Beberapa Contoh Sel Galvani Dalam Kehidupan Sehari-hari

Listrik adalah salah satu penemuan paling revolusioner dalam sejarah umat manusia. Sementara saat ini kita memiliki beberapa metode untuk memanen energi listrik dalam skala yang luar biasa, sel galvanik, salah satu metode paling awal untuk menghasilkan listrik, masih sangat berharga bagi teknologi sekarang. Sel galvani atau sel volta adalah sel elektrokimia yang dinamai berdasarkan dua pionir ilmiah abad ke-18, Luigi Galvani, seorang profesor anatomi di Bologna, Italia, dan Alessandro Volta, seorang fisikawan, ahli kimia, dan perintis listrik dan tenaga Italia.

Definisi

Sel galvanik adalah perangkat elektrokimia yang menghasilkan energi listrik melalui reaksi kimia antara konduktor yang berbeda digabungkan oleh elektrolit dan jembatan garam. Reaksi oksidasi-reduksi spontan di antara komponen menggerakkan sel galvanik. Dalam reaksi redoks, transfer elektron menghasilkan energi listrik, yang disalurkan melalui sel galvanik.

Penemuan

Pada tahun 1780, ketika mendemonstrasikan sistem saraf menggunakan bagian bawah katak, Luigi Galvani menemukan bahwa otot-otot di kaki katak berkontraksi ketika kawat tembaga yang menempel pada saraf dan kawat seng yang menempel pada otot saling bersentuhan. Dia menduga bahwa listrik itu berasal dari jaringan hewan katak dan menamakannya “listrik hewan.”

Kemudian, Alessandro Volta menetapkan bahwa kedua logam tersebut menciptakan arus listrik dengan pertukaran elektron di antara keduanya; dengan demikian, logam saja yang bertanggung jawab atas kedutan. Volta menerbitkan teorinya tentang listrik bi-metal pada tahun 1799, bersama dengan inovasinya yang luar biasa berdasarkan itu: tumpukan Volta, yang kini telah berevolusi menjadi baterai. Untuk alasan ini, baterai sering disebut sebagai sel galvanik dan juga sel volta.

Meskipun Volta tidak memiliki pemahaman tentang bagaimana baterai atau sel galvanik bekerja, penemuan ini dianggap sebagai tonggak sejarah perkembangan ilmiah. Empat puluh tahun kemudian, Faraday menyimpulkan bahwa aliran elektron dihasilkan dari reaksi redoks yang disebabkan antara dua logam.

Prinsip

Dasar sel volta adalah reaksi oksidasi dan reduksi simultan yang disebut reaksi redoks. Energi kimia yang dilepaskan dalam reaksi redoks, selama transfer elektron dari potensial yang lebih tinggi ke yang lebih rendah, dimanfaatkan sebagai energi listrik menggunakan elektroda.

Untuk memahami interaksi kompleks bahan kimia dalam sel galvanik, kita bisa ambil contoh sel galvanik tertentu yang disebut “sel Daniel.” Sel Daniell adalah jenis sel elektrokimia yang terdiri dari elektroda tembaga dan seng.

Ketika sepotong logam seng (Zn) direndam dalam larutan tembaga sulfat (CuSO4), endapan padat berwarna gelap terbentuk pada permukaan logam seng, dan warna biru warna ion Cu²⁺ hilang. Deposisi logam tembaga pada permukaan logam seng telah mengakibatkan ion seng ditambahkan ke larutan. Reaksi ini secara kimia diwakili oleh:

Zn_(s)+Cu²⁺_(aq)→Zn²⁺_(aq)+Cu_(s)

Dalam reaksi di atas, seng akan kehilangan dua elektron sebagai akibat dari proses kimia dan tembaga akan menyerap elektron tersebut menjadi unsur tembaga. Karena kedua logam ini akan ditempatkan dalam wadah yang terpisah dan dihubungkan oleh kawat penghantar, arus listrik akan terbentuk, mentransfer semua elektron dari satu logam ke logam lainnya.

Untuk menyederhanakan penyeimbangan persamaan keseluruhan dengan lebih mudah dan untuk menyoroti transformasi kimia yang sebenarnya, biasanya proses oksidasi-reduksi dibagi menjadi setengah reaksi. Setengah reaksi oksidasi dan reduksi dipisahkan dan dihubungkan oleh kawat, yang memaksa elektron mengalir melaluinya.

Muatan negatif naik di setengah sel reduksi dan muatan positif terbentuk di setengah sel oksidasi ketika elektron dipindahkan dari setengah sel oksidasi ke setengah sel reduksi. Jika sel tidak memiliki cara bagi ion untuk mengalir di antara dua larutan, akumulasi muatan akan bertindak untuk melawan arus dari anoda ke katoda, secara efektif mencegah aliran elektron.

Berikut adalah beberapa contoh sel Volta dalam kehidupan sehari-hari

1. Baterai

Baterai adalah sumber daya yang terdiri dari satu atau lebih sel elektrokimia dengan koneksi eksternal untuk menyalakan perangkat listrik seperti senter, ponsel, dan mobil listrik. Ada dua jenis baterai: baterai sekali pakai (primer), yang memiliki reaksi elektroda ireversibel dan tidak dapat diisi ulang, dan baterai isi ulang (sekunder), yang menghasilkan zat tidak larut yang menempel pada elektroda. Dengan memberikan potensial listrik dalam arah yang berlawanan, baterai ini dapat diisi ulang. Baterai isi ulang diubah secara singkat dari sel galvanik menjadi sel elektrolitik selama proses pengisian ulang.

Baterai adalah perangkat yang dirancang secara cerdas yang mengikuti prinsip dasar yang sama seperti sel galvanik. Perbedaan utama antara baterai komersial dan sel galvanik yang telah kita bahas sebelumnya adalah bahwa baterai komersial menggunakan padatan atau pasta sebagai reaktan daripada cairan untuk memaksimalkan keluaran listrik per satuan massa.

Keuntungan lain menggunakan reaktan yang sangat pekat atau padat adalah bahwa konsentrasi reaktan dan produk tidak berubah secara signifikan ketika baterai dikosongkan, menghasilkan tegangan keluaran yang relatif konstan selama proses pengosongan. Output dari sel Zn/Cu, di sisi lain, turun secara logaritmik saat reaksi berlangsung.

2. Sel Kering Leclanché

Sel kering sejauh ini merupakan jenis baterai yang paling umum digunakan di beberapa perangkat elektronik, seperti remote TV, jam tangan, dan banyak perangkat lainnya. Meskipun sel kering dipatenkan pada tahun 1866 oleh ahli kimia Prancis Georges Leclanché dan lebih dari 5 miliar sel tersebut dijual setiap tahun, rincian kimia elektrodanya masih belum sepenuhnya dipahami.

Terlepas dari namanya, sel kering Leclanché sebenarnya adalah “sel basah.” Proses kimia yang menghasilkan listrik dalam sel Leclanché dimulai ketika atom seng di permukaan anoda teroksidasi, yaitu mereka melepaskan kedua elektron valensinya menjadi ion bermuatan positif.

Saat ion Zn menjauh dari anoda, meninggalkan elektronnya di permukaannya, anoda menjadi lebih bermuatan negatif daripada katoda. Ketika sel dihubungkan ke sirkuit listrik eksternal, kelebihan elektron pada anoda seng mengalir melalui sirkuit ke batang karbon, pergerakan elektron membentuk arus listrik.

Saat arus mengalir di sekitar sirkuit, ketika elektron memasuki katoda (batang karbon), mereka bergabung dengan mangan dioksida (MnO2) dan air (H2O), yang bereaksi satu sama lain untuk menghasilkan oksida mangan dan ion hidroksida bermuatan negatif. Ini disertai dengan reaksi asam-basa sekunder di mana ion hidroksida (OH^–) menerima proton (H⁺) dari ion amonium yang ada dalam elektrolit amonium klorida untuk menghasilkan molekul amonia dan air.

3. Baterai Litium–Iodin

Baterai lithium memiliki anoda litium metalik dan digunakan sebagai baterai utama. Baterai lithium-metal adalah nama lain untuk jenis baterai ini. Kepadatan muatannya yang tinggi dan biaya per unit yang mahal membedakannya dari baterai lain. Sel litium dapat menghasilkan tegangan mulai dari 1,5 V (mirip dengan baterai seng-karbon atau alkaline) hingga sekitar 3,7 V, tergantung pada desain dan senyawa kimia yang digunakan.

Sel litium memiliki sejumlah kecil air cair di dalamnya, yang meningkatkan massa dan menimbulkan risiko korosi. Akibatnya, banyak upaya telah dilakukan untuk mengembangkan baterai bebas air. Baterai litium-iodin adalah salah satu dari sedikit baterai bebas air yang efektif secara komersial. Katoda adalah kompleks padat I2 dan anoda adalah logam litium. Lapisan padat LiI memisahkan mereka, bertindak sebagai elektrolit dengan membiarkan ion Li⁺ berdifusi.

4. Baterai Nikel–Kadmium (Ni-Cd)

Beberapa peralatan listrik dan gadget seperti bor, penyedot debu portabel, dan tuner digital AM/FM menggunakan baterai nikel-kadmium, atau NiCad. Ini adalah sel berbasis air dengan anoda kadmium dan katoda nikel yang sangat teroksidasi yang dikenal sebagai nikel(III) okso-hidroksida, atau NiO. (OH).

Desainnya meningkatkan luas permukaan elektroda sambil meminimalkan jarak di antara mereka, menurunkan resistansi internal dan memungkinkan arus pelepasan yang relatif tinggi. Kotak logam dengan pelat penyegel dan katup pengaman penyegelan sendiri adalah tipikal baterai Ni-Cd. Ini dikenal sebagai desain jelly-roll dan memungkinkan sel Ni-Cd mengirimkan arus maksimum yang jauh lebih tinggi daripada sel alkaline ukuran setara.

Sel alkali memiliki konstruksi gelendong dimana selubung sel diisi dengan elektrolit dan mengandung batang grafit yang bertindak sebagai elektroda positif. Karena area elektroda yang relatif kecil bersentuhan dengan elektrolit (berlawanan dengan desain jelly-roll), resistansi internal untuk sel alkali berukuran setara lebih tinggi yang membatasi arus maksimum yang dapat dikirimkan.

5. Baterai Timbal–Asam (Penyimpanan Timbal)

Baterai timbal-asam adalah jenis baterai yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik menggunakan spons timbal dan timbal peroksida. Karena tegangan sel yang lebih tinggi dan biaya yang lebih rendah, baterai timbal-asam paling sering digunakan di pembangkit listrik dan gardu induk.

Ketika asam sulfat larut, molekulnya terpecah menjadi dua jenis ion: ion hidrogen positif (2H⁺) dan ion negatif sulfat (SO4⁻​) yang dapat bergerak bebas. Jika kedua elektroda direndam dalam larutan dan dihubungkan ke suplai DC, ion hidrogen bermuatan positif akan bermigrasi menuju elektroda dan menempel pada terminal negatif suplai.

Ion SO4⁻ bermuatan negatif tertarik ke arah elektroda yang terpasang pada terminal positif utama suplai (yaitu, anoda). Setiap ion hidrogen mengambil satu elektron dari katoda, dan setiap ion sulfat menyerap dua ion negatif dari anoda, membentuk asam sulfat dan hidrogen ketika mereka bergabung dengan air.

Oksigen yang dibuat oleh persamaan di atas bereaksi dengan oksida timbal untuk membuat timbal peroksida (PbO2​) Akibatnya, sementara katoda timbal tetap timbal selama pengisian, anoda timbal diubah menjadi timbal peroksida, yang memiliki warna coklat.

Sebelumnya Titanium Dioksida: Sifat dan Kegunaan