Aktivitas Elektron dalam Reaksi Kimia

Sejauh ini dalam pembahasan kita tentang kelistrikan dan rangkaian listrik, kita belum membahas secara detail bagaimana baterai berfungsi. Sebaliknya, kami hanya berasumsi bahwa mereka menghasilkan tegangan konstan melalui semacam proses misterius. Di sini, kita akan mengeksplorasi proses tersebut sampai tingkat tertentu dan mencakup beberapa pertimbangan praktis yang terkait dengan baterai asli dan penggunaannya dalam sistem tenaga.

Dalam bab pertama buku ini, konsep atom dibahas, seperti blok bangunan dasar dari semua objek material. Atom, pada gilirannya, terdiri dari bagian materi yang lebih kecil yang disebut partikel . Elektron, proton, dan neutron adalah tipe dasar partikel yang ditemukan dalam atom. Masing-masing jenis partikel ini memainkan peran berbeda dalam perilaku atom. Sementara aktivitas listrik melibatkan pergerakan elektron, identitas kimia atom (yang sangat menentukan seberapa konduktif bahan tersebut) ditentukan oleh jumlah proton di dalam nukleus (pusat).

Proton dalam inti atom sangat sulit untuk dilepaskan, sehingga identitas kimia atom sangat stabil. Salah satu tujuan para alkemis kuno (untuk mengubah timah menjadi emas) digagalkan oleh stabilitas sub-atom ini. Semua upaya untuk mengubah sifat atom ini melalui panas, cahaya, atau gesekan menemui kegagalan. Elektron atom, bagaimanapun, jauh lebih mudah copot. Seperti yang telah kita lihat, gesekan adalah salah satu cara di mana elektron dapat ditransfer dari satu atom ke atom lain (kaca dan sutra, lilin dan wol), serta panas (menghasilkan tegangan dengan memanaskan sambungan logam yang berbeda, seperti dalam kasus termokopel).

Jenis Ikatan Kimia

Elektron dapat melakukan lebih dari sekadar bergerak di sekitar dan di antara atom:elektron juga dapat berfungsi untuk menghubungkan atom yang berbeda bersama-sama. Pengikatan atom dengan elektron ini disebut ikatan kimia . Representasi kasar (dan disederhanakan) dari ikatan semacam itu antara dua atom mungkin terlihat seperti ini:

Ada beberapa jenis ikatan kimia, yang ditunjukkan di atas adalah perwakilan dari kovalen ikatan, di mana elektron dibagi antara atom. Karena ikatan kimia didasarkan pada ikatan yang dibentuk oleh elektron, ikatan ini hanya sekuat imobilitas elektron yang membentuknya. Artinya, ikatan kimia dapat dibuat atau diputus oleh gaya yang sama yang memaksa elektron bergerak:panas, cahaya, gesekan, dll.

Ketika atom bergabung dengan ikatan kimia, mereka membentuk bahan dengan sifat unik yang dikenal sebagai molekul . Gambar dual-atom yang ditunjukkan di atas adalah contoh molekul sederhana yang dibentuk oleh dua atom dari jenis yang sama. Sebagian besar molekul adalah gabungan dari berbagai jenis atom. Bahkan molekul yang dibentuk oleh atom dari jenis yang sama dapat memiliki sifat fisik yang sangat berbeda. Ambil elemen karbon, misalnya:dalam satu bentuk, grafit , atom karbon terhubung bersama untuk membentuk "pelat" datar yang meluncur satu sama lain dengan sangat mudah, memberikan sifat pelumas alami pada grafit. Dalam bentuk lain, berlian , atom karbon yang sama terhubung bersama dalam konfigurasi yang berbeda, kali ini dalam bentuk piramida yang saling mengunci, membentuk bahan yang sangat keras. Dalam bentuk lain, Fullerene, lusinan atom karbon membentuk setiap molekul, yang terlihat seperti bola sepak. Molekul fullerene sangat rapuh dan ringan. Jelaga yang terbentuk dari pembakaran gas asetilena yang sangat kaya (seperti pada pengapian awal obor las/pemotongan oksi-asetilen) mengandung banyak molekul Fullerene.

Ketika para alkemis berhasil mengubah sifat suatu zat melalui panas, cahaya, gesekan, atau campuran dengan zat lain, mereka benar-benar mengamati perubahan jenis molekul yang dibentuk oleh atom yang memutuskan dan membentuk ikatan dengan atom lain. Kimia adalah padanan modern dari alkimia dan terutama berkaitan dengan sifat-sifat ikatan kimia ini dan reaksi yang terkait dengannya.

Jenis ikatan kimia yang menarik perhatian khusus untuk studi kami tentang baterai adalah apa yang disebut ionik ikatan, dan itu berbeda dari kovalen ikatan dalam satu atom dari molekul memiliki kelebihan elektron sementara atom lain kekurangan elektron, ikatan di antara mereka menjadi hasil dari daya tarik elektrostatik antara dua muatan yang berbeda.

Ketika ikatan ion terbentuk dari atom netral, terjadi transfer elektron antara atom bermuatan positif dan negatif. Sebuah atom yang memperoleh kelebihan elektron dikatakan tereduksi; atom dengan kekurangan elektron dikatakan teroksidasi . Sebuah mnemonik untuk membantu mengingat definisi adalah OIL RIG (teroksidasi lebih sedikit; berkurang diperoleh). Penting untuk dicatat bahwa molekul akan sering mengandung ikatan ionik dan kovalen. Natrium hidroksida (larutan alkali, NaOH) memiliki ikatan ionik antara atom natrium (positif) dan ion hidroksil (negatif). Ion hidroksil memiliki ikatan kovalen (ditunjukkan sebagai batang) antara atom hidrogen dan oksigen:

Na+ O—H- Natrium hanya kehilangan satu elektron, jadi muatannya adalah +1 pada contoh di atas. Jika sebuah atom kehilangan lebih dari satu elektron, muatan yang dihasilkan dapat ditunjukkan sebagai +2, +3, +4, dll. Atau dengan angka Romawi dalam tanda kurung yang menunjukkan bilangan oksidasi, seperti (I), (II), ( IV), dll. Beberapa atom dapat memiliki banyak bilangan oksidasi, dan terkadang penting untuk memasukkan bilangan oksidasi dalam rumus molekul untuk menghindari ambiguitas.

Bagaimana cara kerja Sel Volta?

Pembentukan ion dan ikatan ion dari atom atau molekul netral (atau sebaliknya ) melibatkan transfer elektron. Transfer elektron itu dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan arus listrik. Perangkat yang dibuat untuk melakukan hal ini disebut sel volta , atau sel singkatnya, biasanya terdiri dari dua elektroda logam yang direndam dalam campuran kimia (disebut elektrolit ) yang dirancang untuk memfasilitasi reaksi elektrokimia (oksidasi/reduksi):

Dalam sel "asam timbal" yang umum (jenis yang biasa digunakan dalam mobil), elektroda negatif terbuat dari timbal (Pb) dan yang positif terbuat dari timbal (IV) dioksida (PbO2), keduanya merupakan zat logam. Penting untuk dicatat bahwa timbal dioksida adalah logam dan merupakan konduktor listrik, tidak seperti oksida logam lain yang biasanya isolator. (catatan:Tabel di bawah) Larutan elektrolitnya adalah asam sulfat encer (H2SO4 + H2O). Jika elektroda sel dihubungkan ke sirkuit eksternal, sehingga elektron memiliki tempat untuk mengalir dari satu ke yang lain, atom timbal(IV) di elektroda positif (PbO2) akan mendapatkan dua elektron masing-masing untuk menghasilkan Pb(II) HAI. Atom oksigen yang “sisa” bergabung dengan ion hidrogen bermuatan positif (H)+untuk membentuk air (H2O). Aliran elektron ini ke dalam elektroda timbal dioksida (PbO2) memberinya muatan listrik positif. Akibatnya, atom timbal dalam elektroda negatif melepaskan dua elektron masing-masing untuk menghasilkan timbal Pb(II), yang bergabung dengan ion sulfat (SO4-2) yang dihasilkan dari disosiasi ion hidrogen (H+) dari asam sulfat (H2SO4) menjadi membentuk timbal sulfat (PbSO4). Aliran elektron keluar dari elektroda timbal memberikan muatan listrik negatif. Reaksi-reaksi ini ditunjukkan secara diagram di bawah ini:

Catatan tentang tata nama oksida timbal: Nomenklatur untuk oksida timbal bisa membingungkan. Istilah, oksida timbal dapat mengacu pada Pb(II)O atau Pb(IV)O2, dan senyawa yang benar biasanya dapat ditentukan dari konteksnya. Sinonim lain untuk Pb(IV)O2 adalah:timbal dioksida, timbal peroksida, plumbic oxide, timbal oksida coklat, dan timbal superoksida. Istilah, timbal peroksida sangat membingungkan, karena menyiratkan senyawa timbal (II) dengan dua atom oksigen, Pb(II)O2, yang tampaknya tidak ada. Sayangnya, istilah timbal peroksida telah bertahan dalam literatur industri. Pada bagian ini, timbal dioksida akan digunakan untuk mengacu pada Pb(IV)O2, dan timbal oksida akan digunakan untuk Pb(II)O. Biasanya bilangan oksidasi tidak akan ditampilkan.

Proses sel yang menyediakan energi listrik untuk memasok beban ini disebut pengosongan karena menipiskan cadangan kimia internalnya. Secara teoritis, setelah semua asam sulfat habis, hasilnya adalah dua elektroda timbal sulfat (PbSO4) dan larutan elektrolit air murni (H2O), sehingga tidak ada lagi kapasitas untuk ikatan ion tambahan. Dalam keadaan ini, sel dikatakan habis sepenuhnya . Dalam sel timbal-asam, keadaan muatan dapat ditentukan dengan analisis kekuatan asam. Ini mudah dilakukan dengan perangkat yang disebut hidrometer , yang mengukur berat jenis (densitas) elektrolit. Asam sulfat lebih padat daripada air, jadi semakin besar muatan sel, semakin besar konsentrasi asamnya, dan dengan demikian larutan elektrolit semakin padat.

Tidak ada reaksi kimia tunggal yang mewakili semua sel volta, jadi setiap pembahasan rinci tentang kimia pasti memiliki aplikasi yang terbatas. Yang penting untuk dipahami adalah bahwa elektron dimotivasi ke dan/atau dari elektroda sel melalui reaksi ionik antara molekul elektroda dan molekul elektrolit. Reaksi diaktifkan ketika ada jalur eksternal untuk arus listrik dan berhenti ketika jalur itu terputus.

Karena motivasi elektron untuk bergerak melalui sel bersifat kimiawi, jumlah tegangan (gaya gerak listrik) yang dihasilkan oleh sel mana pun akan spesifik untuk reaksi kimia tertentu untuk jenis sel itu. Misalnya, sel timbal-asam yang baru saja dijelaskan memiliki tegangan nominal 2,04 volt per sel, berdasarkan sel yang “bermuatan” penuh (konsentrasi asam kuat) dalam kondisi fisik yang baik. Ada jenis sel lain dengan output tegangan spesifik yang berbeda. Sel Edison , misalnya, dengan elektroda positif yang terbuat dari nikel oksida, elektroda negatif yang terbuat dari besi, dan larutan elektrolit kalium hidroksida (zat kaustik, bukan asam) menghasilkan tegangan nominal hanya 1,2 volt, karena perbedaan spesifik dalam reaksi kimia dengan elektroda dan zat elektrolit tersebut.

Reaksi kimia beberapa jenis sel dapat dibalik dengan memaksa arus listrik mundur melalui sel (dalam elektroda negatif dan keluar elektroda positif). Proses ini disebut mengisi daya . Setiap sel (isi ulang) semacam itu disebut sel sekunder . Sebuah sel yang kimianya tidak dapat dibalik oleh arus balik disebut sel primer .

Ketika sel timbal-asam diisi oleh sumber arus eksternal, reaksi kimia yang dialami selama pelepasan menjadi terbalik:

TINJAUAN:

• Atom yang diikat oleh elektron disebut molekul .
• Ikatan ionik adalah ikatan molekul yang terbentuk ketika atom kekurangan elektron (ion positif) bergabung dengan atom kelebihan elektron (ion negatif).
• Reaksi elektrokimia melibatkan transfer elektron antar atom. Transfer ini dapat dimanfaatkan untuk membentuk arus listrik.
• Sebuah sel adalah perangkat yang dibuat untuk memanfaatkan reaksi kimia semacam itu untuk menghasilkan arus listrik.
• Sebuah sel dikatakan kosong ketika cadangan kimia internalnya telah habis karena penggunaan.
• Sebuah sekunder kimia sel dapat dibalik (diisi ulang) dengan memaksa arus mundur melaluinya.
• Sebuah utama sel tidak dapat diisi ulang secara praktis.
• Muatan sel timbal-asam dapat dinilai dengan alat yang disebut hidrometer , yang mengukur densitas cairan elektrolit. Semakin padat elektrolit, semakin kuat konsentrasi asam, dan semakin besar keadaan muatan sel.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Struktur Atom