Bagaimana Baterai Mengubah Kimia Menjadi Listrik

Sementara bab-bab sebelumnya memperkenalkan atom dan partikel konstituennya—elektron, proton, dan neutron—bagian ini menyelami sisi praktis baterai. Kami menjelaskan kimia yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik, dan mempertimbangkan pertimbangan dunia nyata untuk sistem daya.

Elektron adalah agen aktif dalam aktivitas listrik, tetapi identitas kimia suatu atom—dan oleh karena itu konduktivitasnya—dikuasai oleh jumlah proton dalam intinya. Proton terikat erat, membuat identitas elemen suatu atom sangat stabil. Sebaliknya, elektron dapat dipindahkan lebih mudah, memungkinkan transfer muatan yang diinduksi oleh gesekan (misalnya, kaca dan sutra) atau efek termal seperti generasi tegangan termokopel.

Jenis Ikatan Kimia

Elektron tidak hanya berpindah antar atom; mereka juga memediasi ikatan yang menyatukan atom. Ikatan kimia ini menghasilkan molekul dengan properti fisik unik. Tipe ikatan yang paling umum adalah kovalen dan ionik:

• Ikatan kovalen: elektron dibagi antar atom. Misalnya, molekul sederhana dari dua atom yang identik menunjukkan densitas elektron yang dibagi.
• Ikatan ionik: satu atom melepaskan elektron, menjadi bermuatan positif, sementara yang lain menerima elektron, menjadi bermuatan negatif. Tarikan elektrostatik menyatukan ion-ion tersebut.

Dalam kenyataan, molekul seringkali mengandung campuran karakter kovalen dan ionik, sebagaimana diilustrasikan oleh natrium hidroksida (NaOH). Ion Na⁺ membentuk ikatan ionik dengan ion hidroksida, sementara pasangan O–H dalam hidroksida terikat kovalen.

Status oksidasi atom ditunjukkan dengan superskrip atau angka Romawi (misalnya, Pb²⁺, Fe³⁺). Mengetahui status oksidasi mengklarifikasi atom mana yang direduksi atau dioksidasi selama reaksi. Mnemonik OIL RIG (Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain) membantu mengingat bahwa spesies yang dioksidasi kehilangan elektron, sementara spesies yang direduksi menerima elektron.

Bagaimana Sel Voltaik Bekerja

Sel voltaik—atau sel—mengubah gerakan elektron selama reaksi redoks menjadi arus listrik yang dapat digunakan. Konfigurasi tipis meliputi dua elektroda logam yang direndam dalam elektrolit yang memfasilitasi transportasi ion. Saat elektroda dihubungkan secara eksternal, elektron mengalir dari anode ke katoda, menghasilkan arus.

Pertimbangkan baterai asam timbal, yang umum dalam aplikasi otomotif. Elektroda negatif adalah timbal logam (Pb), dan elektroda positif adalah timbal(IV) dioksida (PbO₂). Elektrolit adalah larutan asam sulfat (H₂SO₄) yang diencerkan. Saat discharge, PbO₂ di katoda menerima elektron untuk membentuk PbO, sementara air dihasilkan dari H⁺ dan O²⁻. Secara bersamaan, Pb di anode melepaskan elektron, membentuk PbSO₄ yang menggabungkan ion sulfat dalam elektrolit. Tegangan sel keseluruhan sekitar 2.04 V dalam kondisi terisi penuh dan optimal.

Catatan tentang nomenklatur: Dalam kimia timbal, PbO merujuk pada oksida timbal(II), sedangkan PbO₂ (sering disebut dioksida timbal atau oksida plumbik) menunjukkan oksida timbal(IV). Konteks biasanya mengklarifikasi senyawa mana yang dimaksud.

Saat baterai asam timbal sepenuhnya ter discharge, elektrolit menjadi sebagian besar air, dan kedua elektroda dilapisi PbSO₄, menghentikan aliran arus lebih lanjut. Status isi dapat dipantau dengan hidrometer yang mengukur gravitasi spesifik elektrolit—densitas yang lebih tinggi menunjukkan konsentrasi asam yang lebih tinggi dan sel yang lebih terisi.

Tidak semua sel dapat diisi ulang. Sel primer, seperti sel Edison (NiO/Fe/KOH), tidak dapat diisi ulang karena reaksi elektrokimia secara efektif tidak dapat dibalik dalam kondisi praktis. Sel sekunder, seperti baterai asam timbal atau lithium-ion, memungkinkan reaksi dibalik dengan menerapkan arus eksternal, sehingga memulihkan bahan elektroda asli.

Key Takeaways

• Atom yang terikat oleh elektron membentuk molekul.
• Ikatan ionik timbul saat satu atom melepaskan elektron dan atom lain menerimanya.
• Reaksi redoks mentransfer elektron dan dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan arus listrik.
• Sel voltaik mengubah reaksi kimia menjadi energi listrik.
• Sel yang ter discharge telah menghabiskan energi kimianya; pengisian ulang memulihkannya dalam sel sekunder.
• Isi asam timbal dapat diukur melalui densitas elektrolit yang diukur dengan hidrometer.

Lembar Kerja Terkait

• Lembar Kerja Struktur Atom