Bab IV
Pembahasan
Atom seng (Zn) memiliki kemampuan memberi elektron lebih besar dibandingkan atom tembaga (Cu). Jika menempatkan lempeng tembaga dan lempeng seng pada larutan elektrolit kemudian dihubungkan satu sama lain, maka elektron akan diberikan dari seng kepada tembaga. Di dalam baterai buah dan sayuran, larutan elektrolitnya adalah asam. Buah dan sayuran mengandung cairan yang kaya akan ion dan menjadi penghantar listrik yang baik sehingga baterai buah bisa bekerja. Karena pada rangkaian terbuka Cu memiliki potensial listrik yang lebih tinggi dibanding Zn, maka pada rangkaian tertutup arah arus positif dari Cu ke Zn dan elektron mengalir dengan arah berlawanan. Pada elektroda Zn, atom Zn diubah menjadi ion Zn2+ di dalam larutan dan meninggalkan elektron pada elektroda Zn yang bertindak sebagai anoda. Pada waktu bersamaan terjadi pengubahan ion H+ menjadi H2 pada elektroda Cu yang bertindak sebagai katoda. Dalam sel baterai buah dan sayuran yang mengalami reaksi reduksi bukanlah ion Cu2+ melainkan ion H+, berbeda dengan yang terjadi pada sel Daniell. Hal ini terjadi karena di dalam larutan elektrolit tidak terdapat ion Cu2+. Ion H+ yang terdapat di dalam larutan berasal dari asam organik yang terkandung di dalam buah dan sayuran. Jika reaksi yang terjadi di katoda adalah reaksi reduksi Cu2+ menjadi Cu, maka tegangan sel yang dihasilkan pada keadaan baku sekitar 1,10 V. Akan tetapi jika reaksi di kotoda adalah H+ menjadi H2, maka tegangan sel baku yang dihasilkan; Elektroda Zn (anoda) : Zn(s) → Zn 2+ (aq) + 2e
E o = − 0,762 V
Elektroda Cu (katoda): 2H + (aq) + 2e → H 2 (g)
E o = 0,000 V
Reaksi sel
: Zn(s) + 2H + (aq) → Zn 2+ + H 2 (g) E o = 0,762 V
31
Tegangan listrik yang diperoleh dari hasil percobaan sekitar 0,9 V. Data ini yang dihasilkan tidak sesuai atau mendekati data tegangan sel bakunya. Hal ini terjadi karena data diukur tidak dalam keadaan baku. Selain reaksi kimia yang terjadi pada elektroda, faktor pengangkutan massa juga berpengaruh terhadap tegangan listrik yang dihasilkan. Buah dan sayuran yang digunakan di dalam baterai ini adalah jeruk nipis, kentang dan markisa. Asam organik yang terkandung dalam buah dan sayuran ini merupakan asam lemah. Pengukuran pH pada ketiga buah dan sayuran dengan menggunakan pH meter diperoleh data pH jeruk nipis 3,02, kentang 4,84, dan markisa 2,82. Baterai buah dan sayuran ini diteliti untuk mengetahui faktor-faktor yang mempengaruhi kinerjanya. Hasil data yang diperoleh dari pengujian baterai buah dan baterai jus buah dibandingkan dengan menggunakan uji t. Uji t ini diolah dengan menggunakan perangkat lunak Sigmastat versi 3.5. IV.1 Tegangan Litrik Sebagai Fungsi dari Jarak
Energi listrik yang dihasilkan suatu baterai tergantung pada reaksi elektrokimia yang terjadi pada elektroda dan pengangkutan massa. Pengangkutan massa dari atau menuju suatu permukaan elektroda dapat terjadi dengan beberapa proses. Proses tersebut diantaranya adalah pemindahan muatan di dalam suatu perbedaan tegangan listrik dan difusi di dalam suatu perbedaan konsentrasi. Pengangkutan massa materi dari dan menuju tempat terjadinya reaksi diperlukan untuk menjaga aliran arus listrik (Broadhead dan Kuo, 2004). Dari hasil percobaan pengukuran tegangan listrik pada berbagai jarak terhadap markisa, kentang, dan jeruk nipis dalam bentuk buah dan jusnya, diperoleh kecenderungan tegangan listrik akan lebih kecil apabila jarak antara elektroda semakin jauh. Hal ini terjadi karena pemindahan materi aktif listrik seperti ion Zn2+ dan ion H+ dengan jarak elektroda yang makin jauh memerlukan waktu yang
32
lebih lama untuk sampai pada elektroda. Karena arus merupakan jumlah muatan per satuan waktu, maka dengan lamanya waktu yang ditempuh akan memperkecil
tegangan (V)
arus. Sehingga tegangan listrik yang dihasilkan juga akan makin kecil.
0.9800 0.9750 0.9700 0.9650 0.9600 0.9550 0.9500 0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
jarak (cm)
Gambar IV.1 Grafik tegangan listrik baterai jeruk nipis sebagai fungsi jarak
tegangan (V)
0.9600 0.9500 0.9400 0.9300 0.9200 0.9100 0.5
1
1.5
2 2.5 jarak (cm)
3
3.5
4
Gambar IV.2 Grafik tegangan listrik baterai markisa sebagai fungsi jarak
Pada baterai buah jeruk nipis dan markisa, tegangan listrik cenderung turun dengan makin jauhnya jarak elektroda, seperti terlihat pada Gambar IV.1 dan IV.2. Akan tetapi lain halnya pada baterai kentang, pada jarak 0,5 cm sampai 2,5 cm tegangan listrik cenderung turun. Akan tetapi kemudian pada jarak 3,0 cm sampai 4,0 cm tegangan listrik naik kembali, lihat Gambar IV.3. Hal ini bisa terjadi, kemungkinan disebabkan oleh pemindahan ion-ion pada jarak tersebut lebih cepat dibandingkan pada jarak 2,5 cm.
33
tegangan (V)
0.9250 0.9200 0.9150 0.9100 0.9050 0.9000 0.8950 0.8900 0.5
1
1.5
2 2.5 jarak (cm)
3
3.5
4
Gambar IV.3 Grafik tegangan listrik baterai kentang sebagai fungsi jarak
Pada baterai jus buah dan sayuran kecenderungannya sama dengan baterai dalam bentuk
buahnya
yaitu
mengalami
penurunan
tegangan
listrik
dengan
bertambahnya jarak elektroda. Walaupun mempunyai kecenderungan yang sama ternyata tegangan listrik yang dihasilkannya lebih kecil, seperti terlihat pada Gambar IV.4, IV.5 dan IV.6. Perbedaan tegangan listriknya cukup besar. Dengan menggunakan perangkat lunak Sigmastat diperoleh ternyata perbedaannya
tegangan (V)
signifikan (lihat lampiran).
0.9200 0.9100 0.9000 0.8900 0.8800 0.8700 0.8600 0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
jarak (cm)
Gambar IV.4 Grafik tegangan listrik baterai jus jeruk nipis sebagai fungsi jarak
Ada beberapa kemungkinan untuk menjelaskan hal ini. Kecepatan pemindahan massa dalam hal ini ion Zn2+ dan ion H+ dalam larutan jus buah dan sayuran ini
34
lebih lambat dibanding pada larutan yang terdapat dalam bentuk buahnya. Hal ini dapat disebabkan oleh hambatan dalam pada larutan jus yang lebih besar dibanding pada larutan dalam bentuk buah. Reaksi yang terjadi di permukaan elektroda pada jus mungkin lebih lambat. Akhirnya mengakibatkan tegangan
tegangan (V)
listrik yang dihasilkan lebih kecil.
0.9100 0.9000 0.8900 0.8800 0.8700 0.8600 0.8500 0.8400 0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
jarak (cm)
Gambar IV.5 Grafik tegangan listrik baterai jus markisa sebagai fungsi jarak
tegangan (V)
0.9000 0.8950 0.8900 0.8850 0.8800 0.8750 0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
jarak (cm )
Gambar IV.6 Grafik tegangan listrik baterai jus kentang sebagai fungsi jarak
Data tegangan listrik yang diperoleh pada jus kentang walaupun ada penurunan tetapi perubahannya tidak terlalu besar, seperti terlihat pada Gambar IV.6. Hal ini kemungkinan terjadi karena pengangkutan massa atau pemindahan muatannya pada berbagai jarak cukup tetap.
35
IV.2 Rapat Arus Sebagai Fungsi dari Luas Permukaan
Rapat arus permukaan elektroda ditunjukkan dalam amper.m-2, pada dasarnya mengukur kemampuan katalitik elektroda. Kemampuan katalitik adalah kemampuan berkurangnya energi pengaktifan dari proses pemindahan elektron. Proses pemindahan elektron ini berlangsung di dalam daerah antarmuka yang sangat tipis pada permukaan elekroda, dan melibatkan hubungan antara elektroda dan ion-ion atau materi aktif listrik (Lower, 2004). Pada baterai buah dan sayuran dalam bentuk buahnya, rapat arus cenderung menurun dengan bertambahnya luas permukaan elektroda, lihat Gambar IV.7, IV.8 dan IV.9. Hal ini kemungkinan disebabkan dengan bertambahnya luas permukaan elektroda yang tercelup pada elektrolit, energi pengaktifan yang dibutuhkan untuk proses pemindahan elektron pada permukaan elektroda semakin besar. Bertambahnya energi pengaktifan menyebabkan reaksi elektrokimia yang terjadi pada permukaan elektroda berlangsung lebih lambat. Kecepatan reaksi elektrokimia yang terjadi pada permukaan elektroda menentukan banyaknya arus listrik yang dihasilkan. Reaksi elektrokimia makin lambat akan menyebabkan arus listrik yang dihasilkan menjadi lebih sedikit.
Gambar IV.7 Grafik rapat arus pada baterai jeruk nipis
36
Gambar IV.8 Grafik rapat arus pada baterai markisa
Gambar IV.9 Grafik rapat arus pada baterai kentang
Baterai jus buah dan sayuran memiliki rapat arus dengan kecenderungan yang sama dengan baterai buahnya yaitu mengalami penurunan dengan bertambah luasnya permukaan elektroda. Akan tetapi rapat arus yang dihasilkannya lebih besar dan penurunannya cenderung lebih tajam, seperti terlihat pada Gambar IV.10, IV.11, dan IV.12. Perbedaan arus antara buah dan jus secara statistik signifikan. Hasil ini diperoleh dari perhitungan dengan menggunakan perangkat lunak Sigmastat 3.5. Kemungkinan energi pengaktifan untuk proses pemindahan elektron di permukaan elektroda pada baterai jus ini lebih kecil. Sehingga reaksi elektrokimia yang terjadi pada permukaan elektroda berlangsung lebih cepat. Karena reaksi elektrokimianya lebih cepat, maka arus listrik yang dihasilkan menjadi lebih besar dibanding arus listrik yang dihasilkan pada baterai buahnya.
37
Gambar IV.10 Grafik rapat arus pada baterai jus jeruk nipis
Gambar IV.11 Grafik rapat arus pada baterai jus markisa
Gambar IV.12 Grafik rapat arus pada baterai jus kentang IV.3 Tegangan listrik Sebagai Fungsi dari Waktu Penggunaan Baterai
Ketika suatu baterai digunakan, tegangan listriknya akan lebih rendah dari tegangan listrik atau potensial sel bakunya. Perbedaan ini disebabkan karena adanya beban pada baterai dan polarisasi materi aktif listrik atau ion-ion selama
38
penggunaan baterai. Proses penggunaan baterai akan ideal jika berlangsung pada potensial sel bakunya sampai semua ion-ion habis digunakan dan kapasitasnya digunakan secara penuh. Tegangan listrik kemudian menurun sampai nol. Jika dialurkan tegangan listrik terhadap waktu penggunaan baterai, maka akan diperoleh kurva mendatar dan di akhir menurun tajam sampai nol (Linden, 2004). Pada keadaan sesungguhnya apabila tegangan listrik dialurkan terhadap waktu penggunaan baterai akan diperoleh kurva miring dan tegangan listrik tidak akan berakhir di angka nol. Sejak awal penggunaan baterai, tegangan listrik akan lebih rendah dari tegangan listrik pada kondisi baku. Kemudian akan menurun seiring dengan meningkatnya beban sel. Beban sel terjadi karena adanya akumulasi hasil dari penggunaan baterai, polarisasi, dan konsentrasi. Apabila beban pada baterai lebih besar atau beban penggunaan baterai lebih besar, maka akan diperoleh kurva tegangan listrik terhadap waktu yang lebih miring. Kurva tegangan listrik sebagai fungsi waktu penggunaan pada baterai markisa diperoleh kurva dengan kemiringan hanya sampai waktu 20 menit. Setelah itu tegangan listrik cenderung tetap pada angka di atas nol. Hal ini menandakan bahwa baterai buah ini hanya mempunyai waktu hidup selama 28 menit dengan beban yang diberikan 200 ohm. Sedangkan baterai yang diberikan beban 360 ohm waktu hidupnya hanya 10 menit. Setelah itu dikatakan baterai habis, lihat Gambar IV.13 dan IV.14.
39
tegangan (mV)
300 250 200 150 100 50 0 0,0
5,0
10,0
15,0 20,0 w aktu (m enit)
25,0
30,0
35,0
Gambar IV.13 Grafik tegangan listrik sebagai fungsi waktu penggunaan baterai markisa dengan beban 200 Ω
Tegangan (mV)
250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 0,0 0,0
2,0
4,0
6,0 8,0 10,0 w aktu (m enit)
12,0
14,0
16,0
Gambar IV.14 Grafik tegangan listrik sebagai fungsi waktu penggunaan baterai markisa dengan beban 360 Ω
Baterai dengan beban 200 ohm memiliki waktu hidup sampai 34 menit, sedangkan dengan tegangan listrik 360 ohm waktu hidupnya selama 14 menit. Lihat pada Gambar IV.15 dan IV.16.
40
140 tegangan (mV)
120 100 80 60 40 20 0 0,0
10,0
20,0 30,0 w aktu (m enit)
40,0
50,0
Gambar IV.15 Grafik tegangan listrik sebagai fungsi waktu penggunaan baterai jeruk nipis dengan beban 200 Ω
tegangan (mV)
100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0,0
2,0
4,0
6,0
8,0 10,0 w aktu (m enit)
12,0
14,0
16,0
18,0
GambarIV.16 Grafik tegangan listrik sebagai fungsi waktu penggunaan baterai jeruk nipis dengan beban 360 Ω
Kurva yang diperlihatkan oleh baterai kentang menunjukkan waktu hidup yang dimilikinya selama 11 menit untuk beban 200 ohm dan 11 menit pada beban 360 ohm, seperti terlihat pada Gambar IV.17 dan IV.18. Kurva tegangan listrik sebagai fungsi waktu penggunaan baterai pada seluruh baterai buah dan sayuran ini, ternyata memperlihatkan kemiringan yang sangat tajam. Kemiringan kurva dengan beban 360 ohm lebih miring dibanding pada beban 200 ohm, yang berarti bahwa massa hidup baterai buah dan sayuran dengan beban 360 ohm lebih pendek.
41
Faktor-faktor yang mungkin menyebabkan beban besar pada baterai buah dan sayuran ini diantaranya yaitu terbentuknya hasil reaksi pada permukaan logam tersebut. Terbentuknya hasil reaksi ini dapat menghambat atau menghentikan reaksi yang terjadi pada permukaan elektroda. Pada baterai dengan beban 360 ohm kemungkinan pembentukan hasil reaksi semakin cepat, sehingga baterai ini lebih pendek waktu hidupnya dibanding dengan baterai dengan beban 200 ohm. Faktor lainnya yaitu polarisasi muatan listrik juga akan cepat menghentikan kerja dari baterai. Muatan listrik positif akan terkumpul di anoda sedangkan muatan negatif akan terkumpul di katoda.
Tegangan (mV)
200 150 100 50 0 0,0
2,0
4,0
6,0
8,0 10,0 Waktu (m enit)
12,0
14,0
16,0
Gambar IV.17 Grafik tegangan listrik sebagai fungsi waktu penggunaan baterai kentang dengan beban 200 Ω
tegangan (mV)
200 150 100 50 0 0,0
2,0
4,0
6,0
8,0 10,0 w aktu (m enit)
12,0
14,0
16,0
Gambar IV.18 Grafik tegangan listrik sebagai fungsi waktu penggunaan baterai kentang dengan beban 360 Ω
42
Pada baterai jus markisa diperoleh kurva tegangan listrik terhadap waktu dengan waktu hidup sekitar 14 menit pada 200 ohm. Sedangkan pada 360 ohm waktu hidupnya lebih pendek yaitu 6 menit, lihat Gambar IV.19 dan IV.20.
1200 tegangan (mV)
1000 800 600 400 200 0 0,0
5,0
10,0 w aktu (m enit)
15,0
20,0
Gambar IV.19 Grafik tegangan listrik sebagai fungsi waktu penggunaan baterai jus markisa dengan beban 200 Ω 600,0 Tegangan (mV)
500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 0,0 0,0
2,0
4,0
6,0 w aktu (m enit)
8,0
10,0
12,0
Gambar IV.20 Grafik tegangan listrik sebagai fungsi waktu penggunaan baterai jus markisa dengan beban 360 Ω
Kurva yang dihasilkan oleh baterai jus jeruk nipis 14 menit pada beban 200 ohm dan 12 menit pada beban 360 ohm. Lihat Gambar IV.21 dan IV.22. Sedangkan jus kentang memiliki waktu penggunaan baterai 7 menit dan 4 menit pada beban 360 ohm. Lihat Gambar IV.23 dan IV.24.
43
tegangan (mV)
1000 800 600 400 200 0 0,0
5,0
10,0 15,0 w aktu (m enit)
20,0
25,0
Gambar IV.21 Grafik tegangan listrik sebagai fungsi waktu penggunaan baterai jus jeruk nipis dengan beban 200 Ω
600 tegangan (mV)
500 400 300 200 100 0 0,0
5,0
10,0 w aktu (m enit)
15,0
20,0
Gambar IV.22 Grafik tegangan listrik sebagai fungsi waktu penggunaan baterai jus jeruk nipis dengan beban 360 Ω 1200 tegangan (mV)
1000 800 600 400 200 0 0,0
2,0
4,0
6,0 w aktu (m enit)
8,0
10,0
12,0
Gambar IV.23 Grafik tegangan listrik sebagai fungsi waktu penggunaan baterai jus kentang dengan beban 200 Ω
44
Tegangan (mV)
600 500 400 300 200 100 0 0,0
1,0
2,0
3,0
4,0 5,0 Waktu (m enit)
6,0
7,0
8,0
Gambar IV.24 Grafik tegangan listrik sebagai fungsi waktu penggunaan baterai jus kentang dengan beban 360 Ω
Pada baterai jus buah dan sayuran ini kecenderungannya hampir sama dengan baterai buahnya. Waktu hidup baterai dengan beban 200 ohm lebih lama dibanding dengan baterai yang memiliki beban 360 ohm. Kemungkinan hal ini terjadi karena terbentuknya polarisasi muatan dan hasil reaksi pada permukaan elektroda seng lebih cepat terjadi pada baterai dengan beban 360 ohm. Secara keseluruhan pada baterai jus ini ada perbedaan yang signifikan pada tegangan listrik awal dengan beban 200 ohm dan 360 ohm. Pada baterai dengan beban lebih kecil yaitu pada 200 ohm, kemungkinan kecepatan reaksi pada permukaan elektoda atau pemindahan elektron pada permukaan elektroda lebih cepat. Tegangan listrik awal yang dihasilkannya pun akan lebih besar. Berbeda dengan pada baterai buahnya, tegangan listrik awal pada beban 200 ohm dan 360 ohm tidak terlalu jauh berbeda. Pada baterai ini kemungkinan kecepatan reaksi pada permukaan elektoda atau pemindahan elektron pada permukaan elektroda berlangsung dengan kecepatan hampir sama. IV.4 Kapasitas Baterai
Kapasitas dalam amper.jam dari baterai sangat mudah ditentukan jika arus tetap selama penggunaan baterai. Jika arus berubah dengan bertambahnya waktu, maka ditentukan dengan integral. Kapasitas dapat diperoleh dengan mengalurkan arus
45
sebagai fungsi dari waktu dan diintegrasikan pada kurva. Kapasitas C diperoleh selama penggunaan baterai setelah beberapa waktu t. Waktu umumnya dibatasi dengan turunnya tegangan listrik sel (Vinal, 1955). Dengan menggunakan perhitungan luas daerah kurva arus terhadap waktu (lihat lampiran) diperoleh kapasitas untuk masing-masing baterai: Tabel IV.1 Kapasitas Baterai Buah dan Sayuran Baterai Markisa Jus markisa Kentang Jus kentang Jeruk nipis Jus jeruk nipis
Kapasitas (mA.menit) 200 ohm 360 ohm 5,0484 2,7200 16,4962 5,5920 4,0216 3,1097 10,5819 4,6844 5,7995 1,8828 20,4867 10,1508
Kapasitas baterai buah dan sayuran yang dihasilkan sangat kecil. Ada beberapa faktor yang menyebabkan kecilnya kapasitas baterai ini. Diantaranya terbatasnya penggunaan bahan aktif dalam sel. Keterbatasan ini sebagai akibat dari terbentuknya hasil reaksi penggunaan baterai yang menutupi permukaan elektroda, sehingga menghalangi difusi elektrolit. Peningkatan hambatan dalam elektrolit juga menyebabkan terbatasnya penggunaan bahan aktif dalam sel. Faktor lain yang menyebabkan kapasitas baterai ini kecil adalah kecepatan penggunaan baterai yang tinggi. Dengan kecepatan yang rendah kapasitas sel yang dihasilkan akan lebih besar. Kecepatan penggunaan baterai yang tinggi akan menyebabkan kapasitas turun. Penurunan ini sebagai akibat terbentuknya lapisan yang menutupi elektroda, terbatasnya waktu yang digunakan untuk difusi elektrolit dan tegangan listrik yang hilang karena beban dalam sel. Konsentrasi elektrolit juga merupakan faktor yang penting dalam menentukan tegangan listrik dan kapasitas sel baterai. Konsentrasi mempengaruhi kapasitas sebab menentukan tegangan listrik baterai, menentukan hambatan elektrolit untuk
46
mengalirkan arus listrik dan menentukan kecepatan difusi. Pada baterai buah ini kemungkinan konsentrasinya kecil sehingga kapasitas yang dihasilkan pun kecil. IV.5 Modul Praktikum pada Moodle
Proses pelaksanaan pembelajaran dengan memanfaatkan Moodle merupakan bagian dari pembelajaran elektronik. Untuk penyampaian materi dalam pembelajaran ini diperlukan perancangan sistem pembelajaran. Salah satu syarat yang harus dipenuhi yaitu sederhana dan mudah digunakan. Adanya kemudahan pada panel yang disediakan akan mengurangi waktu pengenalan sistem pembelajaran elektronik itu. Materi dalam bentuk halaman web dapat diakses oleh komputer cukup dengan perangkat lunak penjelajah internet. Moodle memiliki fasilitas untuk membuat materi pembelajaran dalam bentuk halaman web dengan tampilan menarik tanpa harus mengerti bahasa HTML. Halaman web ini bisa disisipi gambar, animasi, atau video. Hal ini akan menarik perhatian siswa karena dengan gambar, animasi dan video ini kalimat bisa dibuat singkat. Moodle juga memiliki fasilitas untuk membuat kuis interaktif. Tampilan kuis dapat diatur sesuai dengan keperluan, misalkan dengan mengacak soal pada kuis. Dengan cara ini memungkinkan setiap komputer yang mengakses kuis tersebut menampilkan soal-soal yang berbeda. Adanya fasilitas yang bisa memunculkan langsung hasil perolehan nilai setelah pengerjaan kuis, juga merupakan tampilan yang menarik.
47
