1.
Lapisan Rangkap Listrik •
•
Permukaan logam yang kontak dengan larutan elektrolit akan memiliki muatan listrik melalui 4 cara: o
diberi perbedaan potensial listrik dari luar.
o
absorbsi ion pada permukaan logam atau arbsopsi daripermukaan koloidnya.
o
adanya perpindahan elektron antara konduktor logam dengan elektrolitnya.
o
pada, misel, makromolekul biologi dan membran, muatan listrik diperoleh akibat ionisasi dari gugus fungsional seperti karboksilat, fosfat atau amina.
Daerah antarmuka yang terletak di larutan dikenal sebagai daerah lapis ganda elektrolit “electrolyte double layer region” sedangkan daerah antarmuka pada daerah padat/logam dikenal sebagai daerah muatanruang “space-charge region”. Rentang daerah pada logam lebih tipis.
Gambar 1.1. Illustrasi skematik antarmuka elektroda-larutan
2
1.1.
Lapisan Ganda Rangkap Listrik.
•
Bila permukaan logam yang bermuatan listrik kontak dengan larutan elektrolit, permukaan tersebut akan menarik muatan yang berlawanan dan menolak muatan yang sejenis.
•
Akan terbentuk lapisan ganda muatan listrik, yaitu lapisan pada ‘permukaan logam’ dan lapisan pada ‘permukaan dekat logam’ yang memiliki muatan yang berbeda.
•
Beberapa model Lapisan-ganda Rangkap Listrik dikemukakan oleh Helmhotz, Gouy-Chapman, dan Stern. Model Helmhozt, beda potensial antara titik tertentu di LRL dgn fasa ruah adalah linear, semakin jauh dari elektroda semakin kecil hingga mencapai nol. Gouy Chapman, memperhitungkan adanya gerakan termal dari ion-ion. Stren, gabungan dari Helmholzt dan Guy-Chapman;
Gambar 1.2. Beberapa model lapis rangkap listrik.
3
1.2.
Lapis ganda listrik : Tegangan permukaan, kerapatan muatan dan kapasitas
•
Daerah antarmuka pada suatu larutan adalah daerah yang memiliki harga potensial listrik, , yang berbeda dibandingkan dengan fasa ruahnya.
•
Terdapat penataan muatan positif dan negatif dimulai dari permukaan elektroda hingga ke fasa ruah.
•
Kapasitas lapis ganda adalah kontanta perbandingan antara potensial yang diberikan dengan muatan terhadap spesi dalam daerah antarmuka. Besarnya kapasitas lapis ganda pada berbagai potensial dapat dilakukan dengan teknik impendasi atau pengukuran elektrokapilaritas. Metoda ini diperkenalkan oleh Lippmann.
Gambar 1.3. Skematis alat pengukuran tegangan permukaan air raksa dengan metoda Lippmann.
4 •
Prinsip utama dalam pengukuran ini adalah kolom kapiler yang diisi dengan air raksa hingga tinggi h di beri beda potensial akan berada pada ketinggian yang sama. Pada kondisi ini tegangan permukaan akan diimbangi dengan gaya gravitasi, sehingga: 2
2 r c cos = r c Hg h g
(1.1)
dengan r c = jari-jari kapiler; = sudut kontak; = tegangan permukaan; Hg = rapat massa air raksa. •
Aluran terhadap E dikenal sebagai kurva elektrokapiler. (Lihat Gambar 1.4.a).
•
Fluks massa untuk percobaan ini adalah 2
r c Hg h m1 = dengan dalah waktu hidup tetes (drop lifetime).
(1.2)
•
Substitusi persamaan 1.2 ke dalam persamaan 1.1 akan memberikan 2 r c = m1 g t (1.3)
•
Aluran terhadap E akan memberikan Gambar 1.4.a. Sedangkan konversi menjadi kapasitas diperoleh dengan penurunan ganda terhadap perbedaan potensial, , antara logam/elektroda, M dengan larutan, S . Turunan pertama akan memberikan muatan pada permukaan yang dikenal sebagai persamaan Lippmann ∂ (1.4) =− M = S ∂ dengan M = muatan pada logam (charge on metal) dan S = muatan pada larutan. Dan M S =0 .
5
Gambar 1.4. Aluran skematik pada daerah rangkap. (a) tegangan permukaan vs potensial) (b) kerapatan muatan elektroda vs potensial (c ) kapasitas diferensial terhadap potensial.
•
Bila diambil potensial pembanding sembarang dan potensial yang berhubungan dengan potensial pembanding tersebut adalah E maka ∂ ~ ∂ E dan ∂ =− M ∂ E
(1.5)
•
Persamaan Lippmann merupakan persamaan differensial dari elektrokapilaritas menunjukkan bahma muatan M bernilai nol saat kemiringan kurva elektrokapilaritas adalah nol. Potensial dititik ini disebut sebagai titik muatan nol, E Z .
•
Turunan kedua dari kurva elektrokapilaritas akan memberikan nilai kapasitas diferensial, yaitu kapasitas diferensial , C d , dan kapasitas integral C i :
6 Cd = •
∂M ∂ E
Kapasitas integral diperoleh dari ∂ M Ci = E−E z
(1.6)
(1.7)
E
∫E C d dE C i= E ∫E dE z
(1.8)
z
1.3.
Model Helmholtz (1879)
•
Model ini memperlihatkan adanya keteraturan muatan positif dan negatif dengan pola yang teratur dan rigid pada kedua sisi dari antarmuka.
•
Model ini mirip dengan menggambarkan keadaan suatu kapasitor plat paralel.
•
7
Gambar 1.5. Model Helmholtz untuk lapis rangkap listrik. (a) penataan ion secara kaku. (b) Variasi potensial elektrostatik sebagai fungsi dari jarak (c) variasi Cd terhadap potensial yang di berikan.
•
Besarnya harga kapasitas adalah Cd , H= r 0 xH
(1.9)
dengan x H merupakan jarak antara titik terdekat dari muatan, dan r adalah permisivitas relatif dan 0 = permisivitas vakum. •
-2 Nilai r biasanya adalah 6-7, sehingga C d , H =10 F cm .
•
Turunnya potensial dari M ke S bersifat linier, dan C d , H bukan merupakan fungsi potensial yang diterapkan pada elektroda
•
Kekurangan dari model Helmholtz adalah.pada model ini interaksi ionion yang terletak lebih jauh tidak diperhitungkan dan faktor konsentrasi tidak ikut diperhitungkan juga.
