Potensial Listrik (Metode Instrumentasi Potensiometri)

Potensial listrik

Potensial Listrik dapat didefinisikan sebagai usaha yang diperlukan untuk memindahkan muatan positif sebesar 1 satuan dari tempat tak terhingga ke suatu titik tertentu. Potensial listrik dapat pula diartikan sebagai energi potensial listrik per satuan muatan penguji.

Secara matematis, definisi diatas dapat ditulis,:                                                        

dengan V,U,dan q o masing-masing menyatakan potensial, energi potensial, dan muatan penguji. Menurut definisi diatas, satuan V adalah joule/coulomb atau sering disebut volt.

Metode instrumentasi dari potensial listrik adalah Potensiometri

Potensiometri adalah suatu cara analisis berdasarkan pengukuran beda potensial sel dari suatu sel elektrokimia. Metode potensiometri digunakan untuk  menentukan konsentrasi suatu ion (ion selective electrode), pH suatu larutan, dan  menentukan titik akhir titrasi.

Dasar – dasar pemeriksaan dengan metode potensiometri

Potensiometri merupakan salah satu cara pemeriksaan fisik kimia yang menggunakan peralatan listrik untuk mengukur potensial elektroda, besarnya potensial elektroda ini tergantung pada kepekatan ion–ion tertentu dalam larutan, karena itu dengan memakai persamaan Nernst :

                       

E  = E^o + k log (c)

Dimana :         E  = sel potensial yang diukur

                        E^o = konstan selama pemberian suhu

                        C  = konsentrasi yang ditentukan

                       

K  = RT log ( 10 ) / n F

           

Dimana :         R  = gas konstan

                        T  = suhu absolut

                        F  = suhu faraday konstan

           N = nomer dari elektron atau diambil dari satu molekul yang ditentukan

Tetapi dalam kenyataan ( n ) tidak diperlukan, itu terjadi jika ( n ) merupakan muatan yang sama dan telah terbentuk menjadi ionic dari yang telah ditentukan. Sehingga kepekatan ion dalam larutan dapat dihitung langsung dari harga potensial yang diukur itu.

            Potensial suatu elektroda tidak dapat diukur tersendiri, tetapi dapat ditentukan dengan menggunakan elektroda indikator dengan elektroda pembanding yang hanya memiliki harga potensial yang tetap selama pengukuran. Elektroda pembanding yang diambil sebagai baku international adalah elektroda hidrogen baku. Harga potensial elektroda ini ditetapkan nol pada kesadahan baku ( H⁺ )= 1 M, tekanan gas H₂ = 1 atm dan suhu 25^o C, sedangkan gaya gerak listrik ( GGL ) pasangan elektroda itu diukur dengan bantuan potensiometer yang sesuai, dan sering digunakan peralatan elektronik.

Titrasi Potensiometri

Bermacam reaksi titrasi dapat dapat diikuti dengan pengukuran potensiometri. Reaksinya harus meliputi penambahan atau pengurangan beberapa ion yang sesuai dengan jenis elektrodanya. Potensial diukur sesudah penambahan sejumlah kecil volume titran secara berturut-turut atau secara kontinyu dengan perangkat automatik. Presisi dapat dipertinggi dengan sel konsentrasi.

a)     Reaksi netralisasi : Titrasi asam basa dapat diikuti dengan elektroda indikatornya elektroda gelas. Tetapan ionisasi harus kurang dari 10^-8.

b)     Reaksi pembentukan kompleks dan pengendapan: pembentukan endapan atau kompleks akan membebaskan ion terhidrasi dari larutan. Biasanya digunakan elektroda Ag dan Hg. Beberpa logam dapat dapat dititrasi dengan EDTA.

c)     Reaksi Redoks : Elektroda Pt atau elektroda inert dapat digunakan pada titrasi redoks. Oksidator kuat (KmnO₄, K₂Cr₂O₇, Co(NO₃)₃) membentuk lapisan logam-oksida yang harus dibebaskan dengan reduksi secara katoda dalam laritan encer.

Alat-Alat :

·       Elektrode pembanding (refference electrode)

Di dalam beberapa penggunaan analisis elektrokimia, diperlukan suatu elektrode dengan harga potensial setengah sel yang diketahui, konstan, dan sama sekali tidak peka terhadap komposisi larutan yang sedang diselidiki. Suatu elektrode yang memenuhi persyaratan diatas disebut elektrode pembanding (refference electrode ). Ada dua jenis elektrode pembanding akan diuraikan berikut ini.

1.      Elektroda pembanding primer

Contoh dari elektroda jenis ini adalah elektroda hidrogen standart.Elektroda ini terbuat dari platina hitam agar penyerapan gas hidrogen pada permukaan elektroda dapat terjadi secara maksimal, sehingga reaksi

H2 2 H+ + 2 e

Dapat berlangsung dengan cepat dan reversible. Potensial setengah sel dari elektroda pembanding primer adalah nol volt. Elektroda standart hidrogen jarang digunakan dalam proses analisis, tetapi hal ini penting karena elektroda standart yang digunakan untuk menentukan standart potensial sel pada standart setengah sel elektrokimia.

2.      Elektroda pembanding sekunder

Elektroda standart sekunder adalal elektroda yang sering digunakan dan banyak terdapat di pasar,karena penggunaannya yang lebih praktis. Ada dua macam elektroda standart sekunder yaitu elektroda kalomel dan elektroda perak/perak klorida.
a. Elektroda kalomel

Elektroda ini terbuat dari tabung gelas atau plastik dengan panjang ± 10cm dan garis tengah 0,5-1 cm yang dicelupkan ke dalam air raksa yang kontak dengan lapisan pasta Hg/HgCl2 yang terdapat pada tabung bagian dalam yang berisi campuran Hg, Hg2Cl2 dan KCl jenuh dan dihubungkan dengan larutan KCl jenuh melalui lubang kecil.

b. Elektroda perak

Elektroda pembanding yang mirip dengan elektroda calomel,terdiri dari suatu elektroda perak yang dicelupkan kedalam larutan KCI yang dijenuhkan dengan AgCI. Jika dibandingkan dengan elektroda kalomel, elektroda perak lebih unggul dalam temperatur yang tinggi. Namun, elektroda perak/perak klorida mempunyai kecenderungan untuk bereaksi dengan larutan membentuk kompleks perak yang tidak larut yang memungkinkan menyumbat jembatan garam yang menghubungkan larutan dan elektroda.

·       Elektroda indikator  (indicator electrode)

Elektroda indikator dibagi menjadi dua kategori, yaitu : elektroda logam dan elektroda membran. Elektroda logam dapat dikelompokkan ke dalam elektroda jenis pertama (first kind), elektroda jenis kedua(second kind),elektroda jenis ketiga(third kind)
1. Elektroda logam

Potensial dari elektroda logam ditentukan dari posisi reaksi redoks ketika elektroda dan larutan bertemu.terdapat tiga macam elektroda logam yaitu elektroda logam jenis pertama, elektroda logam jenis kedua, dan elektroda logam jenis ketiga.
a. Elektroda jenis pertama

Elektroda jenis pertama adalah elektroda yang langsung berkeseimbangan dengan kation yang berasal dari logam tersebut .Contoh,elektroda tembaga.
Cu2+ + 2e Cu(s)

b. Elektroda jenis kedua

Elektroda jenis kedua adalah elektroda yang harga potensialnya bergantung pada konsentrasi suatu anion yang dengan ion yang berasal dari elektroda endapan suatu ion kompleks yang stabil.contoh elektroda perak untuk halida, reaksinya dapat ditulis,
AgCl(s) Ag(s) + Cl

c. Elektroda jenis ketiga

Elektroda jenis ketiga adalah elektroda logam yang harga potensialnya bergantung pada konsentrasi ion logam lain. Contoh, elektroda Hg dapatdigunakan untuk menentukan konsentrasi Ca2+ , Zn2+ ,atau Cd2+ yang terdapat dalam larutan.

2. Elektroda membran

Elektroda membran telah digunakan dan dikembangakan cukup luas,karena dapat menentukan ion tertentu. Elektroda membran biasa disebut dengan elektroda selektif ion (ion selective electrode).Elektroda membran juga digunakan untuk penentuan pH dengan mengukur perbedaan potensial antara larutan pembanding yang keasamannya tetap dan larutan yang dianalisis.Elektroda membran dibagi empat macam yaitu elektroda membran kaca,elektroda membran cairan, elektroda padatan dan elektroda penunjuk gas.

a. Elektroda membran kaca

Kualitas paling bagus yang dijual dipasaran untuk elektroda membran kaca terbuat dari Corning 015, sebuah kaca yang terdiri dari 22% Na20, 6% CaO,dan 72% SiO. Ketika dicelupkan ke dalam larutan berair, maka pada bagian luar dari membran akan terhidrat sampai 10nm sampai beberapa jam. Hasil hidrasi dari membran menghasilkan muatan negatif, hal ini merupakan bagian dari fungsi kerja membran silika. Ion natrium, yang mampu bergerak menembus lapisan hidrat berfungsi sebagai ion penghitung. Ion hidrogen dari larutan berdifusi kedalam membran dan membentuk ikatan yang lebih kuat dengan membran sehingga mampu menggeser keberadaan ion Na+ yang mengakibatkan konsentrasiion H+ meningkat pada membran .
Elektroda membran kaca sering dijual dalam bentuk kombinasi antara indikator dan elektroda pembanding. Penggunaan satu elektroda sangat bermanfaat untuk pengukuran pH.

Kelebihan elektroda kaca :

·         Larutan uji tidak terkontaminasi

·         Zat-zat yang tidak mudah teroksidasi & tereduksi tidak berinteferensi

·         Elektroda ini bisa dibuat cukup kecil untuk disisipkan dalam volume larutan yang sangat kecil.

·         Tidak ada permukaan katalitis yang kehilangan aktivitasnya oleh kontaminasi seperti platina pada elektroda hidrogen.

Kelemahan elektroda kaca yaitu Pada kondisi pH yang sangat tinggi (misal NaOH 0,1M dengan pH = 13) berakibat :

§ spesifisitas untuk H+ hilang

§ Ketergatungan tegangan pH berkurang

§ Potensial menjadi tergantung pada aNa+

b. Elektroda membran padat

Elektroda ini menggunakan polikristal yang terdiri dari satuan kristal garam anorganik. Elektroda selektif ion polikristal ini dibentuk dari pelet tipis Ag2S atau campuran dari Ag2S dan garam perak atau logam  sulfida.

c. Elektroda membran cair

Elektroda membran cair adalah suatu fasa cair spesifik yang dibatasi oleh suatu dinding yang berpori inert. Cairan spesifik tersebut terdiri atas senyawa organik dengan berat molekul yang tinggi,tidak larut dalam air dan memiliki struktur yang memungkinkan terjadinya pertukaran ion antara ion bebas dalam larutan yang diukur dengan ion-ion yang terletak pada pusat kedudukan molekul cairan spesifik tersebut contoh: Na+ , K ,Ca2+ , Pb2+

d. Elektroda penunjuk gas

Elektroda ini dirancang untuk mendeteksi konsentrasi gas yang terlarut dalam larutan.

Komponen-komponen tersebut disusun  membentuk suatu sel potensiometri seperti pada gambar

Dari diagram skematik pada gambar 1 terlihat bahwa sel potensiometridisusun dari dua setengah sel yang dihubungkan dengan  jembatan garam yangberfungsi penyeimbang muatan larutan pada masing-masing setengah sel, selain itu juga berfungsi sebagai penghubung antara dua setengah sel tersebut. Masing-masing setengah sel terdapat elektroda yang tercelup dalamlarutan elektrolit untuk ditentukan konsentrasinya oleh potensial elektrodanya. Pemisahanelektrode ini diperlukan untuk mencegah terjadinya reaksi redoks spontan dari laruan-larutanelektrolit yang digunakan dalam sel potensiometri.Potensiometri digunakan sebagai salah satu metode untuk mengukur konsentrasi suatu larutan, dalam hal ini hubungan antara potensial sel dan konsentrasi dapatdijelaskan melalui persamaan Nerst

E = Eo – RT ln Q

nF
Dimana :

Eo : standar potensial reduksi

R : konsanta gas

T : temperatur ( K )

n : jumlah elektron yang terlibat dalam rekasi reduksi

F : konstanta faraday

Q : reaksi quosien.

Jika temperatur dalam laboratorium 298 K ,maka ln diubah ke log, maka diperoleh persamaan berikut

E = Eo – 0,05916 log Q

n
Dimana E dinyatakan dalam satuan volt Mengingat bahwa potensial dari sel elektrokimia potensiometri adalah

Ecell = Ec – Ea

Komponen sel potensiometri bersifat sederhana yaitu terdiri dari sebuah elektroda acuan, elektroda indikator, rangkaian jembatan garam, dan pengukur tegangan (voltmeter).

Elektroda acuan merupakan elektroda yang telah diketahui  potensialnya secara pasti dan potensialnya bernilai konstan pada temperatur konstan selama pengukuran berlangsung. Nilai potensial dari elektroda ini juga tidak tergantung pada komposisi dari larutan uji. Elektroda acuan dapat berupa elektroda hidrogen standar (standard hydrogen electrode), elektroda kalomel jenuh (saturated calomel electrode), dan elektroda perak-perak klorida.

Elektroda indikator merupakan elektroda yang potensialnya merespons perubahan aktivitas dalam larutan uji. Elektroda indikator dapat berupa elektroda membran, elektroda inert, maupun elektroda logam. Rangkaian jembatan garam yang terdapat dalam sel  potensiometri berfungsi mencegah tercampurnya komponen dari larutan uji dengan elektroda acuan. Jembatan garam ini juga berperan dalam meminimalisasi besarnya nilai potensial sambungan cair yang terukur di voltmeter.

Dalam melaksanakan analisis potensiometrik, terdapat 2 metode yang mungkin dipilih yaitu Potensiometri langsung (direct potentiometry) dan Titrasi  potensiometri

A.      Potensiometri langsung

Metode ini dapat dilakukan dengan pengukuran ion spesifik untuk mengukur ion hidrogen atau lainnya dengan mengunakan ph meter.

B.      Titrasi potensiometri

Metode ini melibatkan pengukuran potensial antara suatu elektroda indikator dan elektroda pembanding. Cara potensiometri ini bermanfaat bila tidak ada indikator yang cocok untuk menentukan titik akhir titrasi, misalnya dalam hal larutan keruh atau bila daerah kesetaraan sangat pendek dan tidak cocok untuk penetapan titik akhir titrasi dengan indikator. Titik akhir dalam titrasi potensiometri dapat dideteksi dengan menetapkan volume bila mana terjadi perubahan potensial yang relatif besar ketika ditambahkan titran. Reaksi-reaksi yang berperan dalam pengukuran titrasi potensiometri   yaitu reaksi pembentukan kompleks, reaksi netralisasi, pengendapan, dan reaksi redoks. Pada reaksi pembentukan kompleks dan pengendapan, endapan yang terbentuk akan membebaskan ion terhidrasi dari larutan.  Umumnya digunakan elektroda Ag dan Hg, sehingga berbagai logam dapat dititrasi. Reaksi netralisasi terjadi pada titrasi asam basa dapat diikuti dengan elektroda indikatornya elektroda gelas.

Masing-masing metode memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing. Oleh sebab itu dalam memeilih metode mana yang akan digunakan perlu dipertimbagkan metode yang akan memaksimalkan kelebihan dan meminimalkan kekurangan pada situasi dan kondisi  pengukuran.

Potensiometri dapat diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari baik dalam kimia teoritis maupun praktikal. Penerapan secara teoritis dari potensiometri yaitu  penentuan tetapan kesetimbangan termodinamika seperti Ka, Kb, dan Ksp. Sementara itu penerapan secara praktikal yaitu pembuatan pH meter, penentuan kadar polutan dalam lingkungan, dan pemeriksaan pH produk industri.

Potensiometri  juga merupakan salah satu metode analisis elektrokimiawi untuk menentukan konsentrasi larutan analit yang menggunakan reaksi reduksi-oksidasi dan persamaan Nerst sebagai prinsip dasarnya. Metode ini sering kali digunakan pada kehidupan sehari hari daripada analisis elektrokimia lainnya dikarenakan memiliki beberapa kelebihan, seperti :

·         Komponen penyusun bernilai ekonomis (murah)

·         Kuat, Kompak, Tahan lama

·         Mudah dirangkai

·         Mudah diamati dan dipantau

·         Tidak merusak dan mempengaruhi  komposisi larutan analit yang akan diuji

·         Bersifat stabil pada berbagai tingkatan konsentrasi analit.

Meskipun begitu, analisis potensiometrik ini cenderung memiliki kekurangan dalam hal akurasi dan presisinya dikarenakan adanya potensial sambungan cair yang muncul di antara pertemuan larutan elektroda acuan dan larutan analit yang berkontribusi juga pada potensial sel yang terukur pada voltmeter

KESIMPULAN

Potensiometri adalah  satu cara elektrokimia untuk analisa ion secara kuantitatif berdasarkan pengukuran potensial dari elektroda yang peka terhadap ion yang bersangkutan. Potensiometri digunakan untuk menentukan konsentrasi

            Suatu ion,pH larutan , dan titik akhir titrasi. Potensiometri digunakan sebagai salah satu metode untuk mengukur  konsentrasi suatu  larutan,yang  dijelaskan melalaui persamaan Nerst .

            Elemen yang digunakan dalam potensiometri adalah Elektroda pembanding,elektroda Indikator,Jembatan garam dan larutan yang dianalisis.

Elektroda pembanding dibagi menjadi dua ,yaitu elektroda pembanding primer dan elektroda pembanding skunder ( elektroda kalomel dan elektroda perak ).

Elektroda Indikator dibagi menjadi dua yaitu elektroda Logam dan elektroda membran.elektroda Logam  terdiri dari tiga macam,antara lain  elektroda jenis pertama ,kedua dan ketiga .sedangkan elektroda membran dibagi menjadi elektroda membran kaca,elektroda membran padat,elektroda membran cair dan elektroda membran gas.

            Proses titrasi potensiometri dapat dilakukan dengan bantuan elektroda indikator dan elektroda pembanding yang sesuai. Cara potensiometri ini bermanfaat bila tidak ada indikator yang cocok untuk menentukan titik akhir titrasi .