energi relatif

BAB IITINJAUAN PUSTAKA

II.1 Dasar teoriKorosi adalah suatu pokok bahasan yang menyangkut

berbagai disiplin ilmu atau dengan kata lain, ini menggabungkan unsur-unsur fisika, kimia, metalurgi, elektronika, dan perekayasaan. Adapun definisi mendasar korosi yaitu penurunan mutu logam akibat reaksi elektokimia dengan lingkungannya. Hukum termodinamika mengungkapkan kepada kita tentang kuatnya kecenderungan keadaan energi tinggi untuk berubah ke keadaan energi rendah. Kecenderungan inilah yang membuat logam–logam bergabung kembali dengan unsur–unsur yang ada di lingkungan, yang akhirnya membentuk gejala yang disebut korosi (Trethewey K.R, 1991).

Di alam bebas, kebanyakan logam ditemukan dalam keadaan tergabung secara kimia dan disebut bijih (ore). Bijih-bijih ini berupa oksida, sulfida, kabonat atau senyawa lain yang lebih kompleks, dan karena banyak yang sudah ada di kerak bumi sejak bumi ini tercipta, kita boleh beranggapan bahwa kondisi kimia bijih–bijih itu ditentukan oleh kehendak alam. Kehendak alam inilah yang kemudian menjadi hukum dasar yang terkembang melalui pengkajian termodinamika, dan menggunakan therminology dalam temodinamika itu kita mengatakan bahwa bijih dan senyawa-senyawa lain semacam itu berada dalam keadaan energi paling rendah. Untuk memisahkan logam, misalnya besi, dari salah satu bijinya, umpama besi oksida, orang perlu mengerahkan energi dalam

II- 1

LABORATORIUM TEKNIK KOROSIPROGRAM STUDI DIII TEKNIK KIMIAFTI-ITS

Bab II Tinjauan Pustaka

jumlah besar. Ini biasanya dilakukan melalui pemanasan (dengan agen pereduksi) dalam sebuah tanur hembus (blast

funace) dengan temperatur sekitar 1600 . Karena itu

logam-logam dalam keadaan tidak tergabung dengan bahan lain biasanya memiliki tingkat energi tinggi. Ini dijelaskan dengan menggunakan profil energi untuk menggambarkan perubahan-perubahan thermodinamika yang dialami oleh suatu logam, , ketika bediri sebagai atom logam, dan sesudah bergabung lagi sebagai hasil korosi (Trethewey K.R, 1991).

Di bawah ini merupakan tabel derajat kebutuhan energi untuk merubah biji logam menjadi logam, disusun berdasarkan standart kebutuhan energi untuk gas hidrogen yaitu = 0.

Dari tabel ini dapat dikatakan bahwa emas mempunyai internal energi yang sangat tinggi dibandingkan terhadap logam yang lain. Jika dibandingkan dengan potassium aluminium masih mempunyai energi dalam yang tinggi. Dengan kata lain dapat dinyatakan bahwa Aluminium akan susah terkorosi jika dibandingdengan potassium. Berdasarkan teori energi maka korosi akan tercapai jika terdapat perbedaan antara energi dalam dengan energi luar atau Free Energy.

Perbedaaan energi dalam lingkungannya akan sangat mempengaruhi perilaku dan kecepatan korosi terhadap material tersebut.

Selisih energi bebas antara logam dan produk korosinya, G hanya menggambarkan kecenderungan logam untuk mengalami korosi bukan laju korosinya sendiri. Ini karena antara logam dan hasil korosi terdapat suatu perintang energi. Atom–atom logam harus mengatasi

II - 2


LABORATORIUM TEKNIK KOROSIPROGRAM STUDI DIII TEKNIK

KIMIAFTI-ITS

perintang–perintang ini agar dapat mengalami korosi dan banyak energi yang dipasok agar ini bisa terjadi. Dalam contoh, perintang energi disebut energi aktivasi, yang digambarkan dengan simbol G++. Ukuran energi bebas aktivasi inilah yang menentukan laju suatu reaksi korosi, yang tetapan lajunya akan dinyatakan dengan Kkor. Laju reaksi korosi v, dapat dinyatakan sebagai :

Dengan :

Dimana :A : tetapan yang tidak didefinisikan R : Tetapan gas universalT : Temperatur mutlak(Trethewey K.R, 1991)

Energi bebas meupakan faktor satu–satunya yang menentukan apakah korosi akan berlangsung secara spontan atau tidak. Semua interaksi antara unsur–unsur dan senyawa-senyawa yang ditentukan oleh perubahan–perubahan energi bebas yang ada. Untuk reaksi secara spontan harus ada energi bebas yang terlepaskan. Dalam perlakuan ini, energi bebas setiap unsur dinyatakan sebagai G dan perubahan energi netto dalam reaksi dinyatakan dengan G. Sejalan dengan keyakinan kita bahwa perubahan–perubahan alami disertai peralihan dari keadaan energi tinggi ke yang lebih rendah, untuk energi yang diberikan diberi tanda negatif dan energi yang diserap oleh sistem diberi tanda positif. Jadi agar reaksi

II - 3

V = Kkor ( reaktan )

Kkor = A eksp ( - G ++ / RT )



spontan dapat belangsung, G harus negatif (Trethewey K.R, 1991).

Pada temperatur kamar kebanyakan senyawa kimia logam mempunyai harga–harga G lebih rendah (lebih negatif) dibanding logam–logam murni. Dengan demikian kebanyakan logam mempunyai kecenderungan yang hakiki untuk mengalami korosi. Perhatikan reaksi-reaksi berikut dan perubahan energi bebas per mol : Mg + H2O + ½ O2 MgO2 + H2 G0=-596 kj/mol Cu + H2O + ½ O2 CuO2 + H2 G0=-119 kj/mol Au + 1½ H2O + ¾ O2 AuO2 + H2O G0=+66 kj/mol

Data energi bebas dengan jelas menunjukkan bahwa tembaga dan magnesium mempunyai harga–harga G0

negatif, sedangkan emas positif. Jadi, tembaga dan magnesium diharapkan mengalami korosi secara alami di udara yang basah atau lembab, sedangkan emas tidak (Trethewey K.R, 1991).

II.1.1 Sel Korosi Basah Sederhana Sel korosi basah sederhana terdiri dari empat komponen

penting yaitu :1. Anoda

Anoda biasanya terkorosi dengan melepaskan elektron–elektron dari atom–atom logam netral untuk membentuk ion–ion. Ini mungkin tetap tinggal dalam larutan atau bereaksi membentuk hasil korosi yang tidak larut. Korosi suatu logam M biasanya dinyatakan dalam persamaan :

M M Z+ + Ze-

II - 4



KIMIAFTI-ITS

Dengan banyak elektron yang mengambil dari masing-masing atom ditentukan oleh valensi logam yang besangkutan, umumnya z = 1,2, atau 3 (Trethewey K.R, 1991).

2. KatodaKatoda biasanya tidak mengalami korosi walaupun

mungkin menderita kerusakan dalam kondisi–kondisi tertentu. Reaksi dalam katoda tergantung pada pH larutan yaitu:

pH < 7 : H + + e- H ( atom ) 2H H2 ( gas ) pH > 7 : 2 H2O + O2 + 4e- 4OH –

Reaksi pada katoda merupakan reaksi harus mengkonsumsi elektron–elektron yang dihasilkan oleh proses anoda dan perubahan energi harus cukup besar.

3. ElektrolitIstilah ini diberikan kepada larutan yang dalam hal ini

harus bersifat menghantarkan listrik. Air sangat murni biasanya dianggap bukan elektrolit. Konduktivitas air deionosasi yang lazim adalah sekitar 1 – 10 mSm-1

(Trethewey K.R, 1991).4. Hubungan Listrik

Antara anoda dan katoda harus terdapat kontak listrik agar arus dalam sel korosi dapat mengalir. Korosi dapat terjadi pada anoda jika antara anoda dan katoda terdapat selisih energi bebas. Selisih energi ini merupakan perwujudan potensial listrik yang dapat diukur dengan menyisipkan sebuah voltmeter dalam rangkaian listrik. Potensial ini diartikan sebagai kecenderungan untuk terjadi korosi. Apabila rangakain antara elektroda–elektroda dalam keadaan tertutup, potensial menggerakkan arus yang tidak

II - 5



lain elektron–elektron yang dihasilkan reaksi. Dengan demikian korosi paling baik bila dipantau menggunakan galvanometer yang berfungsi mengukur aliran arus dalam sel korosi basah. Hubungan antara sel dengan harga energi bebas dapat ditunjukkan melalui rumus sebagai berikut:

Z : ValensiF : Tetapan faradayE° : Beda potensial(Trethewey K.R, 1991)

Gambar II.1.1 Sel Korosi Basah Sederhana

II.1.2 Potensial-Potensial Elektroda BakuDalam korosi basah sederhana bahwa beda potensial

antara anoda dan katoda dapat diukur cukup dengan menyisipkan sebuah voltmeter ke dalam rangkaian. Beda potensial yang diukur adalah potensial elektroda besi dalam keadaan baku sama dengan Eo.

II - 6

∆Go = - Z x F x E°



KIMIAFTI-ITS

Potensial elekroda baku untuk logam-logam lain dapat diukur dan harga-harga yang diperoleh disusun dalam sebuah tabel. Dalam penyusunan itu, orang sepakat mencantumkan harga-harga untuk reaksi reduksi, dan tabel yang dihasilkan disebut tabel potensial reduksi baku. Ini berarti bahwa bila harga yang diperoleh untuk oksidasi besi adalah +0,44V, maka ini dicantumkan sebagai potensial reduksi -0,44V.

Gambar II.1.2 Penentuan Potensial-Potensial Elektroda Baku

Pengukuran potensial semua elektroda baku dapat dilakukan dengan menggunakan perlatan seperti di atas. Sebagai contoh, jika kita ingin mengukur potensial elektroda baku dari besi maka beda potensial yang terukur antara elektroda hidrogen dan elektroda besi, apabila kondisi pengukuran tepat seperti yang didefinisikan di atas, maka itulah harga yang kita inginkan. Separuh sel ini dipisahkan dari separuh sel lain yang hendak dijuji dengan sebuah pembatas berpori yang dirancang untuk meminimumkan

II - 7



kontaminasi silang elektrolit-elektrolit yang berlangsung akibat aliran ion-ion. Elektroda uji merupakan perpaduan antara logam dan larutan yang mengadung ion-ion logam bersangkutan, juga dengan konsentrasi tepat 1M dan temperatur baku 298 K. Separuh sel tempat reaksi hidrogen berlangsung disebut Elektroda Hidrogen Baku (Standard Hydrogen Electrode, SHE).(Trethewey K.R, 1991)

Dalam penyusunan rangkaian sel volta, salah satu hal yang perlu diperhatikan adalah elektroda yang digunakan, pemakaian elektroda dapat mengacu pada deret volta.

Tabel II.1.1 Potensial-potensial Reduksi BakuReaksi Elektroda E0 (volt)

Au+ + e- = AuPt2+ + 2e- = PtHg2+ + 2e- = HgAg+ + e- = AgCu2+ + 2e- = Cu2H+ + 2e- = H2

Pb2+ + 2e- = PbSn2+ + 2e- = SnNi2+ + 2e- = NiCd2+ + 2e- = CdFe2+ + 2e- = FeCr3+ + 3e- = FeZn2+ + 2e- = ZnAl3+ + 3e- = AlMg2+ + 2e- = MgNa+ + e- = Na

+1.68+1.20+0.85+0,80+0.340.00-0.13-0.14-0.25-0.40-0.44-0.71-0.76-1.67-2.34-2.71

II - 8



KIMIAFTI-ITS

Ca2+ + 2e- = CaK+ + e- = K

-2.87-2.92

(Trethewey K.R, 1991) Deret ElektrokimiaDeret elektrokimia diperoleh dalam kondisi baku. Harga-harganya bersifat mutlak untuk tiap unsur dan bergantung pada elektrolit yang digunakan. Harga-harga boleh disubtitusikan kedalam persamaan Nenst untuk mendapat taksiran harga potensial suatu reaksi korosi dalam kondisi tidak baku (Trethewey K.R, 1991). Deret Galvanik

Deret galvanik hanya berlaku untuk kondisi-kondisi elektrolit, tekanan, dan temperatur tertentu. Tidak seperti deret elektrokimia, deret ini dapat dilengkapi dengan unjuk kerja relatif logam-logam paduan; ini besar manfaatnya bagi para perancang. Jadi, untuk penerapan praktis orang lebih menyukai deret galvanik tetapi untuk pengembangan teori, deret elektrokimia lebih cepat (Trethewey K.R, 1991).

II.1.3 Potensial SelBaterai modern sesungguhnya tidak berbeda dengan

sel-sel korosi yang sudah disempurnakan karena di dalamnya arus listrik dihasilkan melalui reaksi korosi. Sel Daniell merupakan jenis baterai paling tua yang terdiri atas tembaga dan seng yang direndam dalam larutan-larutan garam masing-masing.Kita menyatakan sebuah sel dengan cara sebagai berikut:

Zn │Zn2+ ║ ║ Cu2+ │ Cu

II - 9



Simbol-simbol ini menggambarkan dua elektroda di ujung-ujung kiri dan kanan sedangkan di tengah menyatakan ion-ion tempat elektroda–elektroda direndam. Garis ganda menyatakan pemisah antara kedua unsur ionik yang berbeda. Misal seng di ujung kiri seng berfungsi sebagai anoda, dan reaksi kedua elektroda itu adalah:

Zn → Zn2+ + 2e-

Cu2+ + 2e- → CuSehingga reaksi keseluruhan

Zn + Cu2+ → Zn2+ + CuKita dapat menggunakan reaksi-reaksi ini untuk menduga potensial teoritis yang dapat diperoleh dari sel.Dengan persamaan Nernst:

E = Eo – .............................................(1)

Maka untuk untuk tiap sel separuh reaksi kita dapat menuliskan:

...........................(2)

……………………(3)

Jika misalnya

,

maka dengan menjumlahkan persamaan (1) dan (2) kita mendapatkan:

II - 10



KIMIAFTI-ITS

Apabila dihitung dengan cara ini, potensial sel adalah jumlah potensial oksidasi anoda dan potensial reduksi katoda. Kalau masalah ini kita sederhanakan melalui penggunaan konsentrasi ion 1 M, suku log akan hilang sehingga E (sel) = Eo

(sel). Ingat, bahwa dengan menggunakan bentuk persamaan Nernst (1), berarti kita memutuskan untuk mengkaji sistem hanya dalam kondisi baku. Jadi, untuk elektrolit 1M,EO

(sel) = Eo(oksidasi Zn) + Eo

(reduksi Cu)

= (+0,76 V) + (+0,34 V)= +1,10 V

Dalam penulisan orang telah membuat kesepakatan untuk mengurangkan potensial elektroda di sebelah kiri dari potensial di sebelah kanan. Semisal, digambarkan seng di sebelah kiri dan tembaga di sebelah kanan, jadi kita dapat menuliskan:Eo

(sel) = Eo(tembaga)+ E ..............................................................(4)

Kesepakatan ini mempersyaratkan substitusi potensial reduksi kedalam Persamaan (4). Dengan menuliskan kedua separuh reaksi itu sebagai reaksi-reaksi reduksi:Zn2+ + 2e- → Zn Eo = - 0,76 VCu2+ + 2e- → Cu Eo = + 0,34 VJadi, sesuai dengan kesepakatan,Eo

(sel) = (+0,34V)- (-0,76V)= +1,10V

(Trethewey K.R, 1991)

II - 11



II.1.4 Aplikasi Sel Volta dalam Kehidupan Sehari-HariA. Sel Baterai

1. Baterai Biasa Baterai yang sering kita gunakan disebut juga sel

kering atau sel Lecanche. Dikatakan sel kering karena jumlah air yang dipakai sedikit (dibatasi). Sel ini terdiri atas :Anoda : Logam seng (Zn) yang dipakai sebagai wadahKatoda : Batang karbon (tidak aktif)Elektrolit : Campuran berupa pasta yang terdiri dari MnO2, NH4Cl, dan sedikit airReaksi :Anoda : Zn(s) Zn2+

(aq) + 2e-

Katoda : 2MnO2(s) + 2NH4+

(aq) + 2e Mn2O3(s) + 2NH3(g)

+ H2O Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4

+(aq) Zn2+

(aq) + Mn2O3(s) + 2NH3(g)

+ H2O

Gambar II.1.3 Baterai Biasa2. Baterai Alkalin

Pada baterai alkalin dapat dihasilkan energi dua kali lebih besar dibanding baterai biasa. Sel ini terdiri atas :

II - 12



KIMIAFTI-ITS

Anoda : Logam seng (Zn) yang dipakai sebagai wadahKatoda : Oksida mangan (MnO2)Elektrolit : Kalium hidroksida (KOH)

Reaksi :Anoda : Zn(s) Zn2+

(aq) + 2e-

Katoda : 2MnO2(s) + H2O + 2e Mn2O3(s) + 2OH- Zn(s) + 2MnO2(s) + H2O Zn2+

(aq) + Mn2O3(s) + 2OH-

Gambar II.1.4 Baterai Alkalin

B. Sel AkiSel aki atau accu merupakan contoh sel volta yang

bersifat reversibel, di mana hasil reaksi dapat diubah kembali menjadi zat semula. Pada sel aki jika sudah lemah dapat diisi ulang, sedangkan pada sel baterai tidak bisa. Sel ini terdiri atas: Anode : Lempeng logam timbal (Pb)Katode : Lempeng logam oksida timbal (PbO2)Elektrolit : Larutan asam sulfat (H2SO4)

II - 13



Reaksi Pengosongan Aki :Anoda : Pb(s) + H2SO4(aq) PbSO4(s) + H+

(aq) + 2e-

Katoda : PbO2(s) + SO4-2 (aq)+ 3H+

(aq) + 2e- PbSO4(aq) + 2H2OPb(s) + PbO2(s) + 2SO4

-2 (aq) + 2H+(aq) 2PbSO4(aq) + 2H2O(l)

Ketika sel ini menghasilkan arus listrik, anoda Pb dan katoda PbO2 berubah membentuk PbSO4. Ion H+ dari H2SO4

berubah membentuk H2O sehingga konsentrasi H2SO4 akan berkurang. Kemudian sel aki dapat diisi/disetrum kembali, sehingga konsentrasi asam sulfat kembali seperti semula. Proses ini nanti merupakan contoh dalam sel elektrolisis.

Gambar II.1.5 Sel Aki(Wijayanti, 2011)

II - 14



KIMIAFTI-ITS

II.2 Aplikasi Industri

Studi Perbandingan Kinerja Anoda Korban Paduan Aluminium dengan Paduan Seng dalam Lingkungan Air Laut

Berbagai metode pencegahan korosi di lingkungan air laut terus dikembangkan. Salah satunya adalah pemakaian anoda korban yang bekerja berdasarkan prinsip proteksi katodik. Permukaan struktur logam di air laut diubah menjadi bersifat katodik melalui pemberian arus yang berasal dari anoda korban tersebut. Jenis anoda korban yang sesuai dipakai di lingkungan air laut adalah anoda korban paduan seng dan paduan aluminium. Pada penelitian ini akan dilakukan penilaian kinerja kedua paduan tersebut yang meliputi potensial proteksi dan arus galvanik yang dihasilkan, kapasitas, efisiensi, laju konsumsi, waktu induksi, serta pola korosinya.

langkah-langkah kerja dari penelitian ini yaitu antara lain, langkah pertama mempersiapkan spesimen anoda korban dan baja karbon. Anoda korban : berbentuk plate jenis paduan seng tipe ZAP S-3 Zn dan paduan aluminium tipe ZAP S-3 Al dengan ukuran 22´15´10 mm. Tabel 1 menunjukkan komposisi kimia kedua jenis anoda korban tersebut. Mempersiapkan lingkungan pengganti air laut Lingkungan air laut divariasi konsentrasi garamnya dengan salinitas 33%o, 35%o, dan 37%o, sesuai ASTM D1141 – 90, ”Standard Specification for Substitute Ocean Water”. Langkah kedua yaitu pengujian korosi dilakukan dengan metode uji celup pasangan anoda dan katoda yang dihubungkan dengan kabel tembaga, mengacu pada standar ASTM G71 – 81, “Standard

II - 15



Guide for Conducting and Evaluating Galvanic Corrosion Tests in Electrolytes". Volume elektrolit yang digunakan sesuai standar tersebut adalah 40 cm3 elektrolit untuk tiap cm2 luas tercelup. Kehilangan berat spesimen dipakai menjadi perhitungan laju korosinya. Langkah ketiga yaitu data-data yang diukur dan dicatat selama penelitian adalah sebagai berikut: potensial setengah sel anoda dan katoda, potensial proteksi katoda dan arus, Galvanik pengurangan berat anoda dan katoda, waktu induksi anoda, dan terakhir adalah pengamatan makro pola korosi anoda.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa anoda korban paduan aluminium menghasilkan arus galvanik dan kapasitas anoda yang lebih besar daripada paduan seng. Demikian pula efisiensi paduan aluminium lebih baik dan laju konsumsinya lebih rendah daripada paduan seng. Dengan foto makro tampak bahwa pola korosi yang terjadi pada kedua jenis paduan menunjukkan anoda korban tidak terkorosi secara merata, melainkan terjadinya korosi pitting pada permukaannya.

II - 16

energi relatif

Documents

Transcript of energi relatif