karakterisasi elektroda referensi
TRANSCRIPT
Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
ISSN 1693-3346
KARAKTERISASI ELEKTRODA REFERENSI
SuryantoPRPN BAT AN
Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang 15413, Tangerang
ABSTRAK
Satu dari berbagai cara untuk mempelajari proses yang terjadi pada permukaan
suatu logam yang ada di dalam suatu larutan adalah dengan mengukur potensial logam
tersebut terhadap larutan elektrolitnya. Pengukuran ini dapat dilakukan dengan
menggunakan elektroda referensi. Elektroda ini dirancang khusus untuk digunakan
didalam suatu larutan yang bersifat asam maupun basa serta pada temperatur rendah
maupun temperatur tinggi. Elektroda ini disambungkan ke voltmeter yang mempunyai
sensitifitas tinggi. Penggunaan, prinsip operasi dan jenis-jenis elektroda dibahas. Selain itu
dilakukan perhitungan konversi potensial yang diukur berdasarkan suatu elektroda
referensi ke elektroda referensi lainnya pad a temperatur 25°C maupun pad a temperatur
tinggi. Hasil perhitungan yang didapat sesuai dengan hasil pengamatan langsung.
ABSTRACT
One of methods to study the process that take place at a surface of a metal which is
immersed in an electrolyte solution is by measuring potential different between metal and
its electrolyte solution. Potential measurement is carried out using reference electrode. The
reference electrode is designed can be used in acid or base solution and in low or high
temperature solution. In application, this electrode is connected to voltmeter with high
sensitivity. Applications, requirements, operation principle and type of reference electrodes
are discussed. In addition, calculation to convert potential different from one type of
reference electrode to another type was performed at 25°C and above. The results show
that calculated potential are same as that of direct measurements.
35
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
PENDAHULUAN
ISSN 1693-3346
Pengukuran tingkat keasaman suatu larutan penting sekali dalam industri kimia
untuk menjamin bahwa proses yang diharapkan benar-benar terjadi. Tingkat keasaman, pH,
yang terlalu rendah atau terlalu tinggi akan mengganggu jalannya proses. Pengukuran
tingkat keasaman dalam beberapa kasus dapat dilakukan seeara manual. Untuk
mendapatkan pengukuran yang akurat dan terus-menerus, maka pengukuran yang
dilakukan menggunakan metode potentiometrik. Pengukuran dengan metoda ini
memerlukan elektroda referensi.
Selain untuk pengukuran tingkat keasaman larutan, elektrode referensi juga diperlukan
untuk melakukan pengukuran-pengukuran dalam menentukan tingkat korosi suatu logam.
Pengukuran yang dilakukan antara lain, Open circuit potential yaitu pengukuran beda
potensial suatu logam di dalam suatu larutan elektrolit tanpa pemberian arus listrik ke
logam terse but. Selain itu, pengukuran yang lainnya adalah polarisasi yaitu pengukuran
besamya arus yang melewati elektroda terhadap beda potensial yang diberikan.
Pengukuran yang terakhir dikenal dengan pengukuran korosi yang dipereepat.
Makalah ini akan membahas jenis-jenis elektroda referensi dan karakteristiknya serta
perhitungan konversi potensial suatu elektroda referensi ke elektroda refemsi lainnya.
II. JENIS-JENIS ELEKTRODA POSITIF
Elektrode referensi yang baik mempunyai :
a. Potensial elektroda referensi yang stabil. Stabilitas yang tinggi akan tereapai jika
material yang
digunakan untuk elektroda maupun pengisinya telah di ketahui karakteristiknya
dengan baik.
b. Perubahan potensial elektroda referensi terhadap perubahan temperatur harus keeil.
36
Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
ISSN 1693-3346
Beberapajenis elektroda referensi yang umum di gunakan :
a. Sistem logam mulia / gas hidrogen
Pada sistem ini akan terjadi reaksi reduksi ion hidrogen menjadi gas hidrogen
dan sebaliknya pada permukaan logam mulia platina. Logam platina yang
digunakan biasanya diperoleh dari elektrodeposisi sehingga butirannya halus.
b. Sistem logam / garam tak lamt
Pad a sistem ini akan terjadi reaksi reduksi dari garam logam menjadi logam
mulia dan sebaliknya. Garam yang terbentuk umumnya tidak lamt dalam air.
Sistem ini dapat dioperasikan hingga temperature lebih dari 100°C tergantung
pada logam mulia yang digunakan
c. Sistem logam / garam
Pada sistem ini terjadi reaksi reduksi dari ion logam membentuk logam dan
sebaliknya. Banyak pendapat yang menyatakan bahwa sistem ini tidak
sepenuhnya elektroda referensi tetapi elektroda referensi semu.
Pad a suatu elektroda referensi reaksi kimia yang terjadi umumnya dapat dinyatakan
sebagai berikut:
Rd (I)
Dimana: Ox adalah zat yang direduksi dan Rd adalah zat yang dioksidasi. Reaksi
diatas hams terjadi dalam lingkungan yang sesuai dimana komposisi elektrolit sebagai
bahan pengisi elektroda tetap. Jika ini terjadi maka potensial yang ada dapat ditentukan
dan konstan. Besamya potensial tersebut mengikuti persamaan Nerst:
Ec = Eo + (RT/nF) In ([Ox]/[RdD
Dimana Eo = Potensial elektroda dasar
R = Konstanta Gas Molar
T = Temperatur
F = Konstanta Faraday
n =jumlah elektron yang ada dalam reaksi diatas
[Ox] = Konsentrasi ion yang akan direduksi
[Rd] = Konsentrasi zat yang akan dioksidasi
37
(2)
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
ISSN 1693-3346
Konsentrasi [OX] dan [Rd] tergantung pada komposisi larutan. Persamaan (2)
mengindikasi-kan bahwa potensial suatu elektroda referensi tergantung pada
temperatur dan komposisi zat pengisi elektroda.
ILL Elektroda Hidrogen Standar (SHE)
Ini merupakan elektroda referensi dengan sistem logam mulia / gas
hidrogen. Reaksi yang terjadi dapat ditulis sebagai berikut:
(3)
Elektrolit yang digunakan dalam elektroda ini adalah as am klorida. Fasa-fasa
yang ada dapat dinyatakan sebagai berikut:
Pt (s) I H2 (g) I H+ (aq)
Garis tegak menyatakan batas fasa. Potensial elektrodanya dapat dinyatakan
sebagai berikut:
(4)
Dimana [H+] adalah konsentrasi ion hidrogen di dalam larutan, [H2] adalah
tekanan parsial gas hidrogen. Untuk kondisi standar, bahan mumi pada
temperatur 25°C, tekanan hidrogen parsial pada 1 atm, aktifitas ion hidrogen 1
unit (equivalent dengan 1,18 M asam klorida), maka suku ke dua dari persamaan
(4) menjadi nol, sehingga:
E + EO +H fH2 = H fH2
38
(5)
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
ISSN 1693-3346
Potensial elektroda sekarang menjadi potensial elektroda hidrogen standar
(SHE) yang nilainya not pada semua temperatur. Berdasarkan konvensi SHE
merupakan elektroda referensi standar utama.
Elektroda hidrogen standar dipelihatkan pada gambar 1. Elektroda ini
sangat tidak praktis, karena elektroda ini memerIukan suplai gas hidrogen. Waktu
yang diperIukan untuk menstabilkan elektroda hidrogen standar yang baru dibuat
cukup lama. Hal ini disebabkan lambatnya elektroda hidrogen mencapai
kesetimbangan. Karena kesulitan-kesulitan ini, maka elektroda ini jarang
digunakan.
11.2.Elektroda Perak /Perak Klorida
Ini merupakan elektroda referensi dengan sistem logam / garam. Elektroda
ini banyak digunakan karena mudah dan handal. Elektroda ini dapat dioperasikan
pada temperatur lebih dari 100°C. Reaksi keseimbangan yang terjadi dapat ditulis
sebagai berikut:
AgCI + eO Ag + cr (6)
Fasa-fasa yang ada dapat dinyatakan sebagai berikut:
Ag (s) I AgCI (s) I cr (aq)
Potensial elektrodanya dapat dinyatakan sebagai berikut:
EAg/AgCI= EOAg/AgCI- (RT/F) In ([AgCI]/([Ag][Cr]) (7)
Dimana EOAg/AgCl= 0,2223 V vs SHE pada 2SoC dengan koefisien temperatur
0,23 mV fC. karena perak dan perak klorida berada dalam bentuk padat maka
[AgCI]=[Ag]=l. Dengan ini maka persamaan (6) berubah menjadi:
EAg/AgCI= EOAg/AgCl- (RT/F) In [Cn
39
(8)
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
ISSN 1693-3346
Persamaan (7) memperlihatkan bahwa potensial elektroda ini tergantung pada
aktifitas ion klorida didalam elektroda. Untuk itu penting sekali untuk mengetahui
komposisi elektrolit yang menjadi larutan pengisi serta konsentrasinya. Untuk
larutan pengisi yang mengandung 3,5 M kalium klorida, maka potensial
elektrodanya mencapai 0.199 V vs SHE pada temperature 25 DC. Gambar 2
memperlihatkan elektroda referensi Ag/AgCI.
Kelemahan dari elektroda ini adalah sensitif terhadap cahaya. Cahaya
menyebabkan AgCl berubah menjadi Ag. Selain itu elektroda ini tidak cocok
untuk larutan yang mengandung ion komplek seperti ion ammonium dan ion
sianida.
11.3.Elektroda Merkuri IMerkuro Klorida (Calomel) SCE
Ini merupakan elektroda referensi dengan sistem logam / garam tak lamt.
Elektroda ini digemari karena kemudahan dan kehandalannya. Elektroda ini lebih
dikenal dengan sebutan kalomel. Gambar 3 memperlihatkan elektroda kalomel.
Reaksi keseimbangan yang terjadi dapat ditulis sebagai berikut:
HgCl + eO Hg + cr (9)
Fasa-fasa yang ada dapat dinyatakan sebagai berikut:
Hg (I) I HgCl (s) I cr (aq)
Potensial elektrodanya dapat dinyatakan sebagai berikut:
EHglHgCI= EDHglHgCI- (RT/F) In ([HgCl]/([Hg][Cr])
40
(10)
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
ISSN 1693-3346
Dimana EOHglHgCI= 0,268 V vs SHE pada 25°C dengan koefisien temperatur
0,29 mV fC. karena merkuri dalam bentuk cair dan merkuro klorida dalam bentuk
padat maka [HgCI]=[Hg]=I. Dengan ini maka persamaan (9) berubah menjadi:
EHglHg2CI2= EOHglHg2CI2- (RTIF) In [Cr] (11 )
Persamaan ini menunjukkan bahwa potensial elektroda tergantung pada
aktifitas ion klorida didalam larutan pengisi. Konsentrasi ion klorida dapat
divariasi. Untuk 0.1 M, 1.0 M dan 3.8 M Genuh), potensial elektroda pada
temperatur 25°C adalah 0.336 V, 0.283 V dan 0.245 V vs SHE. Umumnya
elektroda ini mempunyai larutan pengisi yang mengandung garam kalium klorida
jenuh. Konsentrasi kalium klorida yang jenuh dapat dilihat pada bagian bawah
elektroda yang umumnya didapatkan kalium klorida padat (tidak larut). Elektroda
ini mempunyai 2 kendala, pertama, temperatur maksimum dimana elektroda ini
bekerja stabil adalah 70°C, kedua, pembuatan elektroda ini lebih sulit
dibandingkan dengan elektroda Ag/AgCI. Selain elektroda kalomel, ada 2
elektroda referensi lain yang menggunakan merkuri.
11.4.Elektroda Merkuri / Merkuro Sulfat
Ini merupakan elektroda referensi dengan sistem logam / garam tak larut.
Reaksi keseimbangan yang terjadi dapat ditulis sebagai berikut:
Yz Hg2S04 + e' = Hg + Y2S0l'
Fasa-fasa yang ada dapat dinyatakan sebagai berikut:
Hg (I) I Hg2S04 (s) I sol' (aq)
Potensial elektrodanya dapat dinyatakan sebagai berikut:
EHglHg2s04= EOHglHg2S04- (RT/F) In [SOl']
(12)
(13)
Persamaan ini menunjukkan bahwa potensial elektroda tergantung pada
aktifitas ion sulfat didalam larutan pengisi. Jika elektroda diisi dengan kalium
sui fat jenuh, maka potensialnya sebesar 0,644 V vs SHE pada temperatur 27°C.
Elektroda ini juga dapat diisi dengan natrium sulfat dengan karakteristik yang
hampir sarna.
41
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
11.5. Elektroda Merkuri / Merkuro Oksida
ISSN 1693-3346
Ini merupakan elektroda referensi dengan sistem logam / garam tak larut. Reaksi
keseimbangan yang terjadi dapat ditulis sebagai berikut:
HgO + H20 + 2e- = Hg + 20H
Fasa-fasa yang ada dapat dinyatakan sebagai berikut:
Hg (I) I HgO (s) I OK (aq)
Potensial elektrodanya dapat dinyatakan sebagai berikut:
EHglHgo= EOHglHgO- (RT/2F) In [OH-]
(14)
(15)
Jika elektroda ini diisi dengan natrium hidroksida 0.1 M, maka potensialnya menjadi
0,926 V vs SHE pada temperature 25°C.
III. KONVERSI
Dalam menuliskan hasil penelitian, potensial yang didapat harus rnengacu pada salah
satu elektroda referensi dan mengkonversinya menjadi potensial yang sebenamya
berdasarkan elektroda referensi gas hidrogen (SHE). Hal yang sarna dilakukan untuk
data yang didapatdari literatur. Dengan konversi ini maka, potensial yang diperoleh
dapat dibandingkan dengan hasil pengamatan lain atau literatur yang ada. Tabel
dibawah ini dapat digunakan untuk mengkonversi potensial yang diperoleh rnenjadi
potensial standar berbasis elektroda referensi gas hidrogen.
Tabel I: tabel konversi potensial elektroda referensi
Tabel Konversi Potensial
DariSHE
Ag/Hg/Hg/Hg/HgOAgCI
HgCIHg2S04
Ke
SHE 00,2220,2440,6440,926
Ag/ AgCl
00,0220,4220,704
Hg / HgCI
00,4000,682
Hg/ Hg2S04
00,038
Hg / HgO
0
42
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007
ISSN 1693-3346
Untuk pengukuran yang dilakukan menggunakan elektroda referensi SCE, makakonversinya mengikuti:
E (vs SHE) = E (vs SCE) + 0,244 Volt
KESIMPULAN
I. Pengukuran Potensial harus mengacu pada salah satu elektroda referensi dan
mengkonversi menjadi potensial berdasarkan elektroda referensi gas hidrogen.
2. Potensial elektroda tergantung pada temperatur dan konsentrasi larutan elektrolit
yang digunakan untuk mengisi elektroda referensi.
3. HasH Perhitungan ini sesuai dengan pengamatan langsung.
IV. DAFT AR PUST AKA
1. Bockris, J.a and Reddy A.N., Modern Electrochemistry, Macdonald, London, 1987
2. West, J.M., Electrodeposition and Corrosion Processes, 2nd Edition, Van Nostrand
Reinhold, London, 1970
GelasGelasHCI, 1,18 M, 25°C
Ke elektroda lain
Keramik Porous
H2, 1 Atm
Gambar I: Elektroda Referensi Gas Hidrogen (SHE)
43
Prosiding Pertemuan IImiah Nasional RekaY~JI>>:>erangkatNuklirSerpong, 20 Nopember 2007
Kawat Platina
GelasGelasKCl Jenuh
Hg
Hg&HgClGelas Porous
Keram ik Porous
Gambar 2: Elektroda Referensi Calomel (SCE)
Kawat Ag
Gelas
KCl,IM
Porous AgCl
Porous Keramik
Gambar 3: Elektroda Referensi Ag/AgCl
44
ISSN 1693-3346