PENGARUH VARIASI ELEKTROLIT JEMBATAN GARAM TERHADAP IMPEDANSI SEL GALVANIK Cu/Zn

Transkripsi

1 PENGARUH VARIASI ELEKTROLIT JEMBATAN GARAM TERHADAP IMPEDANSI SEL GALVANIK Cu/Zn (THE EFFECT OF SALT BRIDGE S ELECTROLYTE VARIATION TOWARDS Cu/Zn GALVANIC CELL IMPEDANCE) SKRIPSI Oleh ARSANDI WIDITYA NIM PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007

2 Abstract A battery consist of three main parts, namely anode or the negative pole, cathode or the positive pole and electrolyte. The electrolyte role in a battery is to maintain the electrical neutrality both side of the electrodes. Electrolyte consists of cation and anion that has different ionic mobility in solution. A battery has an impedance that caused by battery components itself including the electrolyte. This impedance called internal impedance. In this research the effect of KCl, KNO 3 and NaCl electrolyte in a simple Cu/Zn galvanic cell was investigated. The cell impedance analysis performed by Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) method and the maximum current density that could be delivered at cell s nominal potential performed by Galvano Cyclic Voltammetry method. The result showed that Cu/Zn galvanic cell with KCl as the electrolyte in the salt bridge has the least cell impedance value. This data was consistent with the maximum current density measurement. This information could be used as a basis on electrolyte selection for improving battery performance. ii

3 Abstrak Sebuah baterai terdiri dari tiga bagian utama yaitu anoda atau kutub negatif, katoda atau kutub positif dan elektrolit. Elektrolit dalam sebuah baterai berfungsi menjaga keseimbangan muatan pada kedua sisi elektrodanya. Elektrolit terdiri dari anion-kation yang mempunyai mobilitas ionik yang berbeda dalam air. Dalam sebuah baterai terdapat hambatan dalam, yaitu hambatan yang diakibatkan komponen-komponen baterai itu sendiri, termasuk elektrolit. Dalam penelitian ini dipelajari pengaruh elektrolit KCl, KNO 3 dan NaCl serta pengaruh konsentrasi agar terhadap impedansi suatu sel galvanik Cu/Zn sederhana. Metode Spektrokopi Impedansi Elektrokimia (SIE) digunakan untuk analisis impedansi dan Voltametri Siklik Galvano digunakan untuk menentukan rapat arus maksimum yang dapat dihasilkan baterai pada nilai potensial nominal sel. Hasil pengukuran EIS menunjukkan KCl mempunyai impedansi paling rendah. Data ini konsisten dengan data penentuan rapat arus maksimum. Sementara pengaruh variasi konsentrasi agar tidak ditemukan korelasi yang jelas terhadap impedansi sel. Informasi ini dapat digunakan sebagai dasar pemilihan elektrolit sehingga diperoleh peningkatan kinerja suatu baterai. iii

4 Program Studi Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung Menerangkan bahwa Skripsi dari : Nama : Arsandi Widitya NIM : Telah disetujui sebagai salah satu persyaratan untuk mendapatkan gelar Sarjana Kimia Pada tanggal 2007 Achmad Rochliadi, Msi NIP iv

5 See! How clear we make for them our messages. Yet See! How they are deluded away from the truth Holy Qur an 5 : 75 Untuk Bapa, Mamah dan Teteh v

6 Ucapan Terima Kasih Alhamdulillaahirobbil aalamin, puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah swt. atas segala nikmat dan karunianya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Shalawat serta salam semoga tercurah kepada Nabi Besar Muhammad saw, beserta keluarga, sahabat, dan umatnya hingga akhir zaman. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan rasa terima kasih kepada orang-orang yang telah banyak membantu dalam penulisan karya tulis ini. Penulis menghaturkan terima kasih kepada : 1. Pak Achmad Rochliadi sebagai pembimbing yang telah memberikan bimbingan bagi penulis selama penelitian Tugas Akhir dan penulisan Skripsi ini 2. Pak Bambang Ariwahjoedi atas masukan-masukannya yang sangat berharga bagi kemajuan penelitian penulis 3. Kepada Bapa, Mamah dan Teteh, yang telah memberikan kasih sayang, pengertian dan kesabaran yang tanpa batas bagi penulis 4. Seluruh staf dosen dan pegawai prodi Kimia atas segala ilmu dan bantuannya selama kuliah 5. Pak Wahyo, Pak Yayan, Pak Masykuri, Pak Hadi, Pak Bambang, Pak Ode, Bu Entin, Mas Ari, Ristny, Titik, Alex, Felicia, Mitha, dan anggota LKFM yang lainnya. Terima kasih atas bantuan dan segala masukannya 6. Teman-teman satu bimbingan Anggi, Rizal, Kiki dan Mas Arif 7. Pa Toto atas penyediaan bahan-bahan penelitiannya, terutama yang tidak mudah didapat 8. Ibu Lia Dewi Juliawaty sebagai dosen wali penulis 9. Ibu Haifa dan Ibu Nenen atas bantuannya selama di LIPI 10. Angki, Ahyat dan Lupi atas segala kebersamaannya. 11. Wahyu, Sana, Roni, Bayu, Faisal, Muchtar, Didi, Sopyan, Jo, Ferdian, Emir, Netty, Saras, Dwi, Noviani, Dhini, Zahra, Maya, Ruth dan teman-teman 2001 lainnya. 12. Anton, Yonan, Niki, Kang Rus, Berlin, Rahman, Dudi, Roro, Hasanuddin, Kang Ali, Teh Rima, Teh Nisaa dan teman-teman 2000 lainnya vi

7 13. Wahono, Aldi, Jaka, Iman, Amran, Abdul, Sin Chan, Fika, Sundari, Erma dan adikadik angkatan lainnya 14. Rio, Rifqy, Dedi, Delint, Dudung, Anoko, Angga dan teman sekampus lainnya 15. Kang Hasan dan Kang Ridho atas mentoring-mentoringnya 16. Dedi, Yuda, Amka, Ardy atas segala pelajaran yang diberikan Semoga Allah SWT membalas segala kebaikan dengan berlipat. Amin. Bandung, September 2007 Penulis vii

8 Daftar Isi Abstract... ii Abstrak... iii Ucapan Terima Kasih... vi Daftar Isi... viii Daftar Gambar...x Bab 1 Pendahuluan...1 Bab 2 Tinjauan Pustaka Baterai Sejarah baterai Jenis-jenis baterai Parameter penting baterai Sel Galvanik Proses kimia sel galvanik Cu/Zn Bagian-bagian sel galvanik Cu/Zn Konduktansi Elektrolitik Konduktivitas ionik Angka pemindahan Jari-jari Stokes Mobilitas ionik Impedansi Spektroskopi Impedansi Elektrokimia (SIE) Teori Spektroskopi Impedansi Elektrokimia (SIE) Pengukuran dengan empat elektroda Presentasi data Analisis dasar spektra SIE Sirkuit ekivalen sel elektrokimia Pengukuran Arus Maksimum...26 Bab 3 Metodologi Penelitian Alat Bahan...27 viii

9 3.2.1 Pembuatan larutan kompartemen anoda (larutan ZnSO 4 1 M) Pembuatan larutan kompartemen katoda (larutan CuSO 4 1 M) Pembuatan jembatan garam Pembuatan larutan elektrolit Pembuatan larutan elektrolit dengan variasi konsentrasi agar Pengisian elektrolit ke dalam jembatan garam Penyiapan elektroda Penyiapan sel galvanik Pengujian sel...31 Bab 4 Hasil dan Pembahasan Pemilihan Elektrolit Spektroskopi Impedansi Elektrokimia (SIE) Rapat arus Maksimum Pada Potensial Nominal...38 Bab 5 Kesimpulan dan Saran Kesimpulan Saran...43 Daftar Pustaka...44 ix

10 Daftar Gambar Gambar 2.1 Tumpukan Volta (Voltaic Pile)...5 Gambar 2.2 Kerapatan energi berbagai jenis baterai...6 Gambar 2.3 Profil datar dan profil gradual...7 Gambar 2.4 Sel galvanik (a) dan baterai timbal asam (b) sebuah baterai timbal asam dapat tersusun dari beberapa sel galvanik yang disusun seri...9 Gambar 2.5 Skema sebuah sel galvanik Cu/Zn...11 Gambar 2.6 Perbedaan fasa antara stimulus potensial dan respons arus...17 Gambar 2.7 Impedansi, Z, sebagai vektor planar dalam koordinat kartesius...18 Gambar 2.8 Skema pengukuran dan karakterisasi sistem oleh SIE...20 Gambar 2.9 Kurva arus terhadap potensial yang menunjukkan pseudo-linieritas...22 Gambar 2.10 Skema pengukuran empat elektroda...23 Gambar 2.11 Kurva Nyquist dengan vektor impedansi...23 Gambar 2.12 Kurva Bode dengan kurva Nyquist sebuah semi-lingkaran...24 Gambar 2.13 Sebuah contoh yang menunjukkan dua buah kombinasi sirkuit ekivalen yang berbeda menghasilkan nilai impedansi yang sama...26 Gambar 3.1 Jembatan garam...28 Gambar 3.2 Elektroda yang digunakan...30 Gambar 3.3 Sel Galvanik Cu/Zn yang telah disusun...30 Gambar 3.4 Pemasangan elektroda pada sel yang diuji...31 Gambar 4.1 Kurva Nyquist sel dengan variasi elektrolit menggunakan jembatan garam Gambar 4.2 Kurva Nyquist sel dengan variasi elektrolit menggunakan jembatan garam Gambar 4.3 Kurva Nyquist sel dengan variasi konsentrasi agar menggunakan jembatan garam Gambar 4.4 Kurva Nyquist sel dengan variasi konsentrasi agar menggunakan jembatan garam Gambar 4.5 Sirkuit ekivalen untuk sel galvanik Cu/Zn yang diuji...35 Gambar 4.6 Nilai Rlar sel galvanik Cu/Zn dengan variasi elektrolit pada dua sampel jembatan garam...37 x

11 Gambar 4.7 Nilai R lar sel galvanik Cu/Zn dengan variasi elektrolit pada dua sampel jembatan garam...37 Gambar 4.8 Tipikal kurva voltametri siklik galvano...38 Gambar 4.9 Kurva potensial dan log rapat arus terhadap waktu pada sel dengan variasi elektrolit menggunakan jembatan garam Gambar 4.10 Kurva potensial dan log rapat arus terhadap waktu pada sel dengan variasi elektrolit menggunakan jembatan garam Gambar 4.11 Rapat arus maksimum yang dapat dihasilkan sel pada nilai potensial 1,06 V...40 Gambar 4.12 Kurva potensial dan log arus terhadap waktu pada sel dengan elektrolit KCl menggunakan jembatan garam 1 pada konsentrasi agar yang berbeda...41 Gambar 4.13 Kurva potensial dan log arus terhadap waktu pada sel dengan elektrolit KCl menggunakan jembatan garam 2 pada konsentrasi agar yang berbeda...41 Gambar 4.14 Nilai rapat arus maksimum terhadap konsentrasi agar...42 xi

12 Daftar Tabel Tabel 2.1 Sejarah perkembangan baterai...4 Tabel 2.2 Jari-jari hukum Stokes dan jari-jari kristal beberapa ion...14 Tabel 2.3 Mobilitas ionik (u) dalam air pada 298 K...16 Tabel 2.4 Beberapa komponen listrik umum...25 Tabel 3.1 Jumlah garam yang ditambahkan ke dalam 25 ml aquabides dalam pembuatan larutan elektrolit...29 Tabel 3.2 Konsentrasi agar dan jumlah Bakto Agar yang ditambahkan...29 Tabel 3.3 Parameter pengukuran sel...31 Tabel 4.1 Mobilitas ionik dalam air pada suhu 298 K...32 Tabel 4.2 Nilai komponen-komponen sirkuit ekivalen dari sel dengan variasi elektrolit.36 Tabel 4.3 Nilai komponen-komponen sirkuit ekivalen dari sel dengan variasi konsentrasi agar...36 xii