4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)

LIBS adalah singkatan dari Laser Induced Breakdown Spectroscopy yang

merupakan peralatan spektroskopi emisi atomik yang menggunakan laser sebagai energi

ablasi dan dapat digunakan untuk menganalisis secara kualitatif dan kuantitatif

(Cremers et all, 2006). Laser difokuskan ke permukaan sampel melalui lensa yang

mana sebagian sampel akan terablasikan dan terbentuk plasma seperti pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Skema sederhana komponen utama LIBS. (Utomo, Aji Priyo, 2014)

Plasma berisikan elektron-elektron, ion-ion, atom-atom netral dan atom-atom

tereksitasi akibat adanya gelombang kejut (shock wave) yang terjadi sesaat setelah

kompresi adiabatis. Dalam waktu yang sangat singkat atom-atom yang tereksitasi

kembali ke keadaan awal (ground state) sambil memancarkan emisi foton dengan

panjang gelombang yang sesuai dengan jenis atomnya. Selanjutnya emisi foton

ditangkap detektor yang kemudian oleh spektrometer dihasilkan spektrum intensitas

emisi fungsi panjang gelombang seperti pada Gambar 2.2. Intensitas menyatakan

konsentrasi unsur dalam bahan dan panjang gelombang menyatakan jenis unsurnya.

5

Gambar 2.2 Grafik intensitas fungsi panjang gelombang.

Gambar 2.2 merupakan spektrum dari sampel yang mengandung unsur Cr. Kualitas

hasil spektrum tergantung pada keadaan proses pembentukan plasma dan proses

pendeteksiannya yang mana dipengaruhi oleh faktor jenis laser, tekanan dan jenis gas

penyangga, dan keadaan fisik dari sampel, yang mana akan diuraikan pada sub bab

berikut ini (Suyanto, Hery, 2013).

2.1.1 LASER

Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation (laser) yang artinya

penguatan intensitas cahaya oleh emisi terangsang. Laser memiliki karakteristik, yaitu :

sumber cahaya yang koherensinya sangat tinggi, monokromatik, kecerahan tinggi,

durasi yang singkat (short time duration) dan menuju satu arah yang sama sehingga

cahayanya menjadi sangat kuat dan terkonsentrasi (Svelto, Orazio, 1989).

Laser terdiri atas tiga komponen dasar yaitu medium lasing (seperti kristal, gas,

semikonduktor), sumber pemompa (seperti flash lamp, electrical current) yang

memberikan energi tambahan pada material lasing, dan optical cavity terdiri dari dua

cermin (cermin pemantul sempurna dan cermin pemantul sebagian) yang bertindak

sebagai ruang untuk penguat sinar. Setelah sumber pemompa memberikan energi pada

medium lasing, kemudian elektron-elektron tereksitasi pada tingkat energi tertentu

seperti terlihat pada Gambar 2.3.

150

200

250

300

425.5 425.9 426.3 426.7 427.1 427.5 427.9 428.3

Inte

nsit

as (

a.u)

Panjang gelombang (nm)

Cr II 427,4387 nm

Cr II 428,1049 nm

6

Gambar 2.3 Diagram (a) kerja laser zat padat (Nd:YAG) (b) tiga tingkat energi laser.

(Sinaga, D.N, 2013)

Gambar 2.3 (a) dan (b) adalah diagram kerja laser dengan menggunakan medium

lasing zat padat Nd-YAG dengan proses sebagai berikut: elektron-elektron dalam atom

di material lasing secara normal berada dalam keadaan dasar di tingkat energi ground

state Q0 . Ketika energi cahaya dari flash lamp ditambahkan (dipompakan) ke atom-

atom tersebut maka elektron-elektronnya tereksitasi ke level energi yang lebih tinggi Qe

(excited energi level). Elektron-elektron ini akan meluruh melalui dua cara, pertama

peluruhan elektron secara spontan dimana elektron secara langsung meluruh ke level

energi lebih rendah (di tingkat energi metastabil Qm) sambil melepaskan atau

mengemisikan energi dalam bentuk foton yang memancar ke segala arah. Kedua

peluruhan secara terangsang (stimulated), dimana sebagian foton dari hasil peluruhan

spontan ini dipantulkan bolak balik diantara dua cermin dan melalui material lasing

serta menumbuk elektron-elektron di tingkat energi metastabil dan menyebabkan

elektron-elektron tersebut kembali ke ground state. Transisi elektron-elektron ke

ground state ini akan melepaskan energi dalam bentuk foton yang mempunyai fase,

panjang gelombang, dan arah yang sama dengan foton penumbuk. Jika arah foton ini

sejajar dengan sumbu optical cavity, maka foton akan dipantulkan bolak balik oleh

cermin pemantul sempurna dan cermin pemantul sebagian yang berada di dalam optical

cavity dan melalui material lasing. Dengan cara demikian energi foton diperkuat terus

menerus sampai cukup untuk melewati cermin pemantul sebagian dan terbentuklah

sinar laser.

Cermin Cermin

7

2.1.2 Interaksi laser dengan bahan

Bila laser difokuskan ke permukaan sampel padat, maka sebagian energi laser

diserap oleh bahan untuk menaikkan suhunya sehingga ikatan-ikatan atomnya lepas.

Sebagian energi lainnya digunakan untuk memantulkan atau menggerakan atom-atom

tersebut dengan kecepatan yang sangat tinggi. Gerakan atom-atom ini akan melakukan

kompresi adiabatis dengan gas disekeliling sampel hingga sampai pada tekanan tertentu

dan terjadi gelombang kejut (shock wave) yang energinya digunakan untuk

mengeksitasikan elektron-elektron dalam atom ke tingkat energi yang lebih tinggi.

Dalam waktu yang sangat singkat, elektron-elektron ini akan kembali ke ground state

sambil memancarkan emisi dan terbentuklah plasma seperti Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Proses pembentukan plasma.

Pada Gambar 2.4 menunjukkan proses pembentukan plasma. Terlihat pada

gambar bahwa terdapat dua daerah yaitu: daerah b tepat di permukaan sampel yang

disebut plasma primer. Plasma ini mempunyai kerapatan partikel dan suhu yang sangat

tinggi dan menghasilkan spektrum emisi kontinu. Daerah c merupakan pengembangan

daerah pertama yang disebut plasma sekunder. Pada daerah ini menghasilkan spektrum

emisi yang tajam. Spektrum ini sesuai dengan emisi foton yang dipancarkan oleh

elektron-elektron yang bertransisi ke ground state dalam atom tertentu. Emisi ini akan

menghasilkan panjang gelombang tertentu sesuai dengan jenis unsurnya, sehingga dapat

digunakan untuk identifikasi unsur.

Gelombang kejut (shock wave)

Kompresi adiabatis

Plasma sekunder

Plasma primer

S

A

M

P

E

L

8

Jumlah massa partikel-partikel yang terablasi dari sampel dan membentuk plasma

tergantung panjang gelombang laser dan koefisien absorpsi bahan (Fabbro et all, 1982)

dengan hubungan :

= 110 (2.1)

Dimana : m = massa partikel (kg)

= fluks yang diabsorpsi (W m-2) = panjang gelombang laser (m) 1014 = konstanta (kg-2m-4s-1)

2.1.3 Spektrometer

Spektrometer merupakan peralatan yang terdiri dari monokromator dan software.

Monokromator sangat penting dalam spektroskopi karena karakteristik optik unsur

ditentukan oleh panjang gelombang dan kadar unsur ditentukan dari intensitasnya.

Monokromator yang dipakai pada penelitian ini tipe HR 2500+ dengan spesifikasi :

wavelength range 200-980 nm, resolusi 0,1 nm (FWHM), 7 detector CCDs with a

combined 14336 Mega pixels. Monokromator merupakan suatu instrumen optik yang

berfungsi sebagai penyeleksi panjang gelombang tertentu (monokromatik) dari cahaya

polikromatik seperti pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Diagram monokromator. (Agustiningrum, Ulfa, 2012)

Gambar 2.5 bagian-bagian utama monokromator antara lain slit atau celah sempit

(B, F), cermin (C, E), grating atau pemisah cahaya (D) dan detektor (G). Sumber

9

cahaya polikromatik (A) masuk ke slit (B) dan besarnya energi cahaya yang dideteksi

oleh monokromator tergantung besarnya intensitas cahaya yang masuk pada luasan slit

dan juga sudut datangnya. Slit berada pada titik fokus cermin (C) agar menghasilkan

pantulan cahaya sejajar ke prisma atau grating (D). Cahaya ini akan didispersikan oleh

prisma atau didifraksikan oleh grating menjadi beberapa warna dan diarahkan ke

cermin (E). Cahaya terdispersi (seperti pelangi) selanjutnya oleh cermin (E) difokuskan

ke slit keluaran (F), sehingga pada permukaan slit terdapat titik-titik bayangan yang

terpisah dari berbagai warna. Dengan memutar grating atau prisma, maka titik-titik

bayangan warna bergerak relatif terhadap slit keluaran. Sehingga dapat memilih panjang

gelombang tertentu yang keluar dari slit keluaran menuju detektor untuk diproses lebih

lanjut. Persamaan resolusi grating yang digunakan pada monokromator untuk

memisahkan antara dua panjang gelombang yang berdekatan (Jenkis, Francis A, et all,

1965) yaitu :

= (2.2)

Dimana : R = daya pisah

= panjang gelombang (nm) = selisih atau jarak terdekat panjang gelombang yang dipisahkan

(nm)

Sedangkan software befungsi untuk menganalisis atau mengidentifikasi unsur.

Software yang dipakai adalah OOILIBS dan add LIBS. Software OOILIBS digunakan

untuk mensinkronisasi antara waktu terbentuknya plasma dengan waktu pendeteksian.

Waktu ini disebut delay time detection (waktu tunggu deteksi). Sedangkan software add

LIBS digunakan untuk menganalisis spektrum dari plasma yang terdeteksi. Dalam

software ini akan menampilkan intensitas sebagai fungsi panjang gelombang. Panjang

gelombang menyatakan jenis unsurnya sedangkan intensitas merupakan jumlah

unsurnya. Dengan spesifikasi monokromator dan software tersebut, spektrometer yang

ada di laboratorium MIPA dapat memisahkan unsur-unsur dengan jelas.

2.1.4 Waktu tunggu deteksi

Sebelum melakukan analisis kualitatif maupun kuantitatif suatu bahan, maka perlu

dicari keadaan optimum suatu eksperimen. Pada teknik LIBS ini yang perlu

10

diperhatikan keadaan optimumnya adalah parameter energi laser dan waktu tunggu

deteksi. Untuk menentukan keadaan optimum dari waktu tunggu deteksi dengan cara

melihat nilai sinyal background, perbandingan sinyal puncak emisi terhadap sinyal

background (S/B) dan FWHM fungsi waktu tunggu deteksi seperti terlihat pada Gambar

2.6.

Gambar 2.6 Waktu deteksi.

Gambar 2.6 menunjukkan skema perjalanan waktu umur plasma yang dihasilkan

oleh laser pulsa tunggal. Di awal pada waktu deteksi 0,5 s laser ditembakkan ke

sampel, plasma yang dihasilkan mempunyai kerapatan yang sangat tinggi baik elektron-

elektron, ion-ion, atom-atom netral maupun atom-atom tereksitasi, sehingga intensitas

background dari spektra yang ditangkap detektor cukup tinggi seperti ditunjukkan

Gambar 2.7.

Gambar 2.7 Intensitas background tinggi.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

465 470 475 480 485 490Int

ensi

tas

Em

isi

Uns

ur Z

n (a

.u)

Panjang Gelombang (nm)

Background tinggi

0 ns 10 ns 90 ns 1 s 10 s 90 s

11

Background ini muncul karena ion-ion menangkap elektron dan elektron

melepaskan kelebihan energi kinetiknya dalam bentuk foton dengan panjang gelombang

lebar (continu). Sedangkan bila dideteksi setelah 1 s dari setelah laser diradiasikan,

maka intensitas background dari spektra akan turun bahkan hilang seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 2.8.

Gambar 2.8 Intensitas background rendah.

Sebaiknya pendeteksian karakteristik emisi atom dilakukan sekitar 1 s atau lebih

dari ablasi laser dan waktu ini disebut waktu tunggu deteksi. Nilai waktu tunggu ini

bervariasi tergantung jenis unsurnya, tetapi hampir semua unsur memiliki waktu emisi

sekitar 1s atau lebih untuk LIBS.

2.2 Adsorpsi

Adsorpsi adalah suatu proses yang terjadi ketika suatu fluida (cairan maupun gas)

terikat pada suatu padatan dan akhirnya membentuk suatu film (lapisan tipis) pada

permukaan padatan tersebut. Materi atau partikel-partikel yang diadsorpsi disebut

adsorbat dan bahan yang mengadsorpsi disebut adsorben. Perbedaan mendasar antara

adsorpsi dan absorpsi yaitu tergantung letak adsorbat di adsorben. Apabila adsorbat

mengumpul di permukaan adsorben maka disebut adsorpsi. Sebaliknya bila

adsorbatnya diserap masuk ke dalam adsorben disebut absorpsi. Adsorpsi dibedakan

menjadi dua jenis, yaitu adsorpsi fisika dan adsorpsi kimia yang terjadi reaksi antara

0

100

200

300

400

500

465 470 475 480 485 490

Inte

nsit

as E

mis

i U

nsur

Zn

(a.u

)

Panjang Gelombang (nm)

Background rendah

12

zat yang diserap (adsorbat) dengan adsorben, jumlah zat yang teradsorbsi tergantung

pada sifat khas zat padatnya yang merupakan fungsi tekanan dan suhu.

Apabila daya tarik menarik antara zat terlarut dengan adsorben lebih besar dari

daya tarik menarik antara zat terlarut dengan pelarutnya, maka zat yang terlarut akan

diadsorpsi pada permukaan adsorben. Adsorpsi fisika mirip dengan proses kondensasi

dan biasanya terjadi pada temperatur rendah. Pada proses ini gaya yang menahan

molekul fluida pada permukaan solid relatif lemah, dan besarnya sama dengan gaya

kohesi molekul pada fase cair mempunyai derajat yang sama dengan panas kondensasi

dari gas menjadi cair, yaitu sekitar 2,19 - 21,9 kg/mol. Keseimbangan antara

permukaan zat padat dengan molekul fluida biasanya cepat tercapai dan bersifat

reversibel.

Adsorpsi kimia yaitu reaksi yang terjadi antara zat padat dengan zat terlarut yang

teradsorpsi. Adsorpsi ini bersifat spesifik dan melibatkan gaya yang jauh lebih besar

daripada Adsorpsi fisika. Panas yang dilibatkan adalah sama dengan panas reaksi

kimia. Menurut Langmuir, molekul teradsorpsi ditahan pada permukaan oleh gaya

valensi yang tipenya sama dengan yang terjadi antara atom-atom dalam molekul.

Karena adanya ikatan kimia maka pada permukaan adsorben akan terbentuk suatu

lapisan dan akan menghambat proses penyerapan selanjutnya oleh karbon grafit

adsorben yang menyebabkan efektifitasnya menurun (Agustiningrum, Ulfa, 2012).

Pada proses adsorpsi akan tejadi kinetika adsorpsi yaitu laju penyerapan suatu

fluida oleh adsorben dalam jangka waktu tertentu. Kinetika adsorpsi suatu zat dapat

diketahui dengan mengukur perubahan konsentrasi zat yang teradsorpsi tersebut, dan

menganalisis nilai k (berupa slope/kemiringan) serta memplot pada grafik. Kinetika

adsorpsi dipengaruhi oleh kecepatan adsorpsi. Kecepatan adsorpsi dapat didefinisikan

sebagai banyaknya zat yang teradsorpsi per satuan waktu (Utomo, Aji Priyo, 2014).

Kecepatan atau besar kecilnya adsorpsi dipengaruhi oleh beberapa hal, diantaranya:

a. Macam adsorben

b. Macam zat yang diadsorpsi (adsorbate)

c. Luas permukaan adsorben

d. Konsentrasi zat yang diadsorpsi (adsorbate)

e. Temperatur

13

2.3 Elektrolisis

Elektrolisis berasal dari kata elektro (listrik) dan lisis (penguraian), yang berarti

terjadinya penguraian zat/senyawa atau reaksi kimia (dalam hal ini adalah reaksi reduksi

dan oksidasi atau redoks) oleh arus listrik (Laird, B. Brian, 2009). Proses penggunaan

arus listrik untuk menghasilkan reaksi kimia disebut sel elektrolisis. Arus listrik yang

digunakan adalah arus searah (DC). Larutan atau yang ingin dielektrolisis, ditempatkan

dalam suatu wadah, selanjutnya elektroda dicelupkan ke dalam larutan elektrolit yang

ingin dielektrolisis. Elektroda berfungsi sebagai tempat berlangsungnya reaksi redoks,

dimana reaksi reduksi berlangsung di katoda, sedangkan reaksi oksidasi berlangsung

pada anoda. Proses elektrolisis dapat ditunjukkan pada Gambar 2.9.

Gambar 2.9 Sel elektrolisis. (Yudiandika, Putu, 2010)

Reaksi reduksi terjadi apabila suatu zat memiliki potensial standar reduksi

( ) yang besar sedangkan reaksi oksidasi terjadi apabila zat mempunyai kemampuan oksidasi besar. Reaksi reduksi dan oksidasi pada sel elektrolisis berlangsung pada anoda

sebagai elektroda positif dan katoda sebagai elektroda negatif. Pada sel elektrolisis

tersebut anoda dihubungkan dengan kutub positif sumber listrik dan katoda

dihubungkan dengan kutub negatif. Akibatnya, katoda bermuatan negatif dan menarik

kation-kation yang akan tereduksi menjadi endapan logam. Sebaliknya, anoda

bermuatan positif dan menarik anion-anion yang akan teroksidasi menjadi gas.

Maka dari itu di anoda akan terjadi reaksi oksidasi dan di katoda akan terjadi

reaksi reduksi. Sehingga tujuan elektrolisis adalah untuk mendapatkan endapan logam

di katoda dan gas di anoda.

14

Reaksi oksidasi adalah reaksi dimana suatu senyawa kimia melepaskan atau

kehilangan elektron selama perubahan dari reaktan menjadi produk. Atau juga

dapat didefinisikan sebagai suatu reaksi dimana suatu senyawa kimia mengikat oksigen

atau kehilangan hidrogen selama perubahan dari reaktan menjadi produk. Sedangkan

reaksi reduksi adalah reaksi dimana suatu senyawa menerima elektron atau

melepaskan oksigen, atau memperoleh hidrogen selama perubahan dari reaktan

menjadi produk. Kedua reaksi tersebut adalah merupakan pasangan, sebab elektron

yang dilepaskan pada reaksi oksidasi sama dengan elektron yang diterima pada reaksi

reduksi. Masing-masing reaksi (reduksi dan oksidasi) disebut setengah reaksi sebab

diperlukan dua setengah reaksi untuk membentuk suatu reaksi redoks (Laird, B. Brian,

2009). Elektroda yang digunakan dalam proses elektolisis dapat digolongkan menjadi

dua, yaitu: elektroda inert, seperti karbon grafit (C), Platina (Pt), dan emas (Au)

dan elektroda aktif, seperti seng (Zn), tembaga (Cu), dan perak (Ag). Elektrolitnya

dapat berupa larutan asam, basa, atau garam, dan dapat pula leburan garam halida atau

leburan oksida.

2.4 Potensial Standar Reduksi (Setengah Sel)

Potensial sel merupakan perbedaan antara dua potensial elektroda (katoda dan

anoda) dimana masing-masing elektroda dipilih sesuai dengan nilai reduksi yang akan

terjadi. Beda potensial yang terjadi diantara elektroda disebut dengan potensial standar

reduksi yang dinotasikan dengan . Potensial sel ( ) merupakan selisih potensial standar reduksi dari reaksi katoda ( ) dengan potensial standar reduksi pada reaksi anoda ( ), seperti diungkapkan dalam persamaan berikut :

= (2.3) Untuk seluruh reaksi spontan dalam keadaan standar nilai > 0. Seperti terlihat pada Gambar 2.10 berikut:

15

Gambar 2.10 Potensial sel standar pada sel volta. (Brown, Theodore L, et all, 2009)

Persamaan 2.3 mengindikasikan bahwa potensial sel standar merupakan selisih antara

potensial standar reduksi pada katoda dan potensial standar reduksi anoda. Untuk

masing-masing setengah sel pada sel volta, potensial standar reduksi dapat membantu

terjadinya proses reduksi. yang lebih positif mampu memberikan lebih banyak gaya untuk mereduksi dalam keadaan standar. Potensial reduksi untuk unsur Cr dan Pb

dengan perubahan jumlah ion yang berbeda-beda seperti terlihat pada Tabel 2.1

Tabel 2.1 Tabel potensial standar reduksi (Brown, Thcodorc L, et all, 2009)

No Half-Reaction E#(V) 1 PbO*(S) + HSO(aq) + 3H2(aq) + 2e PbSO(s) + 2H*O(l) +1,685 2 282(9:) + 2; 8*(*2(9:) + 2; =>(?) -0,126 4 PbSO(S) + H2(aq) + 2; =>(?) +HSO(aq) -0,356 5 @A2(9:) + ; @A*2(9:) -0,41 6 @A2(9:) + 3; @A(?) -0,74 7 2H*O(l) + 2e H*(g) + 2OH(aq) -0,83

Karena setiap sel volta melibatkan dua setengah sel, maka tidaklah mungkin

menghitung potensial standar reduksi setengah sel secara langsung. Apabila

menentukan potensial standar reduksi dengan acuan setengah reaksi tertentu pun kita

16

dapat menentukan pula potensial standar reduksi setengah reaksi lainnya yang

berhubungan dengan acuan. Acuan setengah rekasi tersebut adalah reduksi 82(9:) menjadi 8*(

17

Gambar 2.11 Ikatan ion NaCl.

Ikatan kovalen terbentuk oleh penggunaan bersama sepasang elektron antara dua

atom. Banyaknya ikatan kovalen yang dibentuk oleh sebuah atom tergantung pada

banyaknya elektron tambahan yang diperlukan agar atom itu mencapai suatu

konfigurasi gas mulia. Atom karbon yang netral mempunyai empat elektron di kulit

terluarnya. Karbon memerlukan empat elektron untuk digunakan bersama agar dicapai

konfigurasi elektron dari neon, oleh karena itu karbon membentuk empat ikatan kovalen

(tetravalen) seperti terlihat Gambar 2.12.

Gambar 2.12 Ikatan kovalen CH.

Karbon memiliki nilai keelektronegatipan menengah antara keelektronegatifan

yang sangat tinggi dan yang sangat rendah, maka karbon hampir tidak membentuk

ikatan ion dengan unsur lain. Sebaliknya, karbon membentuk ikatan kovalen dengan

atom karbon lain dan dengan atom dari unsur lain (Fessenden Ralp J. dan Fessenden

Joan S, 1986).

Konfigurasi elektron pada keadaan dasar untuk C netral yang disimbolkan C I

adalah 1?*2?*2H* P . Bila atom C tersebut mendapatkan tambahan energi dari luar,

Satu elektron dipindahkan dari Na ke Cl

Sekarang tiap atom mempunyai oktet lengkap dalam kulit terluarnya.

Membentuk 4 ikatan kovalen

Membentuk 1 ikatan kovalen

18

maka elektron-elektron pada level energi 21648,02 cm akan pindah ke level energi yang lebih tinggi yaitu 61981,82 cm. Keadaan seperti ini disebut atom dalam tereksitasi. Elektron-elektron yang pindah ini hanya beberapa saat saja (nano second)

kemudian kembali lagi ke keadaan semula sambil memancarkan emisi atau foton

dengan panjang gelombang 2478,561 atau 247,8561 nm (NIST, 2005). Panjang gelombang tersebut diperoleh berdasarkan perumusan dari :

* N(2.5)

Dengan: E1 = Energi level awal (cm-1)

E2 = Energi level akhir (cm-1)

c = Kecepatan cahaya (2,998 x 108 m/s)

h = Konstanta Planck (6,626 x 10-34 J.s)

= Panjang gelombang (nm)

Karbon memiliki beberapa jenis alotrop, yang paling terkenal adalah grafit, intan, dan

karbon amorf. Sifat-sifat fisika karbon bervariasi bergantung pada jenis alotropnya yang

akan diuraikan dalam subbab berikut.

2.5.1 Karbon grafit

Grafit memiliki sifat lunak, tidak larut dalam air dan pelarut organik, memiliki

massa jenis yang lebih kecil dari intan karena pada strukturnya terdapat ruang-ruang

kosong antar lipatannya. Grafit merupakan alotrop karbon yang dapat menghantar arus

listrik dan panas dengan baik, karena sifat ini grafit digunakan sebagai anoda pada

baterai dan sebagai elektroda pada elektrolisis.

Sifat daya hantar listrik yang dimiliki oleh grafit dipengaruhi oleh elektron-

elektron yang tidak digunakan untuk membentuk ikatan kovalen. Dalam struktur grafit

setiap atom karbon membentuk ikatan kovalen dengan tiga atom karbon lainnya

membentuk susunan heksagonal dengan struktur berlapis. Atom karbon memiliki 4

elektron valensi maka pada setiap atom karbon masih terdapat satu elektron yang belum

berikatan. Elektron-elektron ini tersebar secara merata pada setiap atom karbon karena

terjadi tumpang tindih orbital. Oleh sebab itu ketika diberi beda potensial, elektron-

elektron yang tersebar tersebut sebagian besar akan mengalir menuju anoda, aliran

elektron inilah yang menyebabkan arus listrik dapat mengalir. Sedangkan ketika salah

19

satu ujung dipanaskan maka elektron-elektron ini akan segera berpindah menuju bagian

yang memiliki suhu lebih rendah. Akibatnya panas tersebut akan menyebar ke bagian

grafit yang memiliki suhu lebih rendah. Struktur grafit seperti terlihat pada Gambar

2.13.

Gambar 2.13 Struktur grafit. (Schwartz, S.A, 1982)

2.5.2 Karbon intan

Intan dikenal sebagai mineral alam yang paling keras dimana belum ada mineral

lain yang berhasil menggores atau memotong intan, tidak larut dalam air dan pelarut

organik. Intan memiliki ikatan kovalen dengan 4 atom karbon lain dalam bentuk

tetrahendral yang terbentuk pada struktur intan sangat kuat bahkan lebih kuat dari ikatan

ionik. Berupa isolator namun dapat menyerap panas dengan sangat baik. Daya hantar

listrik intan berkaitan dengan elektron yang digunakan untuk membentuk ikatan,

dimana pada intan elektron-elektron berikatan sangat kuat sehingga tidak ada elektron

yang bebas bergerak ketika diberi beda potensial. Struktur intan ditampilkan pada

Gambar 2.14.

Gambar 2.14 Struktur intan. (Schwartz, S.A, 1982)

2.5.3 Karbon amorf

Seperti namanya karbon amorf merupakan alotrop berwujud non-kristal dan

ditemukan dalam bentuk bubuk serta menjadi komponen utama dari arang dan jelaga.

20

Struktur molekul karbon amorf ditemukan kristal kecil yang mirip dengan grafit dan

berlian. Oleh karena itu, karbon amorf sering dianggap sebagai bentuk varian dari grafit.

Karbon amorf dapat disintesis. Struktur karbon amorf ditampilkan pada Gambar 2.15.

Gambar 2.15 Struktur karbon amorf. (Schwartz, S.A, 1982)

Semua alotrop karbon berbentuk padat dalam keadaan normal, tetapi grafit

merupakan alotrop yang paling stabil secara termodinamik di antara alotrop-alotrop

lainnya. Alotrop karbon sangat stabil dan memerlukan suhu yang sangat tinggi untuk

bereaksi, bahkan dengan oksigen. Keadaan oksidasi karbon yang paling umum

ditemukan adalah +4, dimana +2 dijumpai pada karbon monoksida dan senyawa

kompleks logam transisi lainnya. Sumber karbon anorganik terbesar terdapat pada batu

kapur, dolomit, dan karbon dioksida, sedangkan sumber organik terdapat pada batu

bara, tanah gambut, minyak bumi, dan klatrat metana. Karbon dapat membentuk lebih

banyak senyawa daripada unsur-unsur lainnya, hampir 10 juta senyawa organik murni

yang telah dideskripsikan sampai sekarang.

Karbon adalah unsur paling berlimpah ke-15 di kerak Bumi dan ke-4 di alam

semesta.Terdapat tiga macam isotop karbon yang ditemukan secara alami, yaitu @* dan @ yang stabil, dan @ yang bersifat radioaktifitas dengan waktu paruh peluruhannya

sekitar 5730 tahun. Karbon terdapat pada semua jenis makhluk hidup, dan pada

manusia, karbon merupakan unsur paling berlimpah kedua (sekitar 18,5%) setelah

oksigen. Keberlimpahan karbon ini, bersamaan dengan keanekaragaman senyawa

organik dan kemampuannya membentuk polimer membuat karbon sebagai unsur dasar

kimiawi kehidupan. Unsur ini adalah unsur yang paling stabil di antara unsur-unsur

yang lain, sehingga dijadikan patokan dalam mengukur satuan massa atom.

21

2.6 Reaksi Elektrolisis Larutan

2.6.1 Elektrolisis larutan Cr

Pada elektrolisis larutan Cr terjadi reaksi redoks:

QRST9 (@) SV?WT9?W: 68*Z() 3Z*([) + 128(\)2 + 12; ]9FST9 (@) A;T^V?W: 4@A(\)2 + 12; 4@A()

Dalam hal ini yang dioksidasi di anoda adalah 68*Z() 3Z*([) + 1282(\) +12;, sedangkan di katoda terjadi reduksi ion Cr3+ dari larutan yang bergerak menuju katoda sambil menerima tiga elektron, dan mengendap menjadi atom Cr di

permukaan/melapisi katoda. Dalam hal ini ion Cr3+ mengendap dan 4 ion H+ masuk ke

dalam larutan, sehingga tetap terjaga muatan dalam larutan. Proses ini berlangsung

terus menerus, yang dapat diamati berupa terjadinya gelembung gas dan perubahan

warna larutan.

2.6.2 Elektrolisis larutan Pb

Pada elektrolisis larutan Pb terjadi reaksi redoks:

QRST9 (@) SV?WT9?W: 8*Z() 12Z*([) + 28(\)

2 + 2;

]9FST9 (@) A;T^V?W: =>(\)*2 + 2; =>() Reaksi oksidasi terjadi pada elektron karbon (C), dimana hal ini yang dioksidasi di

anoda adalah 8*Z *Z* + 282 + 2;, sedangkan di katoda terjadi reduksi ion Pb*2

dari larutan yang bergerak menuju katoda sambil menerima dua elektron, dan

mengendap menjadi atom Pb di permukaan/melapisi katoda. Kemudian ion

Pb*2mengendap dan 2 ion H+ masuk ke dalam larutan, sehingga muatan tetap terjaga dalam larutan. Proses ini berlangsung terus menerus, yang dapat diamati berupa

terjadinya gelembung gas dan perubahan warna larutan.

2.7 Karakteristik Unsur

2.7.1 Karakteristik unsur chromium (Cr)

Crhomium atau khrom merupakan unsur kimia dengan lambang Cr. Logam

transisi ini termasuk ke dalam golongan VI B dimana khrom mempunyai nomor atom

(Z) 24 dengan massa atom (A) 51,9961. Logam ini merupakan baja mengkilat berwarna

kelabu. Logam ini keras dan bersifat cenderung anti korosi. Khrom banyak digunakan

sebagai katalis dengan menambahkan logam ini ke batu agar menghasilkan batu

22

berwarna hijau. Khrom penting sebagai zat warna dan sebagai zat pengantar oksidasi.

Apabila dilarutkan, logam jenis ini bersifat reaktif dengan kulit sehingga apabila kulit

manusia berinteraksi dengan larutan Cr, dapat menimbulkan iritasi. Sehingga, ketika

kulit manusia terkena larutan Cr, sebaiknya langsung dibilas dengan menggunakan

akuades atau air mineral agar iritasi tidak terlalu parah.

Konfigurasi elektron pada keadaan dasar untuk Cr netral yang disimbolkan Cr I

adalah 1?*2?*2H`3?*3H`3Ta4? 7S3, dengan panjang gelombang 4274,806 atau 427,4806 nm (NIST, 2005). Uraian mengenai unsur Cr ditunjukkan pada Tabel 2.2.

Tabel 2.2 Karakteristik unsur Cr. http://chemistry.about.com/od/elementfacts/a/ chromium.htm. [Diakses pada tanggal 8 mei 2015]

Klasifikasi uraian Chromium (Cr)

Klasifikasi unsur Logam transisi

Nomor atom 24

Massa atom 51,996

Kerapatan 7,18 g/cc

Titik lebur 2130 K

Titik didih 2945 K

Penampilan Sangat keras, kristal, logam keabu-abuan

Jari-jari atom 130 pm

Volume atom 7,23 NN Sb Jari-jari kovalen 118 pm

Jari-jari ion @A(Cd) : 52 ; @A(ddd) : 63 Panas spesifik 0,488 J/g mol @20oC

Panas fusi 21 Ve Sb Panas penguapan 342 Ve Sb Temperatur Debye 460 K

Energi ionisasi pertama 652,4 Ve Sb Struktur kisi Body Centred Cubic

Konstanta kisi 2,88

23

2.7.2 Karakteristik unsur timbal /plumbum (Pb)

Timbal atau plumbum merupakan unsur kimia dengan lambang Pb. Logam ini

termasuk ke dalam kelompok logam golongan IVA. Pb mempunyai nomor atom (Z) 82

dengan massa atom (A) 207,2. Timbal memiliki bentuk menyerupai kristal kubik, yang

banyak ditemui dengan warna putih kebiruan. Timbal juga merupakan logam lunak,

tetapi unsur timbal ini beracun dan salah satu efek dari racun tersebut dapat menurunkan

daya ingat otak. Timbal dapat berada di perairan secara alamiah dan sebagai dampak

dari aktivitas manusia. Timbal dapat masuk ke perairan melalui pengkristalan di udara

dengan bantuan air hujan. Aktivitas manusia yang menyebabkan pencemaran timbal

diantaranya air limbah industri, penambangan bijih timah hitam, dan lain-lain.

Konfigurasi elektron pada keadaan dasar untuk atom Pb I adalah

1?*2?*2H`3?*3H`4?*3T4H`5?*4T5H`6?*4f5T6H*1/2. Dengan panjang gelombang 4057,81 atau 405,781 nm (NIST, 2005). Uraian mengenai unsur timbal seperti ditunjukan pada Tabel 2.3.

Tabel 2.3 Karakteristik unsur Pb. http://chemistry.about.com/od/elementfacts/a/ lead.htm. [Diakses pada tanggal 8 mei 2015]

Klasifikasi uraian Lead/Plumbum (Pb)

Klasifikasi unsur Logam transisi

Nomor atom 82

Massa atom 207,2

Kerapatan 11,35 g/cc

Titik lebur 600,65 K

Titik didih 2013 K

Penampilan Lunak, mudah dibentuk, logam putih kebiruan

Volume atom 18,3 cc/mol

Jari-jari atom 175 pm

Jari-jari kovalen 147 pm

Jari-jari ion =>(dC) : 84 ; Pb(dd) : 120 Panas spesifik 0,159 J/g mol @20oC

Panas fusi 4,77 kJ/mol

Panas penguapan 177,8 kJ/mol

Energi ionisasi pertama 715,2 kJ/mol

24

Temperatur Debye 88 K

Struktur kisi Face-Centred Cubic

Konstanta kisi 4,950