LAPORAN TUGAS TRANDUSER

SENSOR PH DAN SEL ELEKTROKIMIA

Dosen: Dr. Muhammad Rivai, ST., MT.

Oleh :

Karisma Trinanda Putra

NRP. 2212 204 013

PROGRAM PASCA SARJANA

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO BIDANG STUDI ELEKTRONIKA

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2012

1. SENSOR PH (DERAJAT KEASAMAN)

Pada prinsipnya pengukuran suatu pH adalah didasarkan pada potensial elektro kimia yang terjadi

antara larutan yang terdapat di dalam elektroda gelas yang telah diketahui dengan larutan yang

terdapat di luar elektroda gelas yang tidak diketahui. Hal ini dikarenakan lapisan tipis dari

gelembung kaca akan berinteraksi dengan ion hidrogen yang ukurannya relatif kecil dan aktif.

Elektroda gelas tersebut akan mengukur potensial elektrokimia dari ion hidrogen atau diistilahkan

dengan potential of hidrogen. Untuk melengkapi sirkuit elektrik dibutuhkan suatu elektroda

pembanding.

Gambar 1. Penampang Sensor PH

Elektroda gelas terdiri dari tabung kaca yang kokoh dan tersambung dengan gelembung kaca yang

tipis. Di dalamnnya terdapat larutan KCl yang buffer ph 7. Elektroda perak yang ujungnya

merupakan perak kloride (AgCl2) dihubungkan ke dalam larutan tersebut. Untuk meminimalisir

pengaruh elektrik yang tidak diinginkan, alat tersebut dilindungi oleh suatu lapisan kertas

pelindung yang biasanya terdapat di bagian dalam elektroda gelas. Pada kebanyakan pH meter

modern sudah dilengkapi dengan thermistor temperature, yakni suatu alat untuk mengkoreksi

pengaruh temperature. Antara elektroda pembanding dengan elektroda gelas sudah disusun dalam

satu kesatuan.

Contoh Aplikasi dari sensor pH adalah jurnal yang berjudul ”Pengukur Suhu dan pH Air

Tambak Terintegrasi dengan Data Logger”. Alat ini dirancang untuk ditempatkan terus

menerus di lapangan. Pengukur suhu menggunakan sensor LM35, pengukur pH

menggunakan sensor pH meter Hanna Instrument, masing-masing mempunyai resolusi

pengukuran 1oC dan 0,1. Unit data logger menggunakan komponen mikrokontroller ATMega

8535 dengan transfer data ke PC menggunakan USB.

Gambar 2. Bagan Sistem Pengukur Suhu dan pH Air Tambak Terintegrasi dengan Data Logger

Dengan menggunakan EEPROM eksternal yang memiliki kapasitas 8K byte, alat ini mampu

me nyimpan data hasil pengukuran sensor-sensor, data waktu dan tanggal pengukuran sampai

8192 data. Dengan jumlah data sebanyak ini, maka dengan pengaturan penyimpanan data

dengan selang waktu setiap 15 menit dalam satu hari, memori akan penuh kurang lebih

setelah 7 hari. Dengan pengaturan penyimpanan data dengan selang waktu setiap 30 menit

dalam satu hari, memori akan penuh kurang lebih setelah 14 hari. Dengan pengaturan

penyimpanan data dengan selang waktu setiap 1 jam dalam satu hari, memori akan penuh

kurang lebih setelah 28 hari.

2. SEL ELEKTROKIMIA

Elektrokimia adalah ilmu yang mempelajari aspek elektronik dari reaksi kimia. Elemen yang

digunakan dalam reaksi elektrokimia dikarakterisasikan dengan banyaknya elektron yang dimiliki.

Elektrokimia secara umum terbagi dalam dua kelompok, yaitu sel galvani dan sel elektrolisis.

2.1. Sel Elektrolisis

Elektrolisis merupakan proses kimia yang mengubah energi listrik menjadi energi kimia.

Komponenyang terpenting dari proses elektrolisis ini adalah elektrode dan larutan elektrolit.

Elektroda yang digunakan dalam proses elektolisis dapat digolongkan menjadi dua, yaitu:

Elektroda inert, seperti kalsium (Ca), potasium, grafit (C), Platina (Pt), dan emas (Au).

Elektroda aktif, seperti seng (Zn), tembaga (Cu), dan perak (Ag).

Elektrolitnya dapat berupa larutan berupa asam, basa, atau garam, dapat pula leburan garam

halida atau leburan oksida. Kombinasi antara larutan elektrolit dan elektrode menghasilkan tiga

kategori penting elektrolisis, yaitu:

Elektrolisis larutan dengan elektrode inert

Elektrolisis larutan dengan elektrode aktif

Elektrolisis leburan dengan elektrode inert

Pada elektrolisis, katode merupakan kutub negatif dan anode merupakan kutub positif. Pada

katode akan terjadi reaksi reduksi dan pada anode terjadi reaksi oksidasi.

Contoh sel elektrolisis ini adalah elektrolisis lelehan garam NaCl. Pada proses elektrolisis lelehan,

kation pasti tereduksi di katoda dan anion pasti teroksidasi di anoda. Sebagai contoh, berikut ini

adalah reaksi elektrolisis lelehan garam NaCl (yang dikenal dengan istilah sel Downs).

Gambar 3. Penampang Sel Downs

Katoda (-) : 2 Na+(l) + 2 e- ——> 2 Na(s)

Anoda (+) : 2 Cl-(l) Cl2(g) + 2 e-

Reaksi sel : 2 Na+(l) + 2 Cl-(l) ——> 2 Na(s) + Cl2(g)

Salah satu aplikasi sel elektrolisis adalah pada proses yang disebut penyepuhan. Dalam proses

penyepuhan, logam yang lebih mahal dilapiskan (diendapkan sebagai lapisan tipis) pada

permukaan logam yang lebih murah dengan cara elektrolisis. Baterai umumnya digunakan sebagai

sumber listrik selama proses penyepuhan berlangsung. Logam yang ingin disepuh berfungsi

sebagai katoda dan lempeng perak (logam pelapis) yang merupakan logam penyepuh berfungsi

sebagai anoda. Larutan elektrolit yang digunakan harus mengandung spesi ion logam yang sama

dengan logam penyepuh (dalam hal ini, ion perak). Pada proses elektrolisis, lempeng perak di

anoda akan teroksidasi dan larut menjadi ion perak. Ion perak tersebut kemudian akan diendapkan

sebagai lapisan tipis pada permukaan katoda. Metode ini relatif mudah dan tanpa biaya yang

mahal, sehingga banyak digunakan pada industri perabot rumah tangga dan peralatan dapur.

2.2. Sel Volta / Sel Galvani

Sel Galvani atau disebut juga dengan sel volta adalah sel elektrokimia yang dapat menyebabkan

terjadinya energi listrik dari suatu reaksi redoks yang spontan. reaksi redoks spontan yang dapat

mengakibatkan terjadinya energi listrik ini ditemukan oleh Luigi Galvani dan Alessandro

Guiseppe Volta. Sel Volta adalah rangkaian sel yang dapat menghasilkan arus listrik. Dalam sel

tersebut terjadi perubahan dari reaksi redoks menghasilkan arus listrik.

Gambar 4. Penampang Sel Volta

Sel volta terdiri atas elektroda tempat berlangsungnya reaksi oksidasi disebut anoda (electrode

negative), dan tempat berlangsungnya reaksi reduksi disebut katoda (electrode positif). Sel

galvani terdiri dari beberapa bagian, yaitu:

1. voltmeter, untuk menentukan besarnya potensial sel.

2. jembatan garam (salt bridge), untuk menjaga kenetralan muatan listrik pada larutan.

3. anoda, elektroda negatif, tempat terjadinya reaksi oksidasi. pada gambar, yang bertindak

sebagai anoda adalah elektroda Zn/seng (zink electrode).

4. katoda, elektroda positif, tempat terjadinya reaksi reduksi. pada gambar, yang bertindak

sebagai katoda adalah elektroda Cu/tembaga (copper electrode).

Pada anoda, logam Zn melepaskan elektron dan menjadi Zn2+ yang larut.

Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e-

Pada katoda, ion Cu2+ menangkap elektron dan mengendap menjadi logam Cu.

Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)

hal ini dapat diketahui dari berkurangnya massa logam Zn setelah reaksi, sedangkan massa

logam Cu bertambah. Reaksi total yang terjadi pada sel galvani adalah :

Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)

Adapun beberapa jenis sel volta yang dapat ditemukan dalam kehidupan sehari – hari :

2.2.1. Sel Kering (Sel Leclanche)

Gambar 5. Penampang Sel Volta

Dikenal sebagai batu baterai. Terdiri dari katode yang berasal dari karbon(grafit) dan anode

logam zink. Elektrolit yang dipakai berupa pasta campuran MnO2, serbuk karbon dan NH4Cl.

Persamaan reaksinya :

Katode : 2MnO2 + 2H+ + 2e ” Mn2O3 + H2O

Anode : Zn ” Zn2+ + 2e

Reaksi sel : 2MnO2 + 2H+ + Zn ” Mn2O3 + H2O + Zn2

2.2.2. Sel Aki

Gambar 6. Penampang Sel Aki

Sel aki disebut juga sebagai sel penyimpan, karena dapat berfungsi penyimpan listrik dan pada

setiap saat dapat dikeluarkan . Anodenya terbuat dari logam timbal (Pb) dan katodenya terbuat

dari logam timbal yang dilapisi PbO2. Reaksi penggunaan aki :

Anode : Pb + SO4 2- ” PbSO4 + 2e

Katode : PbO2 + SO42-+ 4H++ 2e ” PbSO4 + 2H2O

Reaksi sel : Pb + 2SO4 2- + PbO2 + 4H+ ” 2PbSO4 + 2H2O

Reaksi Pengisian aki :

2PbSO4 + 2H2O ” Pb + 2SO4 2- + PbO2 + 4H+

2.2.3. Sel Perak Oksida

Gambar 7. Penampang Sel Perak Oksida

Sel ini banyak digunakan untuk alroji, kalkulator dan alat elektronik.

Reaksi yang terjadi :

Anoda : Zn(s) + 2OH-(l) ” Zn(OH)2(s) + 2e

Katoda : Ag2O(s) + H2O(l) + 2e ” 2Ag(s) + 2OH-(aq)

Reaksi Sel : Zn(s) + Ag2O(s) + H2O(l) ” Zn(OH)2(s) + 2Ag(s)

Potensial sel yang dihasilkan adalah 1,34 V

2.2.4. Sel Nikel Cadmium (NiCad)

Gambar 8. Penampang Sel NiCad

Sel NiCad merupakan sel kering yang dapat diisi kembali (rechargable). Anodenya terbuat dari

Cd dan katodenya berupa Ni2O3 (pasta). Beda potensial yang dihasilkan sebesar 1,29 V.

Reaksinya dapat balik :

NiO(OH).xH2O + Cd + 2H2O → 2Ni(OH)2.yH2O + Cd(OH)2

2.2.5. Sel Bahan Bakar

Gambar 9. Penampang Sel Bahan Bakar

Sel Bahan bakar merupakan sel Galvani dengan pereaksi – pereaksinya (oksigen dan hidrogen)

dialirkan secara kontinyu ke dalam elektrode berpori. Sel ini terdiri atas anode dari nikel,

katode dari nikel oksida dan elektrolit KOH.

Reaksi yang terjadi :

Anode : 2H2(g) + 4OH-(aq) → 4H2O(l) + 4e

Katode : O2(g) + 2H2O(l) + 4e → 4OH-(aq)

Reaksi sel : 2H2(g) + O2 → 2H2O(l)

Contoh Aplikasi Elektrokimia

Adapun contoh penerapan elektrokimia termuat dalam jurnal yang berjudul ”Pengembangan

Instrumen Pengkarakterisasi Sensor Elektrokimia Menggunakan Metode Voltametri Siklik”.

Instrumen ini terdiri atas sensor elektrokimia dan pengkondisi sinyal. Pengolahan dan

penganalisaan data hasil pengukuran dilakukan oleh sistem akuisisi data Labjack U12 (DAQ)

dengan bahasa pemrograman Visual Basic 6.0. Program Visual Basic 6.0 mengontrol

pengambilan data oleh DAQ serta memilih penguatan programmable gain amplifier yang sesuai

agar sinyal yang diterima sistem akuisisi data menjadi lebih optimal. Data-data yang terbaca

disimpan dalam database kemudian divisualisasikan berupa grafik voltamogram dan tabel data

pengukuran. Pengujian yang dilakukan pada penelitian ini adalah pengujian DAQ, pengkondisi

sinyal dan instrumentasi keseluruhan. Prototip instrumen ini diujikan pada elektroda karbon pasta

yang dimodifikasi dengan 18-Crown-6 dengan larutan Pb2+ 10-4 M. Didapatkan hasil

pengukuran arus dengan range -60A - 70A pada daerah scan tegangan antara -1,4 Volt - 0,4

Volt dari kurva voltamogram. Hasil yang didapat kemudian dikomparasi dengan instrumen alat

potensiostat komersial.

Gambar 10. Bagan Sistem Pengembangan Instrumen Pengkarakterisasi Sensor Elektrokimia

Menggunakan Metode Voltametri Siklik

LAMPIRAN

JURNAL 1. Pengukur Suhu dan pH Air Tambak Terintegrasi dengan Data Logger

JURNAL 2. Pengembangan Instrumen Pengkarakterisasi Sensor Elektrokimia Menggunakan

Metode Voltametri Siklik