BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Sel elektrokimia, juga disebut sel volta atau sel galvani, merupakan suatu alat dimana reaksi kimia terjadi dengan produksi suatu perbedaan potensial listrik antara dua elektroda. Jika kedua elektroda dihubungkan terhadap suatu sirkuit luar dihasilkan aliran arus, yang dapat mengakibatkan terjadinya kerja mekanik sehingga sel elektrokimia mengubah energi kimia ke dalam kerja.
pH merupakan suatu satuan ukur yang menguraikan derajat tingkat kadar keasaman atau kadar alkali dari suatu larutan. Unit pH diukur pada skala 0 sampai 14. Istilah pH berasal dari "p", lambang matematika dari negatif logaritma, dan "H", lambang kimia untuk unsur Hidrogen. Definisi yang formal tentang pH adalah negatif logaritma dari aktivitas ion Hidrogen.
Pengukuran pH secara kasar biasa dilakukan dengan kertas pH atau kertas indikator pH, dengan perubahan warna pada level pH yang bervariasi. Indikator ini mempunyai keterbatasan pada tingkat akurasi pengukuran, dan dapat terjadi kesalahan pengamatan warna yang disebabkan larutan sampel yang berwarna atau sampel yang keruh.
Elektroda adalah konduktor yang digunakan untuk bersentuhan dengan bagian atau media non-logam dari sebuah sirkuit (misal semikonduktor, elektrolit atau vakum). Ungkapan kata ini diciptakan oleh ilmuwan Michael Faraday dari bahasa Yunani elektron (berarti amber, dan hodos sebuah cara). Elektroda dalam sel elektrokimia dapat disebut sebagai anoda atau katoda, kata-kata yang juga diciptakan oleh Faraday. Anoda ini didefinisikan sebagai elektroda di mana elektron datang dari sel elektrokimia dan oksidasi terjadi, dan katoda didefinisikan sebagai elektroda di mana elektron memasuki sel elektrokimia dan reduksi terjadi. Setiap elektroda dapat menjadi sebuah anoda atau katoda tergantung dari tegangan listrik yang diberikan ke sel elektrokimia tersebut. Elektroda bipolar adalah elektroda yang berfungsi sebagai anoda dari sebuah sel elektrokimia dan katoda bagi sel elektrokimia lainnya.
Pengukuran pH yang lebih akurat biasa dilakukan dengan menggunakan pH meter. Sistem pengukuran pH mempunyai tiga bagian yaitu elektroda pH, elektroda referensi,dan alat pengukur impedansi tinggi. pH elektroda dapat diasumsikan sebagai battery, dengan voltase yang bervariasi hasil pengukuran dari pH larutan yang diukur. Elektroda pH merupakan Aplikasi pengukuran emf yang sudah sangat luas digunakan pada pengukuran pH dari berbagai larutan.
Cara kerja elektroda pH harus kita ketahui agar kita dapat menentukan nilai konsentrasi suatu larutan oleh potensial elektrodanya. Misalnya dalam penentuan nilai pH dengan menggunakan elektroda pH dimana bulb diisi dengan larutan asam yang diketahui. Elektroda memiliki respon yang cepat karena potensi menyebar di seluruh lapisan kaca antara larutan klorida di dalam dan di luar yang tidak diketahui keasamannya. Secara empiris, kita menemukan respon terbaik untuk kaca tipis: optimal pada 50 atau lebih (50 = 0.05mm = 50 × 10-6 m).
Salah satu contoh kasus yang berhubungan dengan elektroda pH adalah tentang pH meter yang merupakan aplikasi dari elektroda ini untuk menentukan pH larutan. Selain itu juga digunakan untuk menentukan titik akhir titrasi asam basa pengganti indikator. Alat ini dilengkapi dengan elektroda gelas dan elektroda kalomel (SCE) atau gabungan dari keduanya (elektroda kombinasi). Logam perak yang dicelupkan kedalam larutan HCl 0,1 M bertindak sebagai elektroda pembanding 2. Sedangkan elektroda kalomel sebagai elektroda pembanding 1. Elektroda perak perak klorida merupakan bagaian dari elektroda gelas tapi tidak peka terhadap pH. Bagian membran gelas yang tipis pada ujung elektroda adalah peka terhadap pH. Hal yang harus diperhatikan dalam menggunakan elektroda-elektroda yaitu cairan dalam elektroda yang harus dijaga lebih tinggi dari larutan yang diukur.
Elektroda ini terdiri dari kombinasi antara elektroda pembanding (reference electrode) dan elektroda glass. Berdasarkan uraian di atas maka disusunlah makalah ini dengan maksud untuk membahas salah satu bagian cakupan dalam elektrokimia tentang bagaimana prinsip penggunaan dan cara kerja dari elektroda pH.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Sel elektrokimia merupakan suatu alat yang terdiri dari sepasang elektroda yang dicelupkan ke dalam suatu larutan atau lelehan ionis dan dihubungkan dengan konduktor logam pada rangkaian luar. Sel elektrokimia dapat berupa sel galvani maupun sel elektrolisis. Sel galvani adalah sel elektrokimia yang dapat menghasilkan energi listrik yang disebabkan oleh terjadinya reaksi redoks yang spontan. Contoh sel galvani adalah sel Daniell sedangkan Sel elektrolisis adalah sel elektrokimia yang menimbulkan terjadinya reaksi redoks yang tidak spontan dengan adanya energi listrik dari luar. Contohnya adalah elektrolisis lelehan NaCl dengan electrode platina (Oxtoby dan Gills, 2001).
Notasi sel memberikan informasi yang lengkap dari sel galvani. Informasi tersebut meliputi jenis elektroda, jenis elektrolit yang kontak dengan elektroda tersebut termasuk konsentrasi ion-ionnya, anoda dan katodanya serta pereaksi dan hasil reaksi setiap setengah-sel (Oxtoby dan Gills, 2001).
Sel seperti Sel Daniell, dapat dibuat berprilaku reversibel dengan cara mengimbangi potensialnya dengan suatu potensial eksternal sehingga tidak ada aliran arus. Saat potensial listrik tersebut benar-benar diimbang, sel tersebut bereaksi reversibel dan potensialnya dirujuk sebagai elektrokimia force (EMF). Berdasarkan konvensi IUPAC, emf sel didefinisikan sebagai
E = Ekanan – Ekiri
dengan E potensial sel, Ekanan potensial elektroda sebelah kanan(dalam bentuk reduksi), Ekiri potensial elektroda (reduksi) untuk elektroda sebelah kiri seperti yang tercantum dalam notasi selnya. Karena elektroda sebelah kanan merupakan katoda dan elektroda sebalah kiri merupakan anoda maka emf sel dapat dituliskan sebagai (Atkins, 1997):
E= Ekatoda – E Anoda
Elektroda membran selektif-ion, elektroda ini mengandung membran gelas, kristal atau cairan yang mempunyai sifat : perbedaan potensial antara membran dan elektrolit yang kontak dengan membran tersebut ditentukan oleh aktifitas dari ion tertentu. Elektroda membran yang paling tua dan paling banyak digunakan adalah elektroda gelas. Elektroda ini dikatakan selektif-ion karena hanya spesifik untuk ion H+ . Elektroda ini dapat dilihat pada gambar (Basset dkk., 1994):
Elektroda gelas ini terdiri dari membran yang sangat tipis yang terbuat dari gelas yang permeabel terhadap ion H+. Elektroda Ag½AgCl dicelupkan ke dalam larutan buffer yang mengandung ion Cl-. Kadang-kadang digunakan juga elektroda kalomel untuk mengganti elektroda Ag½AgCl. Elektroda gelas terutama digunakan pada pengukuran pH (Basset dkk., 1994).
Pada dasarnya semua elektroda reversibel dapat digunakan sebagai elektroda rujukan untuk pembanding, tapi berdasarkan kepraktisannya elektroda pembanding yang paling banyak digunakan adalah elektroda perak-perak klorida dan kalomel. Pada elektroda kalomel,
elektroda ini, raksa (Hg) ada dalam keadaan kontak dengan raksa (I) klorida,
Hg2Cl2 (kalomel), dicelupkan ke dalam larutan KCl 0,1 m atau KCl jenuh (Atkins, 1997).Jika diset dengan elektroda hidrogen standar. Pt, H2 (1 bar)| H+ || Cl‑ | Hg2Cl2(s)|Hg. Reaksi elektroda :
Reaksi di anoda : ½ H2 H+ + e-
Reaksi di katoda : ½ Hg2Cl2(g) + e- Hg + Cl-
Reaksi keseluruhan : ½ H2 + 1/2Hg2Cl2(s) H+ + Cl- + Hg
Emf pada keadaan standar 0,337 Volt (Eo = 0,337 V). Jika digunakan KCl jenuh pada 250C memberikan E = 0,2412 V (Basset dkk., 1994).
Pada elektroda perak-perak klorida, elektrodanya yaitu logam perak kontak dengan padatan perak klorida yang merupakan garam yang sangat sukar larut. Keseluruhannya dicelupkan ke dalam larutan kalium klorida (KCl) yang mana konsentrasi ion Cl- = 1 m. Bentuk elektrodanya nampak seperti pada gambar berikut (Atkins, 1997) :
Elektroda ini direpresentasikan dengan : Ag|AgCl (s)|Cl‑ (1m)
Jika kita set elektroda ini dengan elektroda hidrogen memberikan :
Pt, H2 (1 bar)| H+ (1 m)|| Cl‑ (1m) | AgCl (s)|Ag
Pada 25oC memberikan emf 0,22233 Volt. Reaksi elektrodanya :
Reaksi oksidasi : ½ H2 H+ + e-
Reaksi reduksi : AgCl(s) + e- Ag + Cl-
Reaksi keseluruhannya : ½ H2 + AgCl(s) H+ + Cl- + Ag
Jadi potensial elektroda standar Ag-AgCl adalah 0,22233 Volt (kimia UPI, 2010).
Sejarah pengukuran pH suatu larutan dengan menggunakan pH meter sistem elektrik dimulai pada tahun 1906 ketika Max Cremer dalam sebuah penelitiannya menemukan adanya interaksi dari aktivitas ion hidrogen yang dihubungkan dengan suatu sel akan menghasilkan tegangan listrik. Dia menggunakan gelembung kaca yang tipis yang diisi dengan suatu larutan dan dimasukan kedalam larutan yang lain dan ternyata menghasilkan tegangan listrik. Gagasan ini kemudian dikembangkan oleh Firtz Haber dan Zygmunt Klemsiewcz yang menemukan bahwa tegangan yang dihasilkan oleh gelembung kaca tersebut merupakan suatu fungsi logaritmis (Nandaz, 2009).
pH meter untuk penggunaan komersial pertama kali diproduksi oleh Radiometer pada tahun 1936 di Denmark dan Arnold Orville eckman dari Amerika Serikat. Penemuan tersebut dilakukan ketika Beckman menjadi assisten professor kimia di California Institute of Technology, dia mengatakan untuk mendapatkan metoda yang cepat dan akurat untuk pengukuran asam dari jus lemon yang diproduksi oleh California Fruit Growers Exchange (Sunkist). Hasil penemuannya tersebut membawa dia untuk mendirikan Beckman Instruments Company (sekarang Beckman Coulter) (Nandaz, 2009).
Pada prinsipnya pengukuran suatu pH adalah didasarkan pada potensial elektro kimia yang terjadi antara larutan yang terdapat didalam elektroda gelas (membran gelas) yang telah diketahui dengan larutan yang terdapat diluar elektroda gelas yang tidak diketahui. Hal ini dikarenakan lapisan tipis dari gelembung kaca akan berinteraksi dengan ion hydrogen yang ukurannya relative kecil dan aktif, elektroda gelas tersebut akan mengukur potensial elektrokimia dari ion hydrogen atau diistilahkan dengan potential of hydrogen. Untuk melengkapi sirkuit elektrik dibutuhkan suatu elektroda pembanding. Sebagai catatan, alat tersebut tidak mengukur arus tetapi hanya mengukur tegangan(Bird, 1993).
pH meter akan mengukur potensial listrik (pada gambar alirannya searah jarum jam) antara merkuri Cloride (HgCl) pada elektroda pembanding dan potassium chloride (KCl) yang merupakan larutan didalam gelas elektroda serta potensial antara larutan dan elektroda perak. Tetapi potensial antara sampel yang tidak diketahui dengan elektroda gelas dapat berubah tergantung sampelnya, oleh karena itu perlu dilakukan kalibrasi dengan menggunkan larutan yang equivalen yang lainya untuk menetapkan nilai dari pH (Atkins dan Paula, 2006).
Elektroda pembanding calomel terdiri dari tabung gelas yang berisi potassium klorida (KCl) yang merupakan elektrolit yang mana terjadi kontak dengan merkuri klorida (HgCl) diujung larutan KCl. Tabung gelas ini mudah pecah sehingga untuk menghubungkannya digunakan keramik berpori atau bahan sejenisnya. Elektroda semacam ini tidak mudah terkontaminasi oleh logam dan unsur natrium (Bird, 1993).
Elektroda gelas terdiri dari tabung kaca yang kokoh yang tersambung dengan gelembung kaca tipis yang didalamnya terdapat larutan KCl sebagai buffer pH 7. Elektroda perak yang ujungnya merupakan perak klorida (AgCl2) dihubungkan kedalam larutan tersebut. Untuk meminimalisir pengaruh elektrik yang tidak diinginkan, alat tersebut dilindungi oleh suatu lapisan kertas pelindung yang biasanya terdapat dibagian dalam elektroda gelas (Atkins dan Paula, 2006).
Pada kebanyakan pH meter modern sudah dilengkapi dengan thermistor temperature yaitu suatu alat untuk mengkoreksi pengaruh temperatur. Antara elektroda pembanding dengan elektroda gelas sudah disusun dalam satu kesatuan (Nandaz, 2009).
BAB III
PEMBAHASAN
The pH– glass electrode
A pH electrode is sometimes also called a ‘membrane’ electrode. Figure 7.15 shows how its structure consists of a glass tube culminating with a bulb of glass.This bulb is filled with a solution of chloride ions,buffered to about pH 7.A slim silver wire runs down the tube centre and is immersed in the chloride solution. It bears a thin layer of silver chloride, so the solution in the bulb is saturated with AgCl.
The bulb is usually fabricated with common soda glass, i.e. glass containing a high concentration of sodium ions. Finally,a small reference electrode, such as an SCE, is positioned beside the bulb. For this reason, the pH electrode ought properly to be called a pH combination electrode, because it is combined with a reference electrode. If the pH electrode does not have an SCE, it is termed a glas selectrode (GE). The operation of a glass electrode is identical to that of a combination pH electrode, except that an external reference electrode is required.
To determine a pH with a pH electrode, the bulb is fully immersed in a solution of unknown acidity. The electrode has fast response because a potential develops rapidly across the layer of glass between the inner chloride solution and the outer, unknown acid. Empirically, we find the best response when the glass is extremely thin : the optimum seems to be 50 µm or so (50 µm = 0.05mm = 50 × 10-6
m). Unfortunately, such thin glass is particularly fragile. The glass is not so thin that it is porous, so we do not need to worry about junction potentials Ej (see Section 7.6). The non-porous nature of the glass does imply, however, that the cell resistance is extremely large, so the circuitry of a pH meter has to operate with minute currents.
The magnitude of the potential developing across the glass depends on the difference between the concentration of acid inside the bulb (which we know) and the concentration of the acid outside the bulb (the analyte, whose pH is to be determined). In fact, the emf generated across the glass depends in a linear fashion on the pH of the analyte solution provided that the internal pH does not alter, which is why we buffer it. This pH dependence shows why a pH meter is really just a pre-calibrated voltmeter, which converts the measured emf into a pH. It uses the following formula:
emf = K + . pH (7.49)
Electrode ‘slope’
We can readily calculate from Equation (7.49) that the emf of a pH electrode should change by 59 mV per pH unit. It is common to see this stated as ‘the electrode has a slope of 59 mV per decade’. A moment’s pause shows how this is a simple statement of the obvious : a graph of emf (as ‘y’) against [H+] (as ‘x’) will have a gradient of 59 mV (hence ‘slope’). The words ‘perdecade’ point to the way that each pH unit represents a concentration change of 10 times, so a pH of 3 means that [H+] = 10-3 mol dm-3, a pH of 4 means [H+] = 10-4 mol dm-3 and a pH of 5 means [H+] = 10-5 mol dm-3, and soon. If the glass electrode does have a slope of 59 mV, its response is said to be Nernstian, i.e. it obeys the Nernstequation.The discussion of pH in Chapter 6 makes this same point in terms of Figure 6.1.
Table 7.11 lists the principle advantages and disadvantages encountered with the pH electrode.
Advantages
1. If recently calibrated, the GE and pH electrodes give an accurate response
2. The response is rapid (possibly milli second)
3. The electrodes are relatively cheap
4. Junction potentials are absent or minimal, depending on the choice of reference electrode
5. The electrode draws a minimal current
6. The glass is chemically robust, so the GE can be used in oxidizing or reducing conditions ; and the internal acid solution can not contaminate the analyte
7. The pH electrode has a very high selectivity –perhaps as high as 105 :1at room temperature, so only one foreign ion is detected per 100000 protons (although see disadvantage 6 below). The selectivity does decrease a lot above ca 35oC.
Disadvantages
Both the glass and pH electrodes alike have many disadvantages
1. To some extent, the constant K is a function of the area of glass in contact with the acid analyte. For this reason, no two glass electrodes will have the same value of K.
2. Also, for the same reason, K contains contributions from the strains and stresses experienced at the glass.
3. (Following from2) : the electrode should be recalibrated often
4. In fact, the value of K may itself be slightly pH dependent, since the strains and stresses themselves depend on the amount of charge incorporated into the surfaces of the glass.
5. The glass is very fragile and, if possible, should not be rested against the hard walls or floor of a beaker or container.
6. Finally, the measured emf contains a response from ions other than the proton. Of these other ions, the only one that is commonly present is sodium. This error is magnified at very high pH (>11) when very few protons are in solution, and is known as the ‘alkaline error’
Pengukuran pH yang lebih akurat biasa dilakukan dengan menggunakan pH meter. Sistem pengukuran pH mempunyai tiga bagian yaitu elektroda pengukuran pH, elektroda referensi,dan alat pengukur impedansi tinggi. pH elektroda dapat diasumsikan sebagai battery, dengan voltase yang bervariasi hasil pengukuran dari pH larutan yang diukur. pH meter akan mengukur potensial listrik (pada gambar alirannya searah jarum jam) antara merkuri Clorida (HgCl) pada elektroda pembanding dan potassium chloride (KCl) yang merupakan larutan didalam gelas elektroda serta potensial antara larutan dan elektroda perak. Tetapi potensial antara sampel yang tidak diketahui dengan elektroda gelas dapat berubah tergantung sampelnya, oleh karena itu perlu dilakukan kalibrasi dengan menggunakan larutan yang equivalen yang lainya untuk menetapkan nilai dari pH.
Elektroda pembanding kalomel terdiri dari tabung gelas yang berisi potassium klorida (KCl) yang merupakan elektrolit yang mana terjadi kontak dengan merkuri klorida (HgCl) diujung larutan KCl. Tabung gelas ini mudah pecah sehingga untuk menghubungkannya digunakan keramik berpori atau bahan sejenisnya. Elektroda semacam ini tidak mudah terkontaminasi oleh logam dan unsur natrium.
Elektroda gelas terdiri dari tabung kaca yang kokoh yang tersambung dengan gelembung kaca tipis yang. Didalamnya terdapat larutan KCl sebagai buffer pH 7. Elektroda perak yang ujungnya merupakan perak klorida (AgCl2) dihubungkan kedalam larutan tersebut. Untuk meminimalisir pengaruh elektrik yang tidak diinginkan, alat tersebut dilindungi oleh suatu lapisan kertas pelindung yang biasanya terdapat dibagian dalam elektroda gelas. Pada kebanyakan pH meter modern sudah dilengkapi dengan thermistor temperatur yaitu suatu alat untuk mengkoreksi pengaruh temperatur. Antara elektroda pembanding dengan elektroda gelas sudah disusun dalam satu kesatuan.
Nilai slope dalam pH meter biasaya mewakili nilai perubahan potensial antara elektroda pH versus elektroda kerja, biasanya unit yang kita gunakan adalah mV/dekade atau mV/pH, sedangkan nilai slope yang ideal berdasarkan persamaan Nerstian adalah 59,16 mV/pH, sedangkan rentang slope menurut hasil laporan yang dituliskan shigeru amemiya 3/4 hingga 4/3 dari nilai Nerstian atau dengan kata lain 78 mV/pH hingga 44 mV/ pH, namun jika kita lihat pada beberapa produk komersil kisaran nilai slope itu 54 mV/pH hingga 60 mV/pH tentunya dengan tingkat linearitas yang mendekai 1.
BAB IV
PENUTUP
4.1 KESIMPULAN
ü Elektroda pH atau bisa dinamakan elektroda membran merupakan elektroda yang mengandung membran gelas, kristal atau cairan yang mempunyai sifat : perbedaan potensial antara membran dan elektrolit yang kontak dengan membran tersebut ditentukan oleh aktifitas dari ion tertentu.
ü pH merupakan suatu satuan ukur yang menguraikan derajat tingkat kadar keasaman atau kadar alkali dari suatu larutan.
ü Pada prinsipnya pengukuran suatu pH pada elektroda 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.
ü pH meter akan mengukur potensial listrik antara merkuri Cloride (HgCl) pada elektroda pembanding dan potassium chloride (KCl) yang merupakan larutan didalam gelas elektroda serta potensial antara larutan dan elektroda perak.
ü Nilai slope yang ideal berdasarkan persamaan Nerstian adalah 59,16 mV/pH, sedangkan rentang slope menurut hasil laporan yang dituliskan shigeru amemiya 3/4 hingga 4/3 dari nilai Nerstian.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar