BAB II KOROSI dan MICHAELIS MENTEN

Transkripsi

1 BAB II : MEKANISME KOROSI dan MICHAELIS MENTEN 4 BAB II KOROSI dan MICHAELIS MENTEN Di alam bebas, kebanyakan logam ditemukan dalam keadaan tergabung secara kimia dan disebut bijih. Oleh karena keberadaan bijih di kerak bumi sudah ada sejak bumi terbentuk, maka kita boleh beranggapan bahwa kondisi kimia dari bijih ditentukan oleh kehendak alam dan mengatakan bahwa bijih berada dalam tingkat energi paling rendah. Dengan kata lain bahwa logam yang belum bergabung dengan bahan lain memiliki tingkat energi tinggi. Sehingga karena energi bebas senyawa kimia logam lebih rendah dari energi bebas logam, maka menurut hukum kedua termodinamika kebanyakan logam cenderung turun ke tingkat energi yang lebih rendah dengan bereaksi dengan bahan lain membentuk senyawa logam. Peristiwa turunnya tingkat energi inilah yang kita sebut korosi atau dalam bahasa sehari-hari disebut perkaratan. Mudah tidaknya logam berkarat berkaitan dengan keaktifan logam itu. Makin aktif suatu logam (makin negatif harga potensial elektroda atau energi bebasnya), maka makin mudah pula ia berkarat. Ada logam yang tidak mengalami korosi yaitu seng, alumunium, dan yang termasuk ke dalam kelas logam mulia. Seng dan alumunium yang energi bebasnya lebih negatif daripada besi sebenarnya mengalami korosi, namun karat logam hasil korosi tersebut ternyata melekat kuat pada permukaannya sehingga melindungi logam dari korosi lebih lanjut. Sedangkan untuk logam mulia misalnya emas dan platina, tidak mengalami korosi karena energi bebas keduanya

2 BAB II : MEKANISME KOROSI dan MICHAELIS MENTEN 5 yang bernilai positif yang artinya kedua logam ini tidak terkorosi secara alami di udara yang basah atau lembab. Jika pun terkorosi, laju dari reaksi sangat lambat yang diakibatkan oleh energi bebas aktivasi yang mungkin terlalu besar. Seperti halnya logam mulia, besi yang berabad-abad terendam di dasar kubangan lumpur pun bisa tidak mengalami korosi di alam bebas dikarenakan keterasingannya terhadap oksigen. 2.1 Pengertian Korosi Terdapat banyak definisi dari korosi. Keberagaman akan definisi tersebut disebabkan oleh perbedaan sudut pandang mengenai korosi. Ada yang melihat dari segi prosesnya, ada juga yang melihat dari segi hasil dari proses itu. Berikut beberapa definisi korosi: (1) Korosi adalah reaksi permukaan satu arah (irreversible) dari suatu materi (logam, keramik, polimer) dengan lingkungan yang menghasilkan berkurangnya materi tersebut. [IUPAC] (2) Sebuah proses hilangnya logam oleh reaksi kimia. Jika logamnya besi, maka prosesnya disebut perkaratan. [chemed.chem.purdue.edu/genchem/glossary/c.html] Gambar 2.1 Karat pada logam (3) Serangan kimia atau elektrokimia tahap demi tahap terhadap logam oleh atmosfer, uap, dan lain-lain. [ (4) Aksi kimia yang menyebabkan kehancuran dari permukaan material oleh oksidasi atau kombinasi kimia. [

3 BAB II : MEKANISME KOROSI dan MICHAELIS MENTEN 6 (5) Pelarutan logam yang disebabkan oleh reaksi kimia, biasanya antara air dan pipa logam atau antara dua buah logam yang berbeda. Dalam sistem perairan, korosi dapat menyebabkan kegagalan struktur, kebocoran, dan penurunan kualitas air. [mauiwater.org/glossary.html] Meskipun ada bermacam-macam definisi dari korosi, namun intinya sama, yaitu penurunan mutu logam akibat reaksi elektrokimia dengan lingkungannya dan menyebabkan beberapa kerugian. 2.2 Mekanisme Korosi Semua interaksi antara unsur-unsur dan senyawa-senyawa ditentukan oleh perubahan-perubahan energi bebas yang ada. Perubahan yang terjadi tersebut bisa berlangsung secara spontan dan tidak spontan. Energi bebas merupakan satu-satunya faktor penentu apakah suatu reaksi berlangsung secara spontan atau tidak. Jika suatu zat A ingin berubah menjadi zat B sedangkan energi bebas yang dimilikinya lebih tinggi daripada B, maka perubahan energi yang terjadi adalah secara spontan. Di pihak lain, jika energi bebas A lebih kecil daripada B maka zat A membutuhkan tambahan energi untuk berubah menjadi B. Kebutuhan akan energi tambahan inilah yang menyebabkan perubahan energi berlangsung secara tidak spontan. Korosi merupakan gejala yang timbul akibat adanya perubahan energi, maka korosi bisa terjadi secara spontan maupun tidak spontan. Lebih lanjut, korosi dapat terjadi dalam medium kering dan juga medium basah. Contoh korosi yang berlangsung dalam medium kering adalah penyerangan logam besi oleh gas oksigen (O 2 ) atau gas belerang dioksida (SO 2 ). Dikarenakan sebagian logam di dunia ini memiliki tingkat energi bebas yang lebih tinggi daripada senyawa kimianya, maka dalam tugas akhir

4 BAB II : MEKANISME KOROSI dan MICHAELIS MENTEN 7 ini akan dibahas mengenai korosi yang terjadi pada logam, yang berlangsung secara spontan dan terjadi pada medium basah Teori Keadaan Peralihan Misalkan dua zat A dan B berinteraksi sedemikian rupa untuk membentuk zat baru C dan D. A+B C+D Agar dapat menghasilkan zat-zat baru tersebut, A dan B bukan hanya harus saling sentuh tapi juga harus berpadu secara fisik untuk membentuk suatu zat peralihan AB. Secara teori, keadaan peralihan harus mempunyai energi bebas lebih tinggi dibanding jumlah energi bebas A dan B. Kemudian karena yang dibahas adalah reaksi spontan, maka energi-energi hasil reaksi harus lebih rendah dari energi bebas reaktan. Setelah terbentuk, zat pada keadaan peralihan dapat berubah kembali menjadi reaktan atau terus berubah menjadi hasil reaksi. Gambar 2.2 Diagram Tingkat Energi

5 BAB II : MEKANISME KOROSI dan MICHAELIS MENTEN 8 Proses kebalikan yaitu dari zat C dan D kembali menjadi A dan B dapat terjadi. Namun karena reaksinya bukan reaksi spontan, maka dalam prosesnya harus mendapat pasokan energi bebas. Sehingga meskipun proses kebalikan mungkin terjadi, prosesnya akan berlangsung dengan laju yang lebih rendah daripada laju maju (laju terbentuknya hasil reaksi) Laju Reaksi Laju reaksi adalah perubahan konsentrasi pereaksi atau hasil reaksi dalam setiap satuan waktu. Dapat juga didefinisikan sebagai kecepatan berkurangnya konsentrasi pereaksi atau bertambahnya konsentrasi produk tiap satuan waktu. Ada beberapa faktor yang mempengaru uhi laju reaksi, yaitu konsentrasi, luas permukaan, temperatur dan katalis. Dari penjelasan di atas, dapat ditarik suatu garis besar mengenai kinerja korosi pada logam. Adanya perbedaan energi bebas antara logam dengan lingkungan dalam hal ini larutan elektrolit, menyebabkan terjadinya reaksi kimia antara logam dengan lingkungannya. Reaksi kimia yang terjadi adalah reaksi redoks. Senyawa logam terbentuk terlebih dahulu sebelum mengalami reaksi redoks dan berubah menjadi ion-ion logam. Pada reaksi redoks ini, di logam Fe 2+ atau yang teradsorpsi disekitar permukaan anoda Fe 3+ terjadi reaksi oksidasi, yaitu pelepasan elektron. Sementara elektron yang dilepaskan pada reaksi anoda digunakan oleh katoda untuk berlangsungnya reaksi reduksi. 1. Reaksi anoda Kemudian yang disebut sebagai reaksi anoda adalah Dimana ion M z+ yang terbentuk mungkin tetap tinggal dalam larutan dan bereaksi membentuk hasil korosi yang tidak larut. Akibatnya hal tersebut

6 BAB II : MEKANISME KOROSI dan MICHAELIS MENTEN 9 menghalangi pelarutan logam lebih lanjut sehingga korosi terhenti. Bila demikian, permukaan logam disebut mengalami pemasifan. 2. Reaksi katoda Sementara reaksi katoda yang terjadi dapat dibagii menjadi dua kondisi, yakni: 1. Jika PH larutan < 7 : 2. Jika PH larutan 7 : Reaksi redoks inilah yang kemudian menyebabkan korosi. Ion-ion menjadi ion-ion logam yang terbentuk dan teradsorpsi di permukaan logam berubah yang lebih kecil yang kemudian terlepas dari permukaan logam, sehingga sedikit demi sedikit permukaan logam tersebut terkorosi. Reaksi redoks ini akan terus berlangsung selama logam masih ada. Gambar 2.3 Ion teradsorpsi dipermukaan logam Elektron yang terlibat dalam reaksi kimia akan bergerak bolak balik dari anoda ke katoda. Hal ini dimungkinkann karena elektron adalah partikel bermuatan, yaitu bermuatan negatif maka pengangkutannya atau perpindahannya menimbulkan arus listrik. Arus listrik yang terjadi dapat diukur dengan menggunakan voltalab dan dari pengukuran tersebut, kita dapat mengetahui besar kecilnya laju korosi yang terjadi. Besarnya arus listrik yang dihasilkan, menunjukkan n bahwa laju reaksi redoks yang berlangsung tergolong cepat dan mengakibatkan korosi semakin cepat terjadi. Demikian

7 BAB II : MEKANISME KOROSI dan MICHAELIS MENTEN 10 sebaliknya, jika arus yang dihasilkan terbilang kecil, maka laju reaksi lambat dan korosi dengan lambat terjadi. 2.3 Penghentian Korosi Secara teori, penghilangan salah satu dari empat komponen penyebab korosi yaitu anoda, katoda, eletrolit, dan hubungan listrik dapat menghambat bahkan menghentikan reaksi korosi. Namun pada kenyataannya, suatu logam yang berada di alam bebas akan menemukan sendiri jalannya untuk terkorosi. Baik karena anoda dan katoda berada dalam logam yang sama, maupun karena bereaksi dengan oksigen sebagai elektrolitnya (Hukum II Termodinamika). Berikut beberapa cara penghentian korosi yang pernah dilakukan di lapangan. Dari contoh-contoh tersebut, diharapkan kita dapat melihat kelebihan dan kekurangan metode yang digunakan Mecegah kontak antara logam dengan oksigen atau air. Korosi dapat dicegah dengan melapisi besi dengan cat. Akan tetapi cat hanya melindungi besi selama lapisan itu utuh. Jika sudah retak atau pecah, maka korosi akan tetap berlangsung Besi sebagai Anoda Melapisi besi dengan logam yang kurang aktif atau yang memiliki harga potensial lebih positif merupakan cara lain untuk mencegah korosi. Sama halnya dengan metode 2.3.1, cara ini pun hanya melindungi besi jika lapisannya utuh. Bahkan logam pelapis justru akan mempercepat terjadinya korosi saat lapisannya rusak. Disini besi akan menjadi anoda sehingga logam pelapis akan mendorong oksidasi besi. Prinsip atau metode ini digunakan pada pembuatan kaleng yang mana menggunakan timah sebagai pelapis besi. Timah akan mempercepat korosi pada kaleng-kaleng bekas sehingga lebih cepat hancur.

8 BAB II : MEKANISME KOROSI dan MICHAELIS MENTEN Perlindungan Katoda (pengorbanan anoda) Logam yang lebih aktif atau yang harga potensialnya lebih negatif dijadikan pelapis besi membentuk sel elektrokimia dengan besi sebagai katoda. Dengan demikian yang teroksidasi adalah lapisan pelindung bukan besi. Disini besi hanya berfungsi sebagai tempat terjadinya reduksi oksigen, sehingga besi terlindungi karena dijadikan katoda dan logam pelindungnya dikorbankan. Berbeda dengan 2.3.2, besi akan tetap selama logam pelapis masih ada lapisannya tidak utuh atau rusak. Kelemahan dari metode ini adalah logam pelapis yang telah terkorosi harus terus diganti agar besi tetap terjaga dari korosi. Meskipun metode perlindungan katoda kurang efektif, namun cara inilah yang masih dipakai dan efektif hingga saat ini Penggunaan Senyawa Inhibitor Secara umum, suatu inhibitor adalah suatu zat kimia yang dapat menghambat atau memperlambat reaksi kimia. Sedangkan inhibitor korosi adalah suatu zat kimia yang bila ditambahkan ke dalam suatu lingkungan dapat menurunkan laju penyerangan korosi lingkungan itu terhadap suatu logam. Sifat inhibitor berlawanan dengan katalis, yang mempercepat laju reaksi Mekanisme kerja inhibitor Mekanisme kerja inhibitor dapat dibedakan sebagai berikut: (1) Inhibitor teradsorpsi pada permukaan logam dan membentuk suatu lapisan tipis dengan ketebalan beberapa molekul inhibitor. Lapisan ini tidak dapat dilihat oleh mata biasa, namun dapat menghambat penyerangan lingkungan terhadap logamnya. (2) Melalui pengaruh lingkungan (misal ph) menyebabkan inhibitor dapat mengendap dan selanjutnya teradsorpsi pada

9 BAB II : MEKANISME KOROSI dan MICHAELIS MENTEN 12 permukaan logam serta melindunginya terhadap korosi. Endapan yang terjadi cukup banyak, sehingga lapisan yang terjadi teramati oleh mata. (3) Inhibitor terlebih dahulu mengkorosi logamnya dan menghasilkan suatu zat kimia yang kemudian melalui peristiwa adsorpsi dari produk korosi tersebut membentuk suatu lapisan pasif pada permukaan logam. (4) Inhibitor menghilangkan konstituen yang agresif dari lingkungannya. Gambar 2.4 Inhibitor Melapisi Logam Inhibitor yang Digunakan Pada percobaan yang dilakukan di laboratorium korosi kimia fisik material, Program Studi Kimia, FMIPA ITB, inhibitor yang digunakan adalah inhibitor turunan imidazol. Imidazol adalah senyawa aromatik yang termasuk dalam golongan senyawa aromatik heterosiklik berantai lima, dimana dua diantaranya adalah unsur nitrogen dan sisanya adalah karbon. Struktur imidazol: C HN C C N

10 BAB II : MEKANISME KOROSI dan MICHAELIS MENTEN 13 Jadi, cara kerja metode ini adalah dengan menambahkan senyawa inhibitor kedalam sistem, sehingga seakan-akan ada lapisan tipis yang melindungi logam dari keterhubungan langsung dengan lingkungan. Sehingga reaksi kimia yang terjadi bukanlah reaksi antara logam dengan lingkungan, tapi reaksi antara senyawa inhibitor dengan lingkungan. 2.4 Percobaan dan Data Untuk mendapatkan data yang dibutuhkan, baik yang tanpa inhibitor maupun yang menggunakan inhibitor, dilakukanlah percobaan dengan menggunakan sel tiga elektroda. Peralatan: 1. Voltmeter 2. Gelas piala 3. Elektroda, yang terdiri dari elektroda kerja, elaktroda bantu, dan elektroda acuan. 4. Kabel penghubung 5. Larutan elektrolit berupa Natrium Klorida. Prosedur: 1. Tuang larutan Natrium Klorida ke dalam gelas piala 2. Tempelkan kabel penghubung ke masing-masing elektroda. Hubungkan kabel yang terdapat pada elektroda kerja dengan terminal negatif voltmeter. Celupkan elektroda-elektroda yang akan digunakan ke dalam gelas piala. Jaga agar elektrodaelektroda tersebut tidak bersentuhan, juga agar kabel tidak berhubungan langsung dengan larutan. 3. Catat besar arus yang terjadi, demikian pula dengan besar laju reaksi.

11 BAB II : MEKANISME KOROSI dan MICHAELIS MENTEN 14 Ilustrasi : Gambar 2.5 Percobaan Dengann A adalah elektroda kerja, B elektroda acuan, C elektroda bantu, D eletrolit, dan V adalah voltmeter. Dari beberapa kali melakukan percobaan, didapatkanlah data-data sebagai berikut: Dimanaa Blanko adalah percobaan yang belum menggunakann senyawa inhibitor. Sementara IDETA dan D11jg adalah percobaan yang melibatkan senyawaa inhibitor dan yang membedakan keduanya adalah stuktrurr kimianya. Percobaan yang dilakukan adalah sebanyak enam kali untuk setiap metode dan angka 1, 2, dan seterusnya yang mengikuti kata Blanko,IDETA dan

12 BAB II : MEKANISME KOROSI dan MICHAELIS MENTEN 15 D11jg menunjukkan pada percobaan keberapa hasil pengukuran tersebut didapatkan. I corr menunjukkan banyaknya arus yang terjadi dalam proses terjadinya korosi dengan satuan miliampere per satuan luas (ma/cm 2 ). Corrate disini mengandung makna seberapaa besar permukaan logam yang terkorosi persatuan waktu (mm/y). Sehingga dapat dikatakan bahwa corrate disini sama artinya dengann laju korosi dengan Y menunjukkan n tahun (year). 2.5 Pengolahan Data Program SPSS digunakan untuk mengolah data-data yang ada. Hasil yang didapatkan adalah sebagai berikut: Dimana: N Range Minimum Maximum jumlah dataa yang dihitung jangkauan (data terbesar dikurang data terkecil) nilai data terkecil nilai data terbesar

13 BAB II : MEKANISME KOROSI dan MICHAELIS MENTEN 16 Mean Standar Deviasi Variansi rata-rata data yang ada (jumlah semua data dibagi banyaknya data) ukuran penyebaran dataa ukuran penyebaran dataa Dengann koefisien korelasi antara arus korosi dan laju korosi sebesar Yang berarti model hubungann antara keduanya linear, artinya semakin besar arus maka laju korosi pun semakin cepat. Demikian pula sebaliknya. 2.6 Kinetika Michaelis Menten Mempelajari pengaruh konsentrasi substrat pada laju reaksi adalah konsep dasar dari kinetika enzim yang merupakan alat penting untuk memahami mekanisme enzim. Namun ketika data dibangun dari percobaan dan hasilnya diplot menjadi suatu graf laju reaksi terhadap konsentrasi substrat, banyak enzim yang menghasilkan kurva hiperbolik seperti dibawah ini. Gambar 2.6 Hubungan konsentrasi dengan laju reaksi Leonor Michaelis dan Maud Menten mencoba menjelaskan fenomena ini dengan menurunkan suatu persamaan yang kemudian dikenal sebagai persamaan Michaelis Menten.

14 BAB II : MEKANISME KOROSI dan MICHAELIS MENTEN 17 Dalam reaksinya, enzim tidak langsung merubah suatu substrat menjadi produk. Sebelum menjadi produk, enzim mengikat substrat membentuk enzim substrat kompleks. Reaksi kimia : dengan: E S ES P k 1 k -1 k 2 enzim substrat substrat kompleks produk (hasil reaksi) tetapan laju pembentukan ES tetapan laju penguraian ES kembali menjadi S tetapan laju pembentukan hasil reaksi Laju reaksi 1 Keadaaan setimbang terjadi ketika laju penambahan sama dengan laju berkurangnya. 2 3 Substitusi persamaan (3) ke persamaan (2):

15 BAB II : MEKANISME KOROSI dan MICHAELIS MENTEN 18 4 Substitusi persamaan (4) ke persamaan (1): 5 Laju reaksi akan maksimal jika jumlah substrat terbatas. Dengan mengasumsikan [S]>>[E] yang mengakibatkan [E 0 ]=[ES], maka didapat: Sehingga persamaan (5) menjadi Persamaan inilah yang dikenal sebagai persamaan kinetika Michaelis Menten.