SEL VOLTA

a.    Sel Volta Komersial

Terdapat sejumlah sel listrik yang memanfaatkan prinsip sel volta untuk tujuan komersial. Sumber listrik tersebut biasanya dikembangkan dalam bentuk siap pakai,seperti aki dan baterai. Beberapa sel volta yang bersifat komersial seperti berikut:

1.  Sel kering “Baterai”

Umumnya sel volta digunakan sebagai sumber energi listrik siap pakai. Lampu senter dan jam dinding adalah contoh peralatan yang sering dihidupkan dengan potensial sel sisitem elktroda seng-grafit atau sel kering disebut juga sel Leclanche. Sel volta ini terdiri dari seng sebagai anoda, batang grafit di dalamnya sebagai katoda dan dikelilingi oleh pasta kering dari bahan mangan oksida dan ammonium klorida yang berfungsi sebagai oksidator. Reaksi elektroda dapat ditulis dalam bentuk

anoda : Zn _(s) → Zn₂⁺ _(aq) + 2e^-

katoda : 2MnO_{2 (s)} + 2NH₄⁺ _(aq) + 2e^- → Mn₂O_{3 (s)} +2NH_{3 (g)} +H₂O _(l)

reaksi sel :Zn_(s) + 2NH₄⁺ _(aq) + 2MnO_{2 (s)} → Zn₂⁺ _(aq) + Mn₂O_{3 (s)} +2NH_{3 (g)} +H₂O _(l)

Katoda akan menghasilkan ammonia, ammonia ini akan bereaksi dengan Zn²⁺ yang diasilkan di anoda . Reaksi tersebut akan membentuk ion yang kompleks [Zn(NH₃)₄]²⁺. Potensial sel kering mulanya 1,5 V, tetapi akan berkurang akibat arus listrik yang terus dipakai. Potensial sel juga dapat berkurang dalam cuaca dingin. Sel kering ni tidak dapat digunakan berulang kali dan memiliki daya tahan yang tidak lama, dan harga nya sangat murah di pasaran.

Baterai adalah perangkat yang mampu menghasilkan tegangan DC, yaitu dengan cara mengubah energi kimia yang terkandung didalamnya menjadi energi listrik melalui reaksi elektro kimia, Redoks (Reduksi – Oksidasi). Baterai terdiri dari beberapa sel listrik, sel listrik tersebut menjadi penyimpan energi listrik dalam bentuk energi kimia. Elektroda negatif disebut katoda, yang berfungsi sebagai pemberi elektron. Elektroda positif disebut anoda yang berfungsi sebagai penerima elektron. Antara anoda dan katoda akan mengalir arus yaitu dari kutub positif (anoda) ke kutub negatif (katoda). Sedangkan electron akan mengalir dari ktoda menuju anoda.

2. Sel kering “Alkalin”

Suatu sel kering alkalin serupa dengan sel Leclanche. Sel ini mengandung kalium hidroksida (KOH) dalam ammonium klorida. Oleh karena itu baterai alkalin ini bersifat basa, dan memiliki kinerja lebih baik dibandingkan sel kering Leclanche dalam hal arus listrik dan cuaca dingin. Reaksinya adalah sebagai berikut

anoda   : Zn_(s) + 2OH^-_(aq) → Zn(OH)_2(s) + 2e^-

katoda  :  2MnO_2(s) + 2H₂O_(l) + 2e^- → 2MnO(OH)_(s) + 2OH^-_(aq)

Reaksi sel:  Zn_(s) + 2MnO_2(s) + H₂O_(l) →  Zn(OH)_2(s) + Mn₂O_3(s)

Baterai ini memiliki kelebihan yaitu

a. Pada proses pemakaian akan tetap pada rating yang dimiliki meskipun pemakaiannya tak menentu.

b. Pada pembebanan tingi dan terus-menerus, mampu memberikan umur pelayanan 2 – 10 kali pemakaian dari sel leclanche.

c.  Sangat baik dioperasikan pada temperature rendah sampai -25 derajat celcius.

d. Baterai yang sering digunakan adalah zinc-alcaline manganese oxide. zinc-alcaline manganese oxide memberikan daya lebih pada penggunaannya dibandingkan baterai sekunder. zinc-alcaline manganese oxide mempunyai umur (waktu hidup yang lama).

e. Recharge alkalin. Baterai alcaline mempunyai umur (waktu hidup) yang panjang, namun daur hidupnya lebih pendek dari pada batere sekunder lainnya.

3. Sel aki (akkumulator)

Salah satu kelemahan sel kering (baterai) adalah jika digunakan sampai habis, sel tidak dapat dimuat ulang (recharged). Artinya dalam sekali pakai langsung dibuang. Namun demikian ada jenis sel volta yang dapat dimuati ulang setelah digunakan, diantaranya sel timbale atau aki. Aki atau accumulator merupakan sel volta yang tersusun atas elektroda Pb dan PbO, dalam larutan asam sulfat yang berfungsi sebagai elektrolit. Pada aki, sel disusun dalam beberapa pasang dan setiap pasang menghasilkan 2 Volt. Pada umumnya aki memiliki potensial sebesar 6 Volt (kecil) sebagai sumber arus sepeda motor dan 12 V (besar) untuk mobil. Aki merupakan sel yang dapat diisi kembali, sehingga aki dapat dipergunakan secara terus menerus. Sehingga ada dua mekanisme reaksi yang terjadi. Reaksi penggunaan aki merupakan sel volta, dan reaksi pengisian menggunakan arus listrik dari luar seperti peristiwa elektrolisis.

Sel aki disebut juga sebagai sel penyimpan, karena dapat berfungsi penyimpan listrik dan pada setiap saat dapat dikeluarkan . Anodenya terbuat dari logam timbal atau timah hitam (Pb) dan katodenya terbuat dari logam timbal yang dilapisi PbO₂, keduanya merupakan zat padat yang dicelupkan dalam larutan asam sulfat. Kedua elektrode tersebut, juga hasil reaksinya, tidak larut dalam larutan asam sulfat, sehingga tidak perlu memisahkan anode dan katode. Dengan demikian, tidak diperlukan jembatan garam, yang perlu dijaga adalah jangan sampai kedua elektrode tersebut saling bersentuhan. Reaksi yang terjadi dalam aki adalah

Anode       : Pb(s) + SO₄^2-(aq)    → PbSO₄(s) + H⁺(aq) 2e

Katode      : PbO₂(s) + SO₄^2-(aq) +  4H⁺(aq) + 2e → PbSO₄(s) + 2H₂O(l)

Batas Arus (mA)	Pengaruh yang mungkin pada tubuh manusia
1	Level presepsi, terasa adanya arus listrik sedikit
5	Merasa terkejut, tidak menyakitkan tetapi mengganggu
6 – 30	Sakit dan mengejutkan, otot kehilangan control
50 – 150	Sakit yang hebat, pernapasan tertahan, otot berkontraksi keras dan tidak sanggup lagi melepasskan penghantar, mungkin terjadi kematian
1.000 – 4.300	Jantung kehilangan irama denyut, kontraksi otot dan kerusakan saraf terjadi. sangat mungkin terjadi kematian
4.400 – 10.000	Kegiatan jantung tertahan, dan terjadi kematian

Reaksi sel   : Pb(s) + 2SO₄^2-(s) + PbO₂(aq) + 4H⁺(aq)  → 2PbSO₄(s) + 2H₂O(l)

Akkumulator yang telah habis (kosong) dapat diisi kembali, karena itulah akkumulator disebut juga dengan elemen sekunder. Untuk melakukan pengisian diperlukan sumber tenaga listrik arus searah lain yang memiliki beda potensial sedikit lebih besar. Misalnya akku 6 volt kosong harus disetrum dengan sumber arus yang tegangannya sedikit lebih besar dari 6 volt. Kutub positif sumber tegangan dihubungkan dengan kutub positif akumulator, dan kutub negatif sumber tegangan dihubungkan dengan kutub negatif akumulator. Dengan cara tersebut elektron-elektron pada akumulator dipaksa kembali ke elektrode akumulator semula, sehingga dapat membalik reaksi kimia pada kedua elektrodenya.

Proses pengisian dapat berjalan dengan baik apabila arus searah yang diberikan memiliki ripple yang cukup tinggi untuk mempermudah proses kimia (pelepasan elektron) dalam kepingan-kepingan elektroda. Selain itu, penggunaan arus pengisian yang relatif kecil dengan waktu pengisian lama dapat diperoleh hasil pengisian yang lebih baik dan memperpanjang umur pakai akkumulator. Besarnya arus pengisian dapat diatur dengan reostat. Pada saat pengisian terjadi penguapan asam sulfat, sehingga menambah kepekatan asam sulfat dan permukaan asam sulfat turun. Oleh sebab itu, pada akumulator perlu ditambahkan air murni (H₂O) kembali. Reaksi kimia yang terjadi saat akkumulator diisi adalah :

anode :  PbSO_4 (s)  +   2H₂O _(l) → PbO_{2 (s)} + HSO₄^- _(aq) + 3H⁺ _(aq) + 2e^-

katode :  PbSO_4 (s)  +  H⁺ _(aq)  + 2e  →  Pb _(s) + HSO₄^- _(aq)

reaksi sel : 2PbSO₄(s) + 2H₂O(l) →   Pb(s) + PbO₂(s) + 2HSO₄^-(aq) + 3H⁺(aq)

Jadi pada saat pengisian akkumulator, pada prinsipnya mengubah kembali anode dan katode yang berupa timbal sulfat (PbSO₄) menjadi timbal dioksida (PbO₂) dan timbal murni (Pb), atau terjadi proses ” Tenaga listrik dari luar diubah menjadi tenaga kimia listrik di dalam akkumulator dan kemudian disimpan di dalamnya.” Kelemahan aki di antaranya adalah karena beratnya. Selain itu juga karena asam sulfat bersifat sangat korosif sehingga berbahaya jika tumpah.

b. Daya hantar listrik larutan ZnSO₄ dan CuSO₄

Dalam  rangkaian tersebut, logam seng dicelupkan ke dalam larutan ZnSO₄ (mengandung Zn²⁺) dan logam tembaga dicelupkan dalam larutan CuSO₄ (mengandung Cu²⁺). Logam seng akan semakin keropos karena larutan menjadi Zn²⁺ yang disertai pelepasan electron. Dengan reaksi sebagai berikut :

Zn _(s) → Zn²⁺ _(aq) + 2e^-

Elektron yang dilepas oleh logam seng mengalir melalui kawaat penghantar menuju tembaga, selanjutnya diterima oleh ion Cu2+ yang kemudian mengendap sebagai logam tembaga pada permukaan elektroda tembaga. Dengan reaksi sebagai berikut :

Cu²⁺ _(aq) + 2e^- → Cu _(s)

Ketika reaksi redoks berlangsung dalam larutan seng mengalami kelebihan Zn²⁺ dan dalam larutan tembaga terjadi kelebihan ion SO₄^2-. Agar reaksi redoks berlangsung terus menerus, maka kelebihan ion-ion tersebut perlu dinetralkan dengan cara mengalirkan  ion-ion yang berlawanan muatan ke dalam masing-masing reaksi tanpa harus mencampurkan kedua larutan. Hal ini dapat dilakukan dengan menghubungkan kedua sel tadi secara internal, yaitu dengan memasang jembatan garam. Jembatan garam adalah alat penghubung ke dua sel elektrokimia yang mengandung garam guna menetralkan kelebihan ion di dalam reaksi. Beda potensial yang dihasilkan oleh larutan ini ± 1,5V. Jika kabel pada rangkaian listrik ini di sentuh oleh manusia, maka akan memberikan efek kesemutan atau bisa juga disebut kesetrum namun dalam intensitas kecil.

kesetrum adalah peristiwa mengalirnya arus listrik pada tubuh manusia akibat kontak antara tubuh manusia dengan sumber listrik yang dapat menyebabkan stimulasi (rangsangan) pada saat yang berlebihan. Ketika seseorang yang tersengat listrik maka akan terjadi perpindahan electron secara berantai dari setiap atom yang ada di tubuhnya. Tubuh manusia merupakan konduktor, sehingga apabila salah satu anggota tubuh menyentuh listrik dan angota tubuh lainnya menyentuh tanah, maka arus listrik akan mengalir ke tubuh. Tubuh manusia merupakan jalan tercepat bagi arus listrik untuk mencapai tanah. Apabila terdapat hambatan dalam tubuh, maka sebagian energy untuk perpindahan electron tersebut berubah menjadi energy panas. Rasa sakit yang dialami merupakan akibat perpindahan electron yang merangsang saraf-saraf secara berlebihan.

Efek setrum akan semakin serius, apabila arus yang melewati tubuh semakin besar. Menurut hukum Ohm intensitas arus listrik tergantung kepada tegangan dan tahanan yang ada. Berati tegangan penting dalam menentukan berapa arus yang dapat dilewati oleh tahanan yang diberikan oleh tubuh. Di samping itu ada pula hal-hal lain yang turut berperan mempengaruhi tingkat efek setrum yang diberikan.

1. Besar kecilnya tegangan

Seseorang akan menderita efek setrum lebih serius pada tegangan yang lebih tinggi, karena kuat arus pada tegangan tersebut tinggi.

2. Basah tidaknya kulit penderita

Kulit penderita yang basah / berkeringat akan memudahkan arus listrik melewati kulit penderita. Karena kulit yang basah tahanan nya lebih kesil jika dbandingkan dengan kulit yang kering. Kulit ayng kering memiliki resisitensi sebesar 40.000 – 100.000 Ohm, dan kulit yangbasah memiliki resistensi sekitar 1.000 Ohm.

3. Ukuran fisik bidang kontak

Semakin besar dan luas bidang kontak antara tubuh dan perlengkapan listrik, dan semakin rendah hamabatan instalasinya, maka semakin banyak arus listrik yang mengalir melewati tubuh dan akibatnya semakin parah.

4.Basah tiddaknya lantai

Lantai yang basah merupakan konduktor yang baik sehingga lebih besar arus yang dapat melewati tubuh.

5. Jumlah miliampere

Semakin besar arus listrik yang melewati tubuh manusia, semain besar pula resiko sengatan yang ditimbulkan bagi tubuh manusia. Berikut tabel batas ambang sengatan listrik dan pengaruhnya pada tubuh manusia.