Memahami Konsep Energetika dan Kesetimba

Prosiding Simposium Nasional Inovasi Pembelajaran dan Sains 2011 (SNIPS 2011)
22 23 Juni 2011, Bandung, Indonesia

Hendra Yeni* dan Bunbun Bundjali
Diterima 2 Juni 2011, direvisi 4 Juli 2011, diterbitkan 23 September 2011
Abstrak
Energetika dan kesetimbangan kimia merupakan materi pembelajaran yang dipelajari di SMA maupun di
perguruan tinggi pada pokok bahasan yang saling berkaitan. Konsep energetika dan kesetimbangan kimia
merupakan topik yang sangat penting dalam mempelajari kimia lebih lanjut. Jika hanya dipelajari dari
literatur, siswa sering mengalami kesulitan memahami kedua konsep ini. Kedua konsep ini akan lebih
mudah dipahami dengan percobaan. Kedua konsep dapat dijelaskan dengan menggunakan sel Galvani
sebagai model. Pada penelitian ini, sel Galvani disusun dari bahan murah dan mudah didapat. Rancangan
penelitian ini ditujukan untuk dapat dilakukan di sekolah#sekolah yang memiliki keterbatasan alat#alat
laboratorium. Pada penelitian ini digunakan elektroda Zn dan Fe sebagai anoda dan C sebagai katoda, serta
menggunakan busa bunga (floral foam) sebagai pengganti jembatan garam. Penelitian ini digunakan untuk
menjelaskan hubungan antara persamaan Nernst dan tetapan kesetimbangan. Koefisien suhu, ∂Eo/∂T juga
o
ditentukan untuk memperoleh hubungan antara perubahan energi bebas Gibbs (∆G ), perubahan entalpi
o ,
o
o

(∆H ) dan perubahan entropi (∆S ) reaksi yang terjadi. Perubahan entalpi standar (∆H ) dari sel Galvani
yang menggunakan floral foam ini menunjukkan perbedaan dibandingkan dengan data literatur untuk Zn dan
Fe sebagai anoda berturut#turut 1,99 % dan 5,8 %. Mengingat kesederhanaan metode yang digunakan,
8
kesalahan ini cukup kecil. Nilai tetapan kesetimbangan yang diperoleh berada pada orde >10 sehingga
dapat disimpulkan bahwa reaksi berlangsung sempurna. Dari data yang diperoleh dapat disimpulkan bahwa
energetika dan tetapan kesetimbangan dapat ditentukan dengan menggunakan sel Galvani.
Kata#kata kunci: sel Galvani, energetika kimia, kesetimbangan kimia, floral foam, koefisien suhu
katoda belum dapat dipastikan pada penelitian
tersebut. Oleh karena itu, pengukuran potensial
sel pada berbagai suhu dalam penelitian ini
digunakan
rangkaian
sel
seperti
yang
diilustrasikan Eggen, dkk. Dengan metode
sederhana yang telah diuraikan, maka praktikum
dapat dilakukan dengan rutin di sekolah.

Energetika kimia dan kesetimbangan kimia
merupakan topik yang sangat penting untuk
dikupas pada mata pelajaran kimia. Jika hanya
dipelajari secara teori dari literatur, siswa sering
mengalami miskonsepsi pada materi ini [1, 2].
Kesalahan konsep dapat diatasi dengan metode
praktikum. Pada kenyataannya, banyak sekolah
yang
memiliki
keterbatasan
alat alat
laboratorium. Dengan menggunakan sel Galvani
sederhana, energi reaksi yang terlibat dapat
dihitung tanpa menggunakan kalorimeter.

Potensial sel yang diperoleh dari sel Galvani
dapat digunakan untuk menentukan harga
tetapan
kesetimbangan
reaksi

dengan
menggunakan persamaan Nernst. Energi reaksi
yang terlibat juga dapat dihitung tanpa
menggunakan
kalorimeter.
Potensial
sel
dihubungkan dengan koefisien suhu, ∂E/∂T,
sehingga akan didapat hubungan antara
o
perubahan
energi
bebas
Gibbs
( G ),
o
Perubahan entalpi ( H ), dan perubahan entropi
( So) reaksi [3]. Ketelitian besar dari penentuan
secara listrik sering menyebabkan penentuan
besaran termodinamika dengan cara ini lebih

eksak dari pada penentuan tetapan setimbang
secara langsung atau penentuan kalorimetri dari
entalpi reaksi [5]. Oleh karena itu, penelitian ini
dapat menjelaskan konsep energetika dan
kesetimbangan reaksi dengan alat yang lebih
sederhana menghasilkan data yang lebih akurat.

Saieed [3] telah melakukan penelitian
penentuan kalor reaksi yang terlibat pada sel
Galvani dengan menggunakan pipa U yang
berisi agar agar. Rangkaian yang digunakan
agak rumit. Selain itu, agar agar bisa cair pada
suhu yag lebih tinggi. Penelitian untuk
mengilustrasikan sel Galvani yang lebih
sederhana telah dilakukan sebelumnya dengan
menggunakan floral foam sebagai pengganti
jembatan garam [4]. Selain alatnya terbuat dari
bahan yang murah dan sederhana, alat yang
disusun juga dapat mengilustrasikan bagaimana
susunan sel pada baterai kering yang tidak

menggunakan jembatan garam. Selain itu,
penggunaan floral foam juga memungkinkan
untuk mengukur potensial sel pada suhu yang
lebih tinggi. Namun, reaksi apa yang terjadi pada

ISBN xxx x xxxx xxxx x

1

http://portal.fi.itb.ac.id/cps/

Prosiding Simposium Nasional Inovasi Pembelajaran dan Sains 2011 (SNIPS 2011)
22 23 Juni 2011, Bandung, Indonesia

garam. Rumitnya rangkaian sel sering membuat
siswa bingung.

Pada penelitian ini, potensial sel diukur pada
berbagai suhu sehingga diperoleh koefisien suhu,
∂E/∂T. Koefisien suhu digunakan untuk

menghitung perubahan entalpi dan perubahan
entropi. Perubahan energi bebas Gibbs standar
dinyatakan sebagai :
o

∆G = nFE

o
sel

Eggen dkk. [4] telah membuat rangkaian sel
Galvani sederhana dengan menggunakan busa
bunga sebagai ganti jembatan garam, namun
belum dapat memastikan reaksi apa yang terjadi
pada katoda. Logam Cu bisa diganti dengan
elektroda inert yang tidak teroksidasi oleh ion
Cu2+, misalnya kawat perak atau batang karbon
(grafit). Kedua elektroda ini masing masing
mempunyai kelebihan. Kawat perak lebih
fleksibel dan mudah di bentuk, sedangkan

batang karbon lebih murah dan mudah didapat,
serta sering digunakan sebagai elektroda positif
(katoda) pada baterai. Oleh karena itu, pada
sekolah sekolah menengah atas yang memiliki
keterbatasan alat alat laboratorium tetap dapat
melakukan praktikum dengan menggunakan
grafit dari baterai bekas atau pensil sebagai
katoda.

(1)

o

Selanjutnya, E dapat dihubungkan dengan
tetapan kesetimbangan K dari reaksi redoks.
Hubungan antara ΔG dengan ΔGo dapat ditulis :
ΔG = ΔGo + RT ln Q

(2)
1

Dengan R adalah tetapan gas (8,314 J.K mol 1),
T adalah suhu mutlak reaksi. Jika ∆G bernilai
negatif berarti reaksi berlangsung spontan, jika
bernilai positif berarti reaksi tidak bisa
berlangsung spontan. Karena pada saat
setimbang, ΔG = 0, dan Q = K, dengan K adalah
tetapan kesetimbangan, maka :
ΔGo =

RT ln K

(3)

Secara teori, pada rangkaian tertutup,
elektroda Zn diubah menjadi ion Zn2+ dengan
melepaskan dua elektron [6]. Elektron yang
dilepaskan mengalir dari sirkuit luar menuju
batang karbon dan ditangkap oleh ion Cu2+
mengalami

reduksi
sehingga
ion
Cu2+
membentuk Cu. Terjadinya aliran elektron dari
logam Zn ke batang karbon ditunjukkan dengan
penyimpangan
jarum
voltmeter.
Pada
pengamatan penelitian, peristiwa tersebut juga
ditunjukkan dengan terjadinya korosi pada logam
Zn dan terlihat adanya Cu yang menempel pada
batang karbon (Gambar 2). Selain itu, warna biru
pada larutan CuSO4 juga semakin pudar
(Gambar 3).

Persamaan (1) disubstitusikan ke Persamaan (3),
maka diperoleh :
nFE

o
sel

=

RT ln K

(4)

J.Willard Gibbs (1839 1903) [6] merumuskan
hubungan antara entalpi dan entropi yang
disebut dengan energi bebas Gibbs, G yang
dapat ditulis sebagai :
∆Go = ∆Ho – T∆So

(5)

Dengan menghubungkan potensial sel dengan
o

koefisien suhu, ∂E /∂T, akan didapat hubungan
antara Go, Ho, dan So. Dari Persamaan (1)
dan (5) diperoleh :
P

=

F

P

= So

Karat

(6)

Substitusi Persamaan (6) ke Persamaan (5)
memberikan :
H

o

o

o

= [ nF{E – T (∂E /∂T)}]

(7)

o

Koefisien suhu, ∂E /∂T diperoleh dengan
membuat kurva potensial sel terhadap suhu.
o
Koefisien suhu, ∂E /∂T merupakan slope (a) dari
o
o
kurva. Dengan mensubstitusikan E = ((∂E /∂T)T
+ b ke Persamaan (7), didapatkan Persamaan :
Ho =

nFb

Cu yang
menempel
Gambar 1. Logam pada anoda mengalami
oksidasi (berkarat) dan Cu menempel pada
batang karbon (pensil).

(8)

Pada persamaan di atas, b adalah intercept
grafik dengan mengalurkan potensial sel
terhadap temperatur [3, 5].

Reaksi yang terjadi adalah :
Anoda : Zn ⇋
Katoda : Cu
Sel

Sel Galvani pertama kali dikenalkan dengan
menggunakan sel Daniell klasik. Sel ini terdiri
dua elektroda yang masing masing dicelupkan
ke dalam larutan yang mengandung ion ionnya.
Kedua setengah sel dihubungkan oleh jembatan

ISBN xxx x xxxx xxxx x

2+

Zn2+ + 2e

Eo

+ 2e ⇋ Cu
2+

2+

: Zn + Cu → Zn

+ Cu

= 0,76 V

E

o

= 0,34 V

E

o
sel

= 1,10 V

Potensial sel yang diperoleh dari hasil
percobaan pada suhu 298 K adalah 1,094 V.
Nilai yang diperoleh hampir sama dengan nilai
dari literatur, ini membuktikan bahwa reaksi yang

2

http://portal.fi.itb.ac.id/cps/

Prosiding Simposium Nasional Inovasi Pembelajaran dan Sains 2011 (SNIPS 2011)
22 23 Juni 2011, Bandung, Indonesia
2+

2+

terjadi adalah Zn + Cu ⇋ Zn + Cu. Peristiwa
yang sama juga terlihat jika elektroda seng
diganti dengan besi. Terjadinya reaksi oksidasi
pada besi ditunjukkan dengan terbentuknya
karat.

Gambar 4. Grafik potensial sel pada berbagai
2+

2+

suhu untuk reaksi Fe + Cu ⇋ Fe + Cu

Gambar 2. Perbandingan
sebelum dan setelah reaksi

larutan

Dari kedua grafik hasil pengukuran potensial
sel pada berbagai suhu di atas, terlihat
kecenderungan yang sama, yaitu potensial sel
semakin berkurang dengan meningkatnya suhu.
Kecenderungan tersebut menghasilkan nilai
slope (koefisien suhu, ∂Eo/∂T ) dan perubahan
o
entropi (∆S ) yang bernilai negatif. Nilai ini
sesuai dengan hasil perhitungan dari literatur.
Dari hasil perhitungan, nilai beberapa besaran
2+
2+
termodinamika untuk sel Zn|Zn ||Cu |Cu dapat
dilihat pada Tabel 1.

CuSO4

Reaksi yang terjadi dengan menggunakan
2+
2+
elektroda Fe adalah Fe + Cu ⇋ Fe + Cu.
Nilai potensial sel untuk sel Zn|Zn2+||Cu2+|Cu
yang diukur pada berbagai suhu dialurkan pada
grafik potensial sel terhadap suhu. Dari grafik
diperoleh persamaan regresi linier Y = aX + b,
dengan b adalah intercept dan a adalah slope.
Slope dari kurva merupakan nilai koefisien suhu,
o
∂E /∂T. Dengan menghubungkan potensial sel
o
dengan koefisien suhu (∂E /∂T), didapat
hubungan antara perubahan energi bebas Gibbs,
∆Go, perubahan entalpi, ∆Ho, dan perubahan
o
entropi, ∆S . Grafik hasil pengukuran potensial
sel pada berbagai suhu untuk reaksi
2+
2+
Zn + Cu ⇋ Zn + Cu dapat dilihat pada
Gambar 4.

Tabel 1. Beberapa nilai besaran termodinamika
untuk sel Zn|Zn2+||Cu2+|Cu
Hasil Penelitian
o

E

298

(V)

∂E/∂T (V/K)
∆Ho (kJ)
o

∆S (J/K)
∆Go (kJ)

1,094

Literatur
1,100

4

2,05.10
223,014

218,66

39,565
211,190

20,98
212,55

37

37

1.046.10
1,811.10
Kset
Sumber literatur : Alberty dan Daniels, 1983
o

Dari Tabel 1 dapat dilihat rata rata nilai ∆H
untuk sel
Zn|Zn2+||Cu2+|Cu yang dihitung dari
koefisien suhu (∂Eo/∂T) adalah 223,014 kJ,
sedangkan nilai ∆Ho dari literatur jika dihitung
o
2+
dengan menggunakan data ∆H f Cu (aq) dan
2+
Zn (aq) adalah 218,66 kJ untuk reaksi
Zn(s) + Cu2+(aq) ⇋ Zn2+(aq) + Cu(s). Dari nilai
tersebut dapat dilihat bahwa metode sel Galvani
sangat baik digunakan untuk menentukan nilai
o
∆H reaksi dengan persentase kesalahan kurang
dari 2 % jika dibandingkan dengan nilai dari
literatur. Tetapi untuk sel Fe|Fe2+||Cu2+|Cu,
persentase kesalahannya 5,8 %. Nilai beberapa
2+
2+
besaran kimia untuk sel Fe|Fe ||Cu |Cu dapat
dilihat pada Tabel 2.

Gambar 3. Grafik potensial sel pada berbagai
suhu untuk reaksi Zn + Cu2+ ⇋ Zn2+ + Cu
Pada sel Galvani yang dirangkai dengan
mengganti elektroda Zn dengan elektroda Fe,
gelas kimia tetap diisi dengan larutan CuSO4 1
M, tetapi busa bunga diisi dengan larutan garam
Na2SO4 1 M. Penggantian zat dilakukan karena
keterbatasan zat yang mengandung ion ion
logam yang digunakan seperti FeSO4. Grafik
hasil pengukuran potensial sel pada berbagai
2+
2+
suhu untuk sel Fe|Fe ||Cu |Cu dapat dilihat
pada Gambar 5.

ISBN xxx x xxxx xxxx x

Adanya penyimpangan nilai yang diperoleh
dibandingkan dengan nilai literatur disebabkan
karena aktivitas zat terlarut yang digunakan tidak
persis 1, tetapi dengan konsentrasi larutan 1 M.
Walaupun demikian, dapat dilihat bahwa
energetika reaksi kimia dapat ditentukan dengan
menggunakan sel Galvani.

3

http://portal.fi.itb.ac.id/cps/

Prosiding Simposium Nasional Inovasi Pembelajaran dan Sains 2011 (SNIPS 2011)
22 23 Juni 2011, Bandung, Indonesia

Tabel 2. Beberapa nilai besaran termodinamika
untuk sel Fe| Fe2+||Cu2+|Cu
Hasil Penelitian
Eo298

(V)

∂E/∂T (V/K)
∆Ho (kJ)
o

∆S (J/K)
∆Go (kJ)

0,784

[1] Ochs,
R.S.,
“Thermodynamics
and
Spontaneity”, J. Chem. Educ 73, 952 954
(1996)
[2] Cacciatore, K.L., Amado, J., Evans, J.J.,
dan Sevian, H., “Connecting Solubility,
Equilibrium, and Periodicity in a Green,
Inquiry Experiment for the General
Chemistry Laboratory”, J. Chem. Educ 85,
251 – 253 (2008)
[3] Saieed, A.E. dan Davies, K.M., “A Simple
Method for Determining the Temperature
Coefficient of Voltaic Cell Voltage”, J. Chem.
Educ 73, 959 962 (1996)
[4] Eggen, P.O., Gronneberg, T., dan
Kvittingen, L., “Small Scale and Low Cost
Galvanic Cells”, J. Chem. Educ 83, 1201
1203 (2006)
[5] Alberty, R.A. dan Daniels, F., “Kimia Fisika,
Edisi kelima”, Penerbit Erlangga, Jakarta,
1983, p. 189 190
[6] Chang, R., “Chemistry, Sixth Edition”,
Penerbit Mc Graw Hill, New York, 1998, p.
560 578, 726 747
[7] Harvey, D., “Modern Analytical Chemistry”,,
Mc Graw Hill, New York, 2000, p. 136 138

Literatur
0,780

4

2,0.10
162,834

153,87

38,60
151,312

32,23
144,39

26

25

3,338.10
2,042.10
Kset
Sumber literatur : Alberty dan Daniels, 1983
Dalam pokok bahasan termokimia telah
dijelaskan bahwa pengukuran energetika reaksi
dilakukan berdasarkan kalor yang dilepaskan
atau yang diserap. Alat yang digunakan adalah
kalorimeter. Kalorimeter sederhana dapat
digunakan untuk mengukur besarnya kalor yang
menyertai reaksi asam basa, sedangkan
kalorimeter Bomb digunakan untuk mengukur
kalor yang menyertai reaksi pembakaran. Sel
Galvani dapat digunakan untuk menentukan
energetika reaksi dengan mengukur potensial
sel reaksi yang terjadi. Oleh karena itu,
energetika reaksi untuk reaksi redoks yang
dapat diukur potensial selnya dapat ditentukan
tanpa menggunakan alat kalorimeter Bomb yang
harganya jauh lebih mahal. Metode ini sangat
cocok diterapkan di sekolah sekolah yang
kekurangan alat laboratorium karena bahan
yang digunakan mudah didapat dan harganya
yang murah.

Hendra Yeni*
MA Kampar Timur, Jl. Pekanbaru Bangkinang KM.35,
Riau, 28461
y3n_85@yahoo.co.id

Bunbun Bundjali
KK Kimia Fisika dan Anorganik ITB, Jl. Ganesa
No. 10 Bandung, 40132
bunbun@chem.itb.ac.id

Nilai tetapan kesetimbangan reaksi dapat
dihitung dengan menggunakan persamaan
Nernst. Dari hasil perhitungan, nilai tetapan
2+
2+
kesetimbangan untuk sel Zn| Zn ||Cu |Cu dan
2+
2+
Fe| Fe ||Cu
|Cu berturut turut adalah
1,046.1037 dan 3,338.1026. Dari nilai tetapan
kesetimbangannya, dapat dikatakan bahwa
kedua reaksi berlangsung sempurna (Nilai K
8
berada pada orde > 10 ) [7].

*Corresponding author

Nilai ∆Ho reaksi dapat ditentukan dengan
menggunakan sel Galvani dengan mengukur
potensial sel reaksi pada berbagai suhu. Nilai
∆Ho reaksi yang diperoleh untuk
sel
Zn|Zn2+||Cu2+|Cu adalah 223,014 kJ, sedangkan
2+
2+
untuk sel Fe|Fe ||Cu |Cu adalah 162,834 kJ.
Tetapan kesetimbangan reaksi sel berturut turut
adalah 1,046.1037 dan 3,338.1026.

Penulis sangat berterima kasih kepada
Kementerian Agama RI atas bantuan beasiswa
penuh yang diberikan kepada penulis pertama
selama pendidikan.

ISBN xxx x xxxx xxxx x

4

http://portal.fi.itb.ac.id/cps/