Sel Galvani

Peralatan percobaan untuk menghasilkan listrik dengan memanfaatkan reaksi redoks spontan disebut sel galvanik atau sel volta, diambil dari nama ilmuwan Italia Luigi Galvani dan Alessandro Volta, yang membuat versi awal dari alat ini (Chang, 2010). Sel ialah susunan dua elektrode dengan elektrolit, yang menghasilkan tenaga listrik akibat reaksi kimia dalam sel. Sel elektrokimia dapat mempunyai 2 fungsi:

1. mengubah tenaga kimia menjadi tenaga listrik.

2. mengubah tenaga listrik menjadi tenaga kimia (Sukardjo, 2013).

Sel Galvani adalah alat untuk mengubah energi kimia menjadi energi listrik, seperti baterai atau aki. Dimana energi bebas dari reaksi kimia diubah menjadi energi listrik. Hubungan antara energi bebas dari reaksi kimia dengan tegangan sel dinyatakan dengan persamaan

ΔG = - nFE

dimana F adalah faraday, E adalah e. m. f. Sel (dalam volt) dan n adalah jumlah molekul elektron yang berperan pada reaksi kesetimbangan (Day and Underwood, 2002; Dogra. S.K and Dogra. S, 1984).

Pada sel galvani, anoda berfungsi sebagai elektroda negatif dan katoda bermuatan positif. Arus listrik mengalir dari anoda menuju katoda. Reaksi kimia yang terjadi pada sel galvani berlangsung secara spontan. Pada kedua elektroda terdapat kecenderungan reaksi kimia, satu cenderung teroksidasi dan yang lain tereduksi. Reaksi akan terjadi bila keduanya dihubungkan dengan kawat (logam), sehingga elektron dapat pindah dari satu elektroda ke elektroda yang lain melalui kawat itu. Dalam kawat itu terdapat energi listrik yang dapat dipakai untuk berbagai keperluan. Salah satu penerapan sel galvani adalah penggunaan sel Zn/Ag2O3 untuk baterai jam. Syarat-syarat sel galvani ialah:

1. Reaksi redoks terjadi secara spontan.

2. Hasil reaksi menghasilkan energi.

3. G° < 0 dan E°sel adalah positif (Day and Underwood, 2002; Riyanto, 2013).

Yang dapat bertindak sebagai konduktor adalah logam dan larutan elektrolit. Dalam kisi logam, misalnya kawat tembaga, terdapat banyak elektron bebas yang dapat berpindah dari satu atom ke atom yang lain. Perpindahan yang sambung menyambung itu seolah-olah elektron mengalir dari satu ujung ke ujung kawat yang lain. Dengan kata lain, hantaran listrik dalam logam merupakan aliran elektron yang disebut hantaran logam atau hantaran elektronik.

Hantaran listrik dalam logam hanyalah perpindahan elektron secara fisika, sedangkan dalam larutan, di samping perpindahan ion juga disertai reaksi kimia di kedua elektroda. Salah satu elektroda akan menerima elektron dari larutan, sedangkan elektroda yang lain memberikan elektron ke larutan.

Telah diketahui bahwa partikel (senyawa atau ion) yang melepaskan elektron disebut teroksidasi dan yang menerima elektron disebut tereduksi. Oleh sebab itu, reaksi dalam elektrokimia adalah reaksi oksidasi-reduksi (redoks).

Reaksi redoks dapat terjadi dalam satu wadah, sehingga serah terima elektron secara langsung dari satu partikel ke partikel lain. Akan tetapi dalam elektrokimia, serah terima elektron itu dibuat secara tidak langsung, yaitu melalui kawat atau logam. Itulah sebabnya dalam elektrokimia terdapat dua macam hantaran listrik, yaitu hantaran elektronik dan hantaran elektrolitik (Day and Underwood, 2002).

Gambar 1 memperlihatkan komponen penting dari sebuah sel Galvanik. Sebatang sel dicelupkan ke dalam larutan CuSO4. Sel bekerja berdasarkan asas bahwa oksidasi Zn menjadi Zn2+ dan reduksi Cu2+ menjadi Cu dapat dibuat berlangsung serentak dalam lokasi-lokasi yang terpisah dimana transfer elektron antara lokasi-lokasi tersebut terjadi melalui sebuah kawat eksternal. Batang seng dan tembaga dinamakan elektroda. Susunan elektroda (Zn dan Cu) dan larutan (ZnSO4 dan CuSO4) ini disebut sel Daniell. Berdasarkan definisi, anoda dalam sel galvanik ialah elektroda tempat terjadinya oksidasi dan katoda ialah elektroda tempat terjadinya reduksi. 

Gambar 1. Sebuah sel galvanik. Jembatan garam (tabung U terbalik) berisi larutan KCl berfungsi sebagai medium penghantar listrik di antara kedua larutan. Ujung-ujung terbuka pada tabung U disumbat longgar dengan kapas untuk mencegah larutan  KCl keluar ke dalam wadah namun membiarkan anion dan kation bergerak pindah. Arus elektron mengalir keluar dari elektroda Zn (anoda) menuju elektroda Cu (katoda).

Untuk sel Daniell, reaksi-reaksi setengah sel, yaitu, reaksi oksidasi dan reduksi pada masing-masing elektroda, ialah

Elektroda Zn (anoda) : Zn(s)  Zn2+(aq) + 2e-

Elektroda Cu (katoda)  : Cu2+(aq) + 2e-  Cu(s)

Perhatikan bahwa kecuali kedua larutan dipisahkan satu sama lain, ion Cu2+ akan bereaksi langsung dengan batang seng:

Cu2+(aq) + Zn(s)  Cu(s) + Zn2+(aq)

dan tidak akan ada kerja listrik berguna yang diperoleh.

Untuk melengkapi rangkaian listriknya, kedua larutan harus dihubungkan oleh suatu medium penghantar agar kation dan anion dapat bergerak dari satu kompartemen elektroda ke kompartemen elektroda lainnya. Persyaratan ini terpenuhi oleh jembatan garam, yang dalam bentuk sederhananya berupa tabung U terbalik yang berisi larutan elektrolit inert, seperti KCl atau NH4NO3, yang ion-ionnya tidak akan bereaksi dengan ion lain dalam larutan atau dengan elektroda. Selama reaksi redoks keseluruhan berjalan, elektron mengalir keluar dari anoda (elektroda Zn) melalui kawat dan voltmeter menuju katoda (elektroda Cu). Di dalam larutan, kation-kation (Zn2+, Cu2+ dan K+) bergerak ke arah katoda, sementara anion-anion (SO42- dan Cl-) bergerak ke anoda. Tanpa jembatan garam yang menghubungkan kedua larutan, terjadinya penumpukan muatan positif dalam kompartemen anoda (karena pembentukan ion Zn2+) dan muatan negatif dalam kompartemen katoda (terjadi ketika sebagian ion Cu2+ tereduksi menjadi Cu) tentunya  dengan cepat akan menghentikan kerja sel (Chang, 2010).

Arus listrik mengalir dari anoda ke katoda karena ada selisih energi potensial listrik di antara kedua elektroda. Aliran arus listrik ini analog dengan air yang jatuh dari air terjun karena ada selisih energi potensial gravitasi atau aliran gas dari wilayah bertekanan tinggi ke wilayah bertekanan rendah. Dalam percobaan selisih potensial listrik di antara anoda dan katoda diukur dengan voltmeter (gambar 2.3) dan angkanya (dalam volt) disebut voltase sel (Chang, 2010). Voltase sel juga disebut gaya gerak listrik (ggl atau electromotive force/emf) atau potensial sel dan dinyatakan dengan simbol Esel (Petrucci. dkk, 2008). Dapat dilihat bahwa voltase suatu sel bergantung tidak hanya pada jenis elektroda dan ion-ionnya, tetapi juga pada konsentrasi ion dan suhu di mana sel bekerja (Chang, 2010).

Tinjauan Pustaka

Chang, R. 2010. Kimia Dasar Edisi Ketiga Konsep-Konsep Inti Jilid 2. Jakarta: Erlangga.

Day, R.A and Underwood, A.L. 2002. Analisis Kimia Kuantitatif Edisi Keenam. Jakarta: Erlangga.

Petrucci, R. H., Harwood, W.S., Herring, F.G., and Madura, J.D. 2008. Kimia Dasar Prinsip-prinsip dan Aplikasi Modern Edisi Kesembilan Jilid 3. Jakarta: Erlangga.

Riyanto. 2013. Elektrokimia dan Aplikasinya. Yogyakarta: Graha Ilmu.

Sukardjo. 2013. Kimia Fisika. Jakarta: Rineka Cipta.