalah sel elektrokimia yang menggunakan reaksi redoks spontan untuk menghasilkan energi listrik. Sumber energi ini adalah reaksi kimia spontan, lebih khusus reaksi redoks spontan.

Sebagai contoh, semua baterai terbuat dari satu atau lebih sel volta; baterai menjadi kosong ketika sebagian besar atau semua reaktan mereka telah dikonversi menjadi produk, mengubah energi potensial kimianya menjadi energi listrik.

Sel volta adalah salah satu dari dua tipe dasar sel elektrokimia. Jenis lainnya adalah sel elektrolitik; dalam sel elektrolitik, energi listrik digunakan untuk mendorong reaksi kimia non-spontan. Sebagai contoh, air dapat dipecah menjadi hidrogen dan oksigen dalam sel elektrolitik. Juga, ketika baterai yang dapat diisi ulang diisi ulang, ia beroperasi sebagai sel elektrolitik.

Komponen Sel volta

Sel volta terdiri dari bagian berikut:

  • Anoda – Oksidasi terjadi pada elektroda ini.
  • Katoda – Reduksi terjadi pada elektroda ini.
  • Jembatan garam – Berisi elektrolit yang dibutuhkan untuk menyelesaikan rangkaian dalam sel galvanik.
  • Setengah sel – reaksi reduksi dan oksidasi dipisahkan menjadi kompartemen.
  • Sirkuit eksternal – Melakukan aliran elektron antar elektroda
  • Load – Bagian dari rangkaian memanfaatkan elektron untuk mengalir untuk menjalankan fungsinya.

Elektroda Sel volta

Sel volta (lihat Gambar di bawah) terdiri dari dua wadah yang terpisah. Setengah sel merupakan salah satu bagian dari sel volta yang akan terjadi setengan-reaksi oksidasi atau reduksi sehingga reaksi dapat berlangsung. Setengah-sel kiri adalah sepotong logam seng dalam larutan seng sulfat. Setengah-sel kanan adalah sepotong logam tembaga dalam larutan tembaga (II) sulfat. Strip logam disebut elektroda.

Elektroda adalah konduktor dalam sebuah rangkaian yang digunakan untuk membawa elektron ke bagian bukan logam dari rangkaian. Bagian bukan logam dari rangkaian tersebut adalah larutan elektrolit di mana elektroda ditempatkan. Sebuah kawat logam menghubungkan dua elektroda. Sebuah saklar dapat membuka atau menutup rangkaian. Sebuah membran berpori ditempatkan antara dua bagian dari setengah-sel untuk melengkapi rangkaian.

sel volta
sel volta

Berbagai proses elektrokimia yang terjadi pada sel volta terjadi secara bersamaan. Hal ini paling mudah untuk menjelaskan dalam langkah-langkah berikut, dengan menggunakan sel seng-tembaga di atas sebagai contoh.

1. atom Seng dari elektroda seng dioksidasi menjadi ion seng. Hal ini terjadi karena seng lebih tinggi dari tembaga pada rangkaian dengan begitu lebih mudah teroksidasi.

Zn → Zn2+ 2e

Elektroda di mana terjadi oksidasi disebut anoda. Anoda seng secara bertahap berkurang saat sel beroperasi karena hilangnya logam seng. Konsentrasi ion seng akan meningkat pada setengah sel lainnya. Karena produksi elektron pada anoda, diberi label sebagai elektroda negatif.

2. Elektron yang dihasilkan akan bergerak dari anoda seng melalui kawat eksternal dan akan nampak pembacaan pada voltmeter. Mereka berlanjut ke elektroda tembaga.

3. Elektron masukkan elektroda tembaga di mana mereka bergabung dengan ion tembaga (II)  dalam larutan, logam tembaga akan mengalami reduksi.

Cu2+ + 2e → Cu

Elektroda di mana terjadi reduksi disebut katoda. Katoda secara bertahap akan bertambah massa karena produksi logam tembaga. Konsentrasi ion tembaga (II) dalam larutan setengah-sel menurun. Katoda adalah elektroda positif.

4. Ion bergerak melalui membran untuk menjaga netralitas listrik dalam sel. Dalam sel digambarkan di atas, ion sulfat akan bergerak dari sisi ke sisi tembaga seng untuk mengkompensasi penurunan Cu2+ + dan peningkatan Zn2+ .

Dari kedua setengah reaksi dapat lagi disimpulkan untuk reaksi redoks keseluruhan terjadi dalam sel volta.

Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

Contoh Sel Volta

1. Baterai Edison

Baterai Edison adalah sel sederhana yang dapat diisi ulang yang ditemukan oleh Thomas Edison. Terdiri dari dua elektroda logam, satu terbuat dari besi, yang lain dari nikel. Selama pengisian awal, lapisan nikel oksida terbentuk pada elektroda nikel.

Skema kasar pemakaian sel Edison
Skema kasar pemakaian sel Edison

Elektrolit (cairan ionik antara elektroda) adalah 20-30 persen berat kalium hidroksida dalam air. Peran kalium hidroksida dalam hal ini adalah untuk meningkatkan konduktivitas ionik untuk menyelesaikan rangkaian listrik – kalium hidroksida tidak dikonsumsi dalam reaksi.

Ketika habis, sel Edison beroperasi sebagai sel volta. Ketika sedang diisi, sel beroperasi sebagai sel elektrolitik.

Persamaan kimia untuk reaksi di elektroda adalah:

Ni2O3 + H2O + 2 e ⇌ 2 NiO + 2 OH

Fe + 2 OH ⇌ Fe(OH)2 + 2 e

Selama pelepasan, ketika sel menghantarkan energi listrik, reaksi-reaksi di atas bergerak ke kanan →.

Selama pengisian, ketika sel mengubah energi listrik menjadi energi potensial kimia, reaksi di atas berlanjut ke kiri ←.

Sel Edison, dengan kedua elektroda berbagi elektrolit yang sama, adalah salah satu sel volta paling sederhana dalam penggunaan praktis; kebanyakan sel volta lebih rumit. Keuntungannya yang luar biasa adalah kekokohannya yang luar biasa terhadap kesalahan seperti pengisian berlebih dan masa kerjanya yang sangat lama, dengan siklus charge-discharge yang hampir tak terbatas.

Kerugian terbesarnya adalah, relatif terhadap keluaran energinya, sangat berat.

2. Baterai Lithium

Kemajuan teknologi baterai telah mendorong miniaturisasi perangkat elektronik. Tanpa kemajuan ini, perangkat modern seperti ponsel dan tablet akan menjadi lebih besar dan lebih rumit.

Inti dari kemajuan ini adalah teknologi ion lithium. Lithium adalah logam dengan kepadatan sangat rendah: pada 0,534 g / cm3 litium setengah padatnya seperti air; lithium mengapung di atas air. Bandingkan ini dengan logam dalam sel Edison, kerapatan nikel adalah 8,908 g / cm3, dan besi adalah 7,874 g / cm3: ini lebih dari 10x lebih tinggi dari kerapatan lithium.

Potensial redoks tinggi Lithium yang dikombinasikan dengan kepadatannya yang rendah membuat ion-ionnya sempurna untuk digunakan sebagai bahan baterai.

Baterai lithium ion tipikal didasarkan pada elektroda berpori yang memungkinkan ion Li bergerak masuk dan keluar dari pori-pori mereka. Misalnya, baterai ion lithium yang dapat diisi ulang dapat memiliki elektroda grafit dan elektroda oksida kobalt yang didoping lithium dengan elektrolit polioksietilena yang mengandung garam LiPF6.

Ketika baterai seperti itu menyalakan perangkat, atom litium yang dipegang dalam struktur lapisan anoda grafit dioksidasi menjadi ion.

LiC6 → C6 + Li+ + e

Di katoda, ion litium direduksi dalam struktur oksida kobalt.

CoO2 + Li+ + e → LiCoO2

Reaksi-reaksi ini terbalik ketika sel sedang diisi.

Sejarah

Pada 1780, Luigi Galvani menemukan bahwa ketika dua logam yang berbeda (misalnya, tembaga dan seng) bersentuhan dan kemudian keduanya disentuh secara bersamaan pada dua bagian otot kaki katak, untuk menutup sirkuit, kaki katak kontrak. Dia menyebut ini “listrik hewan”. Kaki katak, juga menjadi pendeteksi arus listrik, juga merupakan elektrolit (untuk menggunakan bahasa kimia modern).

Setahun setelah Galvani menerbitkan karyanya (1790), Alessandro Volta menunjukkan bahwa katak itu tidak perlu, menggunakan detektor berbasis kekuatan dan kertas yang direndam air asin (sebagai elektrolit). (Sebelumnya Volta telah menetapkan hukum kapasitansi C = Q / V dengan detektor berbasis kekuatan). Pada 1799 Volta menemukan tumpukan volta, yang merupakan tumpukan sel galvanik yang masing-masing terdiri dari cakram logam, lapisan elektrolit, dan cakram dari logam yang berbeda. Ia membangunnya sepenuhnya dari bahan non-biologis untuk menantang teori kelistrikan hewan Galvani (dan peneliti selanjutnya Leopoldo Nobili) yang mendukung teori kelistrikan kontak logam-logamnya sendiri. Carlo Matteucci pada gilirannya membangun baterai yang sepenuhnya terbuat dari bahan biologis untuk menjawab Volta. Kontak listrik kontak Volta menandai setiap elektroda dengan nomor yang sekarang kita sebut fungsi kerja elektroda. Pandangan ini mengabaikan reaksi kimia pada antarmuka elektroda-elektrolit, yang meliputi pembentukan H2 pada logam yang lebih mulia di tumpukan Volta.

Meskipun Volta tidak memahami operasi baterai atau sel galvanik, penemuan ini membuka jalan bagi baterai listrik; Sel Volta dinamai Milestone IEEE pada tahun 1999.

Sekitar empat puluh tahun kemudian, Faraday menunjukkan bahwa sel galvanik – sekarang sering disebut sel volta – adalah bahan kimia di alam. Faraday memperkenalkan terminologi baru untuk bahasa kimia: elektroda (katoda dan anoda), elektrolit, dan ion (kation dan anion). Jadi Galvani salah mengira sumber listrik (atau sumber gf, atau kursi emf) ada pada hewan, Volta salah mengira itu dalam sifat fisik dari elektroda terisolasi, tetapi Faraday dengan benar mengidentifikasi sumber gf sebagai reaksi kimia. di dua antarmuka elektroda-elektrolit. Karya otoritatif tentang sejarah intelektual sel volta tetap oleh Ostwald.

Disarankan oleh Wilhelm König pada tahun 1940 bahwa objek yang dikenal sebagai baterai Baghdad mungkin mewakili teknologi sel galvanik dari Parthia kuno. Replika yang diisi dengan asam sitrat atau jus anggur telah terbukti menghasilkan tegangan. Namun, jauh dari kepastian bahwa ini adalah tujuannya – para sarjana lain telah menunjukkan bahwa itu sangat mirip dengan kapal yang diketahui telah digunakan untuk menyimpan gulungan perkamen.

Termodinamika elektrokimia dari reaksi sel volta

Proses elektrokimia dalam sel volta terjadi karena reaktan energi bebas tinggi (mis. Zn logam dan Cu2 + terhidrasi dalam sel Daniell) dikonversi menjadi produk-produk energi rendah (logam Cu dan Zn2 ​​+ terhidrasi dalam contoh ini). Perbedaan energi kohesif kisi  dari logam elektroda kadang-kadang merupakan pendorong energetik yang dominan dari reaksi, khususnya dalam sel Daniell. Zn logam, Cd, Li, dan Na, yang tidak distabilkan oleh ikatan d-orbital, memiliki energi kohesif yang lebih tinggi (yaitu ikatan yang lebih lemah) daripada semua logam transisi, termasuk Cu, dan karena itu berguna sebagai logam anoda berenergi tinggi.

Perbedaan antara energi ionisasi logam dalam air  adalah kontribusi energik lainnya yang dapat mendorong reaksi dalam sel galvanik; itu tidak penting dalam sel Daniell karena energi ion Cu2 + dan Zn2 ​​+ yang terhidrasi ternyata serupa. Kedua transfer atom, mis. seng dari elektroda logam ke dalam larutan, dan transfer elektron, dari atom logam atau ke ion logam, memainkan peran penting dalam sel galvanik. Sel-sel konsentrasi, yang elektroda dan ionnya terbuat dari logam yang sama dan yang digerakkan oleh peningkatan entropi dan penurunan energi bebas ketika konsentrasi ion menyamakan, menunjukkan bahwa perbedaan elektronegativitas logam bukanlah kekuatan pendorong proses elektrokimia.

Sel-sel volta dan baterai biasanya digunakan sebagai sumber daya listrik. Energi tersebut berasal dari logam berenergi kohesif tinggi yang larut sementara logam berenergi lebih rendah diendapkan, dan / atau dari ion logam berenergi tinggi yang keluar sementara ion berenergi rendah masuk ke dalam larutan.

Secara kuantitatif, energi listrik yang dihasilkan oleh sel galvanik kira-kira sama dengan perbedaan energi bebas standar dari reaktan dan produk, dilambangkan sebagai GorGo. Dalam sel Daniell, sebagian besar energi listrik ΔrGo = -213 kJ / mol dapat dikaitkan dengan perbedaan -207 kJ / mol antara energi kohesif kisi-kisi Zn dan Cu kisi. [9]

Related Posts