Sel Volta Serta Penjelasannya Secara Lengkap

Kenapa baterai yang dipasang pada jam dinding bisa menggerakan jarum jam? Atau kenapa accumulator bisa membuat sistem listrik di kendaraan berfungsi? Apa yang menjadi penyebab keduanya bisa menghasilkan energi listrik? Pertanyaan ini akan kita jawab dan bahas pada artikel tentang sel volta.

Pengertian Sel Volta

Sel volta merupakan buah pemikiran dari dua orang ilmuwan yaitu Luigi Galvani (1780) dan Alessandro Volta (1800). Keduanya menemukan bahwa arus listrik atau energi listrik dapat terbentuk melalu reaksi atau proses kimia. Reaksi atau proses kimia yang dapat menghasilkan arus listrik tersebut lebih spesifik pada reaksi reduksi dan oksidasi (reaksi redoks). Alat yang dapat menghasilkan listrik dari proses atau reaksi kimia tersebut dinamakan Sel volta.

Berdasarkan penjelasan tersebut, maka dalam suatu sel volta terdapat beberapa ciri utama yang membedakannya dengan sel elektrolisis, yaitu:

1. Pada sel volta terjadi pengubahan energi kimia menjadi energi listrik (reaksi kimia yang menghasilkan arus listrik).

2. Elektroda pada sel volta terdiri dari katoda yang bermuatan positif dan anoda yang bermuatan negatif (KPAN). Pada katoda terjadi reaksi reduksi dan pada anoda terjadi reaksi oksidasi.

Baca juga: Satuan Konsentrasi Larutan

Rangkaian Sel Volta

Untuk memahami rangkaian sel volta, perhatikan gambar berikut:

Pada gambar rangkaian sel volta tersebut terdapat beberapa komponen yang wajib diketahui dan bisa membedakan dengan dengan rangkaian sel pada elektrolisis. Komponen-komponen tersebut adalah:

• Pada gambar Zn dan Cu bertindak sebagai elektroda.
• Logam Zn berada di anoda dan bertindak sebagai kutub negatif. Pada gambar tersebut Zn mengalami oksidasi dengan reaksi: Zn → Zn²⁺ + 2e. Makna fisis dari reaksi tersebut adalah logam Zn mengalami peluruhan dan berubah menjadi ion Zn²⁺.
• Logam Cu berada di katoda dan bertindak sebagai kutub positif. Pada gambar tersebut Cu mengalami reaksi reduksi dengan reaksi: Cu²⁺ + 2e → Makna fisis dari reaksi tersebut adalah pada logam Cu yang dicelupkan pada larutan terjadi pengendapan Cu dari ion Cu²⁺.
• Pada gambar diatas jembatan garam ditunjukkan oleh gambar tabung U yang dibalik dengan diisi laruan garam Na₂SO₄ dan pada ujung ditambahkan kayu penyumbat. Fungsi jembatan garam sendiri adalah untuk menyeimbangkan jumlah kation dan anion yang terdapat pada sistem sel volta tersebut.
• Voltmeter berfungsi untuk mengukur voltase atau tegangan listrik yang dihasilkan dari proses/reaksi oksidasi dan reduksi yang terjadi pada sel volta tersebut.
• Pada gambar tersebut pun dituliskan ada arah panah yang dibarengi dengan huruf “e”. tanda tersebut merupakan informasi mengenai arah pergerakan elektron. Pada gambar tersebut arah elektron bergerak dari kutub negatif (logam Zn) ke kutub positif (logam Cu).

Pada gambar tersebut logam Zn mengalami oksidasi (anoda) dan logam Cu mengalami reduksi (katoda). Apa yang mendasari penentuan tersebut? Untuk menemukan jawabannya, mari lanjutkan pembahasan mengenai potensial elektroda.

Potensial Elektroda

Potensial elektroda terdiri dari potensial elektroda standar dan potensial sel. Potensial elektroda standar ditentukan dengan cara menghitung potensial reaksi antara suatu elektroda dengan elektroda pembanding yaitu elektroda hidrogen pada suhu 25 ^oC, konsentrasi ionnya 1 M, dan tekanannya 1 atm.

Harga potensial elektroda standar untuk beberapa unsur dapat dilihat pada tabel potensial standar berikut ini:

Harga potensial standar reduksi pada tabel tersebut dapat dijadikan acuan untuk menentukan reaksi reduksi dan oksidasi pada sel volta. Semakin besar harga potensial standar reduksinya, maka semakin mudah unsur tersebut mengalami reduksi. Sebaliknya semakin kecil harga potensial standarnya, maka semakin mudah unsur mengalami oksidasi.

Selain potensial elektroda standar reduksi, ada juga istilah potensial sel. Potensial sel merupakan penjumlahan potensial setengah reaksi oksidasi dan setengah reaksi reduksi. Pada suatu percobaan, harga potensial sel ini dapat ditentukan dengan melihat voltmeter. Namun secara teoritis dapat ditentukan juga melalui persamaan:

Esel = E⁰_red – E⁰_oks

Untuk memahami penggunaan persamaan tadi, mari kita lihat contoh soal di bawah ini:

Berikut ini harga potensial elektroda standar untuk unsur Zn dan Cu.

Zn²⁺ + 2e → Zn             E⁰_red = -0,76 Volt

Cu²⁺ + 2e → Cu            E⁰_red = +0,34 Volt

Tentukan harga potensial sel jika suatu sel volta menggunakan elektroda tersebut!

Jawaban:

Esel = E⁰_red – E⁰_oks

Untuk menentukan reduksi dan oksidasi, perhatikan harga potensial standar pada kedua reaksi tersebut:

Zn²⁺ + 2e → Zn             E⁰_red = -0,76 Volt (oksidasi) karena harga E⁰_red lebih kecil daripada E⁰_red Cu

Cu²⁺ + 2e → Cu            E⁰_red = +0,34 Volt (reduksi) karena harga E⁰_red lebih besar daripada E⁰_red Zn

Maka, potensial selnya adalah:

Esel = E⁰_red – E⁰_oks

Esel = E⁰ Cu – E⁰ Zn

Esel = +0,34 – (-0,76)

Esel = +1,1 volt

Jadi harga potensial sel yang dihasilkan pada sel volta yang menggunakan elektroda Cu dan Zn sebesar +1,1 volt.

Untuk menentukan potensial sel juga dapat dilakukan dengan cara persamaan reaksi, adapun caranya:

• Zn²⁺ + 2e → Zn E⁰_red = -0,76 Volt, berdasarkan harga potensial selnya, maka reaksi ini termasuk reaksi oksidasi, maka reaksi tersebut dibalik menjadi Zn → Zn²⁺ + 2e E⁰_red = +0,76 Volt (harga potensialnya pun berubah dalam hal tanda)
• Cu²⁺ + 2e → Cu E⁰_red = +0,34 Volt (reduksi), reaksi ini tetap karena sudah sesuai yaitu reaksi reduksi.

Berdasarkan hal tersebut, maka persamaan reaksi untuk keduanya adalah:

Zn → Zn²⁺ + 2e  E⁰_red = +0,76 Volt

Cu²⁺ + 2e → Cu E⁰_red = +0,34 Volt

Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu E_sell = +1,1 volt

Baca juga: Sifat Koligatif Larutan

Notasi Sel

Notasi sel merupakan notasi yang menggambarkan penyederhanaan dari sebuah proses atau reaksi pada sel volta. Notasi sel ini dituliskan dengan ketentuan:

Anoda II katoda

Atau secara rinci dituliskan dengan:

L (s) I L⁺ (aq) II M⁺ (aq) I M (s)

Keterangan:

L = logam yang mengalami oksidasi

M = logam yang mengalami reduksi

I = sekat pemisah antara logam dan ion

II = jembatan garam yang memisahkan antara reaksi oksidasi dan reduksi

Untuk contoh penentuan notasi sel, mari kita gunakan persamaan yang terdapat pada contoh soal sebelumnya.

Tuliskan notasi sel untuk sel volta yang menggunakan elektroda berikut:

Zn²⁺ + 2e → Zn             E⁰_red = -0,76 Volt

Cu²⁺ + 2e → Cu            E⁰_red = +0,34 Volt

Jawaban:

Berdasarkan nilai potensial elektroda standar, Zn mengalami oksidasi dan Cu mengalami reduksi. Maka notasi sel nya adalah: Zn (s) I Zn²⁺ (aq) II Cu²⁺ (aq) I Cu (s)

Contoh soal lainnya:

Tuliskan notasi sel untuk sel volta yang menggunakan elektroda berikut:

Sn²⁺ + 2e → Sn             E⁰_red = -0,25 Volt

Ni²⁺ + 2e → Ni             E⁰_red = -0,14 Volt

Jawaban:

Langkah pertama, berdasarkan nilai potensial standarnya tentukan terlebih dahulu mana yang mengalami oksidasi, mana yang mengalami reduksi.

Sn mengalami oksidasi karena nilai potensial elektroda standarnya lebih kecil daripada Ni, maka Ni mengalami reduksi. Selanjutnya tinggal menuliskan notasi sel nya sesuai aturan:

L (s) I L⁺ (aq) II M⁺ (aq) I M (s)

Sn (s) I Sn²⁺ (aq) II Ni²⁺ (aq) I Ni (s)

Spontanitas Reaksi

Reaksi pada sel volta terdiri dari reaksi spontan dan reaksi tidak spontan, reaksi spontan merupakan reaksi yang dapat berlangsung pada kondisi standar. Reaksi spontan ini ditandai dengan harga potensial sel nya bernilai positif. Reaksi tidak spontan merupakan reaksi yang tidak dapat berlangsung pada kondisi standar. Reaksi tidak spontan ini ditandai dengan nilai potensial sel yang bernilai negatif.

Untuk memprediksi reaksi berlangsung spontan atau tidak bisa menggunakan dua cara, yaitu cara perhitungan sampai menghasilkan potensial sel dan cara menggunakan deret volta. Adapun deret volta yang bisa menjadikan acuan dalam penentuan spontanitas reaksi adalah:

Contoh soal spontanitas reaksi:

Prediksikan reaksi berikut ini apakah berlangsung spontan atau tidak!

1. Mg (s) + Zn²⁺ (aq) → Zn (s) + Mg²⁺ (aq)
2. Ni (s) + Cu²⁺ (aq) → Cu (s) + Ni²⁺ (aq)

Jawaban:

1. Untuk menentukan apakah reaksi Mg (s) + Zn²⁺ (aq) → Zn (s) + Mg²⁺ (aq) spontan atau tidak, langkah pertama tentukan dulu spesi mana yang mengalami oksidasi dan reduksi dari reaksi tersebut.

Pada reaksi Mg (s) + Zn²⁺ (aq) → Zn (s) + Mg²⁺ (aq), Mg mengalami okisdasi (logam menjadi ion), dan Zn mengalami reduksi (ion menjadi logam). Selanjutnya lihat deret volta untuk menentukan posisi Mg dan Zn, pada deret volta Mg berada di sebelah kiri Zn yang berarti Mg lebih mudah mengalami oksidasi dan Zn berada di sebelah kanan yang berarti lebih mudah mengalami reduksi.

Berdasarkan penjelasan tersebut terdapat kesesuaian antara reaksi oksidasi dan reduksi sesuai persamaan reaksi: Mg (s) + Zn²⁺ (aq) → Zn (s) + Mg²⁺ (aq) dengan deret volta, dengan demikian reaksi tersebut dapat berlangsung pada keadaan standar (reaksi spontan).

2. Pada reaksi Ni²⁺  (aq) + Cu (s) → Cu²⁺ (aq) + Ni (s), Ni mengalami reduksi (ion menjadi logam) dan Cu mengalami oksidasi (logam menjadi ion). Selanjutnya lihat deret volta apakah reaksi yang terjadi pada persamaan tersebut sesuai dengan deret volta atau tidak.

Pada deret volta, Ni berada disebalah kiri Cu (Ni mudah mengalami oksidasi) dan Cu berada di sebalah kanan Ni (Cu mudah mengalami reduksi). Berdasarkan deret volta ini maka terdapat ketidak sesuaian antara persamaan reaksi dengan deret volta, hal ini menandakan bahwa reaksi Ni²⁺  (aq) + Cu (s) → Cu²⁺ (aq) + Ni (s) tidak dapat berlangsung pada keadaan standar (reaksi tidak spontan).

Aplikasi dan Kegunaan Sel Volta

Pada artikel ini hanya akan dibahas 2 jenis aplikasi sel volta pada beberapa benda yang sering dijumpai dalam kehidupan sehari-hari, yaitu baterai dan aki (accumulator). Berikut penjelasan mengenai keduanya.

Baterai

Baterai yang sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari terdiri dari baterai biasa dan baterai alkaline. Lalu seperti apa perbedaan keduanya? Mari kita simak penjelasannya. Baterai biasa sering juga disebut sebagai sel kering atau sel lecanche. Baterai biasa disebut sebagai sel kering dikarenakan jumlah air yang digunakan pada baterai ini dibatasi.

Berikut reaksi kimia yang terjadi pada baterai biasa:

• Pada anoda digunakan logam Zn (seng) sebagai wadah dan reaksi yang terjadi adalah oksidasi logam Zn dengan persamaan sebagai berikut: Zn (s) → Zn²⁺ (aq) + 2e.
• Pada katoda terdapat logam C yang bersifat inert atau tidak aktif. Pada baterai kering ini menggunakan elektrolit berupa campuran pasta antara MnO₂, NH₄Cl, dan sedikit air. Berdasarkan hal itu, maka reaksi yang terjadi di katoda adalah : 2MnO₂ (s) + 2NH₄⁺ (aq) + 2e → Mn₂O₃ (s) + 2NH₃ (g) + H₂O(l)

Pada baterai alkaline, energi yang dihasilkan dua kali lebih besar daripada energi biasa. Adapun reaksi yang terjadi pada anoda dan katoda yaitu:

• Pada anoda digunakan logam Zn (seng) sama seperti pada baterai biasa yang berfungsi sebagai wadah. Reaksi yang terjadi adalah oksidasi logam Zn dengan persamaan reaksi: Zn (s) → Zn²⁺ (aq) + 2e.
• Pada katoda terdapat oksida mangan berupa MnO₂. Sementara itu elektrolit yang digunakan adalah kalium hidroksida (KOH). Adapun reaksi yang terjadi di katoda adalah reduksi dari oksidai mangan dengan persamaan reaksi sebagai berikut : 2MnO₂ + H₂O + 2e → Mn₂O₃ + 2OH^–

Aki atau Accumulator

Aki merupakan aplikasi dari sel volta yang memiliki sifat reversible atau bolak balik, pada prinsip kerja sel volta yang terjadi pada aki terjadi reaksi bolak balik, zat yang menjadi hasil reaksi dapat kembali menjadi zat semula. Salah satu perbedaan aki dengan baterai adalah aki yang sudah lemah bisa diisi ulang sehingga bisa kembali digunakan, sementara pada baterai tidak dapat dilakukan pengisian ulang ataupun digunakan kembali.

Berikut ini reaksi kimia yang terjadi pada aki sehingga mampu menghasilkan arus listrik:

• Pada anoda terdapat lempeng logam timbal dengan persamaan reaksi yang terjadi adalah: Pb (s) + HSO₄^– (aq) → PbSO₄ (s) + H⁺ (aq) + 2e
• Pada katode terdapat lempeng logam oksida timbal PbO₂. Adapun reaksi yang terjadi adalah: PbO₂ (s) + HSO₄^– (aq) + 3H⁺ (aq) + 2e → PbSO₄ (aq) + 2H₂
• Elektrolit yang digunakan dalam aki ini adalah larutan asam sulfat encer.

Baca juga: Sifat Koligatif Larutan Elektrolit

Pemahaman Akhir

Dalam pembahasan tentang sel volta, kita telah memahami bahwa sel volta adalah alat yang menghasilkan listrik melalui reaksi kimia, terutama reaksi reduksi dan oksidasi. Sel volta terdiri dari anoda dan katoda, dengan anoda sebagai kutub negatif dan katoda sebagai kutub positif. Reaksi yang terjadi pada anoda adalah oksidasi, di mana logam mengalami peluruhan menjadi ion. Sementara itu, reaksi pada katoda adalah reduksi, di mana ion mengendap menjadi logam.

Kedua reaksi ini menghasilkan energi listrik yang dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti pada baterai dan aki. Baterai, baik yang biasa maupun alkaline, menggunakan reaksi kimia antara logam seng dan oksida mangan pada katoda untuk menghasilkan listrik. Di sisi lain, aki menggunakan reaksi bolak-balik antara logam timbal dan oksida timbal pada katoda, yang memungkinkan aki diisi ulang dan digunakan kembali.

Perbedaan utama antara baterai dan aki adalah baterai biasanya tidak dapat diisi ulang dan harus diganti setelah habis daya, sedangkan aki dapat diisi ulang dan digunakan berulang kali. Penggunaan sel volta ini memungkinkan kita untuk menghasilkan dan menyimpan energi listrik dengan efisien, sehingga mendukung berbagai aplikasi teknologi yang kita nikmati dalam kehidupan sehari-hari.

Bagaimana paparan mengenai sel voltanya? sudah paham kan? semoga penjelasannya semakin membuka wawasan dan pengetahuan tentang sel volta, dan yang terpenting menyadarkan kita semua bahwa kimia itu dekat dengan kehidupan kita dan banyak manfaat yang bisa diambil dalam keperluan di masyarakat.

Referensi: Utami, Budi., et al. (2009). Kimia untuk Kelas XII IPA/MA Program Ilmu Alam. Jakarta: Pusat Perbukuan, Kementrian Pendidikan dan Kebudayaan.