BATTERIES CORROSION OF IRON

TOPIK 10PENGGUNAAN ELEKTROKIMIA

BATERIKAKISAN BESI

Satu daripada aplikasi elektrokimia dalam kehidupan harian ialah bateri. Bateri ialah alat yang dapat mengubah tenaga kimia kepada tenaga elektrik. Ada bateri yang mengandungi satu sel voltan (voltaic cell) dengan dua elektrod dan elektrolit yang sesuai. Terdapat juga bateri yang mengandungi dua atau lebih sel voltan yang disambung secara bersiri untuk meningkatkan jumlah voltan yang dapat dibekalkan.Banyak jenis sel kimia telah dihasilkan dari semasa ke semasaIni adalah untuk menampung keperluan sumber tenaga elektrik yang mudah alih dalam kehidupan harian kita. Antaranya termasuklah sel kering, sel alkali, akumulator asid-plumbum, sel merkuri, dan sel nikel-kadmium.Bateri menyimpan tenaga kimia dan boleh diubah menjadi tenaga elektrik.Penghasilan bateri: -2 logam berbeza dicelup dalam larutan elektrolit. Elektron mengalir dari logam reaktif ke logam yang kurang reaktif & menghasilkan arus elektrik.Bateri terbahagi kepada tiga jenis iaitu:Bateri primer atau sel primer: Tindakbalas dalam bateri ini tidak boleh berbalik.Apabila semua bahan tindakbalas bertukar kepada hasil tindakbalas, arus elektrik tidak akan dihasilkan lagi.

Bateri sekunder atau sel sekunder: Tindakbalas dalam sel ini boleh berbalik dimana hasil tindakbalas boleh membentuk bahan tindakbalas semula apabilaarus dilalukan kepadanya (proses mengecas). Ini bermakna bateri jenis ini bolehmelalui beratus-ratus proses discas ketika menggunakannya dan proses cas apabila dilalukan elektrik kepadanyaBateri bahan api: Bateri ini ialah bateri yang hanya akan berfungsi apabila bahanapi di bekalkan secara berterusan atau secara tetap ke dalamnya dan hasiltindakbalas juga dikeluarkan secara tetap darinya.Kepentingan dan kesan industri elektrokimia

Industri elektrokimia adalah penting dan diperlukan dalam kehidupan harian kita. Bahan seperti gas oksigen, O2, gas klorin,Cl2, dan logam yang sentiasa diperlukan dapat dihasilkan melalui elektrolisis. Proses penyaduran logam digunakan secara meluas bagi tujuan mencegah kakisan dan memperbaik rupa bentuk sesuatu logam.Pelbagai jenis sel dan bateri dalam saiz dan bentuk yang berlainan terdapat dalam pasaran. Kita memerlukannya untuk pengendalian kereta, komputer, telefon bimbit, jam tangan, dan alat mainan kanak-kanak. Apakah yang akan terjadi kepada kehidupan harian kita tanpa barangan ini?Pembangunan industri elektrokimia telah menyebabkan pencemaran alam sekitar. Sisa buangan industri ini beracun. Oleh hal yang demikian, sisa buangan ini hendaklah dirawat, diurus, dan dilupuskan secara selamat dan terancang

Bateri kering/ sel kering

PenutupBekas zink(Anod)Pasta MnO2(katod)Rod karbonPasta NH4Cl + ZnCl2 (elektrolit)+_

Ia terdiri daripada zink yang bertindak sebagai bekas dan juga elektrod negatif bagi bateri ini dan karbon yang disaluti dengan campuran manganum dioksida dan serbuk karbon sebagai elektrod positif. Sebab itu bateri ini disebut juga bateri zink-karbon.Sementara elektrolitnya ialah pasta zink klorida dan ammonium klorida.

Tindakbalas kimia yang berlaku dalam bateri ini adalah seperti berikut:

i. Elektrod negatif: Zink akan dioksidakan kepada ion zinkii. Elektrod positif: Ion ammonium dalam elektrolit akan menerima elektron di terminal ini dan berlaku tindakbalas seperti berikut:Tindakbalas keseluruhan : Serbuk karbon yang dicampurkan dengan manganum dioksida tidak mengambil bahagian dalam tindakbalas ini. Ia hanya berfungsi untuk meningkatkan kekonduksian elektrik dalam sel.Kelebihan: Mudah alih Murah Voltan yang stabil, iaitu 1.5 V

Kekurangan:

Tidak boleh dicas semulaBateri zink kloridaBateri zink klorida adalah hasil penambahbaikan dari bateri kering. Elektrod sel inimenggunakan bahan kimia yang lebih tulen, dan memberikan voltan yang yang lebih tetap dalam tempoh masa yang lebih lama. Biasanya ia dilabelkan sebagai Heavy DutyBateri ini dapat membekalkan tenaga elektrik 50 % lebih tinggi dari bateri kering zink-karbon. Anod dan katod bagi bateri ini sama dengan bateri zink-karbon. Yang berbezanya ialah elektrolitnya yang diperbuat daripad zink klorida sahaja

Tindakbalas keseluruhan dalam bateri zink klorida ialah

Zn(p) + 2 MnO2(p) + ZnCl2(ak) + 2 H2O(c) 2 MnO(OH)(p) + 2 Zn(OH)Cl(ak)

Bahan yang dioksidakan :

Bahan yang diturunkan :Bateri alkaliKonsep pembinaan bateri ini adalah sama dengan bateri zink-karbon cuma dalam bateri alkali, ammonium klorida digantikan dengan kalium hidroksida atau natrium hidroksida. Ia dapat membekalkan tenaga elektrik 500 % lebih tinggi dari bateri keringDilabelkan sebagai heavy duty.Bateri alkali tahan lebih lama kerana logam zink sebagai anodnya mengkakis kurang cepat dalam keadaan bes berbanding dalam keadaan asid.

Copyright 1999, PRENTICE HALLChapter 2016BATERI ALKALI

Penutup anodCopyright 1999, PRENTICE HALLChapter 2017BATERI ALKALIAnode: penutup Zn :Zn(s) Zn2+(aq) + 2e- Katod: MnO2, NH4Cl dan pasta C :2NH4+(aq) + 2MnO2(s) + 2e- Mn2O3(s) + 2NH3(aq) + 2H2O(l)Rod grafit di tengah adalah katod lengai.Bagi bateri alkali, NH4Cl digantikan kepada KOH.Anod : serbuk Zn dicampur dalam gel:Zn(s) Zn2+(aq) + 2e- Katod: penurunan MnO2. Sel-sel beralkali dapat mengatasi beberapa masalah pada bateri karbon-zink dengan di mana kalium hidroksida digunakan sebagai elektrolit menggantikan ammonium klorida . Kalium hidroksida adalah sebagai bahan beralkali, maka dipanggil bateri "alkali". Tindak balas setengah adalah:Anod : Zn(s) + 2OH-(aq) -> Zn(OH)2(s) + 2e- Katod : 2MnO2(s) + H2O(l) + 2e- -> Mn2O3(s) + 2OH-(aq) Sel-sel ini mempunyai jangka hayat yang lebih lama dan berfungsi lebih baik di bawah saliran dan dalam cuaca sejuk. Penggunaan ion ammonium zink mengakis dielakkan agar tiada menghasilkan sebarang produk gas.

Kelebihan: Mudah alih Voltannya 1.5 V Tahan lama

Kekurangan:

Tidak boleh dicas semula Mudah bocorNikel-kadmiumBeroperasi dengan prinsip yang sama seperti akumulatorasid plumbum

Tetapi menggunakan bahan kimia yang berlainan. Terminal negatif : Kadmium Terminal positif : Nikel (IV)oksida Elektrolit : Larutan kalium hidroksida

Digunakan dalam alat-alat elektrik seperti gerudi,peralatan tanaman, dan alat-alat mudah alih yang lain serta lampu kecemasan

Sel nikel-kadmiumKelebihan: Mudah alih Boleh dicas semula sehingga beratus-ratus kaliKekurangan: Menghasilkan voltan yang rendah Berat MahalSel merkuriBerbentuk butangMembekalkan arus 1.2VTerminal negatif : zinkTerminal positif : Merkuri (II)oksidaElektrolit : Campuran zinkhidroksida dan larutan kalium hidroksidaDigunakan dalam jam tangan dan kamera

Sel merkuriKelebihan: Mudah alihKekurangan: Tidak boleh dicas semula Menghasilkan voltan 1.3 V sahaja BeracunJenis-jenis BateriAsid Plumbum

Elektrodnya adalah barisan plumbum berkilat yang mengandungi plumbum oksida di mana kandungannya boleh berubah semasa pengecasan atau penyahcasan. Elektrolit adalah asid sulfurik cair. Plumbum bateri yang tulen (Plumbum-plumbum oksida) mempunyai jangka hidup yang panjang (25 tahun atau lebih), dengan kadar arus kapasiti nyahcas yang tinggi. Bateri asid plumbum masih 99% pilihan sebagai bateri PV dan sistem kuasa simpanan.Bateri ini adalah salah satu bateri bolehcas yang diguna secara meluas di seluruh dunia. Ia membekalkan tenaga elektrik 12V dan biasanya digunakan sebagai sumbertenaga elektrik bagi kenderaan, jentera berat, kapal selam dan alat kecemasan dihospital. Bateri ini terdiri daripada enam sel asid-plumbum yang disambung secara bersiri dan disebut juga bateri basah kerana elektrolitnya dalam bentuk cecair iaitu asid sulfurik cair. Anod bagi bateri ini ialah logam plumbum dan katod pula ialah plumbum(II) oksida yang disalut pada logam plumbum.Copyright 1999, PRENTICE HALLChapter 2026Bateri kereta 12 V mengandungi 6 pasang cathode/anode setiap satu menghasilkan 2 V.Katod: PbO2 on a metal grid in sulfuric acid: PbO2(s) + SO42-(aq) + 4H+(aq) + 2e- PbSO4(s) + 2H2O(l)Anod: Pb:Pb(s) + SO42-(aq) PbSO4(s) + 2e-

PbO2 ditampal dalam jaringan Pb (katod)Pb ditampal dalamjaringan Pb (anod)PemisahCopyright 1999, PRENTICE HALLChapter 2027Tindakbalas keseluruhanPbO2(s) + Pb(s) + 2SO42-(aq) + 4H+(aq) 2PbSO4(s) + 2H2O(l)for whichEcell = Ered(cathode) - Ered(anode) = (+1.685 V) - (-0.356 V)= +2.041 V.Kayu atau gentian kaca peruang digunakan untuk mencegah elektrod dari bersentuh.Copyright 1999, PRENTICE HALLChapter 2028BATERI ASID PLUMBUM

Tindakbalas redoks yang berlaku di dalam bateri semasa digunakan (discas) dan semasa mengecas.Semasa digunakan mendakan Plumbum(II) sulfat akan terbentuk dan menyaluti elektrod. Ini menjadikan kuasa bateri semakin berkurang. Tetapi apabila bateri ini disambungkan kepada sumber elektrik ia akan dicas semula. Plumbum (II) sulfat akan terurai kepada Plumbum (II) oksida semulaKelebihan:

Boleh dicas semula Voltannya boleh ditingkatkan

Kekurangan: Berat Mahal Mudah tertumpahBateri bahan apiBahan api fosil adalah sumber utama tenaga tetapi pertukaran bahanapi fosil ini kepada tenaga elektrik adalah satu proses yang tidak efisien. Hanya 40 % daripada tenaga kimia hasil pembakaran bahanapi dapat ditukarkan kepada tenaga elektrik. Oleh kerana pembakaran adalah sejenis tindakbalas redoks maka pertukaran tenaga kimia dalam bahanapi kepada tenaga elektrik boleh dibuat secara elektrokimiaBateri bahan api ialah sel elektrokimia yang memerlukan bahanapi dibekalkan secara berterusan di anod untuk dapat berfungsi. Ia terdiri daripada anod lengai (inert anodes)di mana agen penurunan atau bahanapi dibekalkan dan kemudiannya dioksidakan. Dikatod pula, juga jenis logam lengai, agen pengoksidaan dibekalkan bagimengoksidakan bahanapi tersebut. Elektrolit biasanya adalah larutan kalium hidroksidap anas. Bahanapi yang digunakan boleh dalam bentuk gas dan cecairSatu contoh bateri bahan api yang paling mudah ialah sel bahan api hydrogen-oksigen.Ia terdiri daripada karbon poros yang mengandungi nikel sebagai anod, karbon poros yang mengandungi nikel dan nikel oksida sebagai katod larutan kalium hidroksida panas sebagai elektrolit.Nikel dan nikel oksida yang digunakan ini bertindak sebagai mangkin kepada tindakbalas. 34Pengeluaran langsung elektrik daripada bahan api berlaku dalam sel bahan api.Pada kapal angkasa Apollo, sel bahan api H2-O2 merupakan sumber utama tenaga elektrik.

Katod: Penurunan oksigen:2H2O(l) + O2(g) + 4e- 4OH-(aq)Anode:2H2(g) + 4OH-(aq) 4H2O(l) + 4e- Tindakbalas kimia yang berlaku ini akan ditukarkan kepada tenaga elektrik selagi bahan api terus dibekalkan secara tetap di anod dan hasilnya iaitu air sentiasa dikeluarkan secara tetap dari sel. Sel ini biasanya digunakan dalam kapal angkasa dan kapal selam.Copyright 1999, PRENTICE HALLChapter 2036SEL BAHAN API ( Fuel Cells)

Apa itu Kakisan?

Kakisan merupakan proses elektrokimia. Kakisan adalah kegagalan, kerosakan ,kemerosotan atau 'degradasi' logam akibat tindak balas redoks antara suatu logam dengan oksigen yang memberikan hasil tindakbalas atau zat yang lain. Kakisan juga disebut sebagai karat.Ketika kakisan bermula, logam akan mengalami pengoksidaan, sedangkan oksigen (udara) mengalami tindakbalas penurunan. Karat logam umumnya adalah berupa oksida atau karbonat. Formula kimia karat besi adalah Fe2O3.nH2O, suatu zat padat yang berwarna coklat-merah.1. Besi akan terkakis jika atom besi melepaskan elektronnya:Fe Fe2+ + 2e (PENGOKSIDAAN)2. Oleh itu besi hanya akan terkakis jika oksigen dan air yang bertindak sebagai agen pengoksidaan bersentuhan dengan besi.

KAKISAN BESI41KAKISAN BESI

Oleh kerana kepekatan oksigen terlarut di bahagian tengah titisan air adalah lebih rendah daripada bahagian pinggirnya, maka atom besi di bahagian tengah titisan air mengalami proses pengoksidaan: Fe Fe 2+ + 2e ( Pengoksidaan ) Elektron yang dilepaskan oleh atom besi bergerak ke pinggir titisan air.

molekul oksigen dan molekul air mengalami proses penurunan:

O2+ 2H2O + 4e 4OH- ( Penurunan )

Ion ferum(II) yang terhasil akan berpadu dengan ion hidroksida untuk membentuk mendakan ferum(II) hidroksida. Fe2+ + 2OH- Fe(OH)2 (p) Ferum(II) hidroksida akan dioksidakan oleh oksigen di udara kepada ferum(III) oksida terhidrat yang berwarna perang yang dipanggil karat besi. 2Fe(OH)2 (p) Fe2O3.x H2O (p) karat besi

44KAKISAN BESIOleh kerana Eox(Fe2+) < Ered(O2) maka besi boleh dioksidakan oleh oxygen.Di anod: besi (ferum) larut untuk membentuk ion-ion ferum(II) Anod: Fe(s) Fe2+(aq) + 2e-.Di katod: Elektron-elektron yg terhasil bergerak di sepanjang permukaan logam itu ke katod. Penurunan oksigen kpd ion-ion hidroksida berlaku disebabkan kepekatan oksigen terlarut yang tinggi

katod: O2(g) + 4H+(aq) + 4e- 2H2O(l).

Fe2+ yang terbentuk akan terus dioksida kepada Fe3+ bagi membentuk karat, Fe2O3.xH2O(s).

faktor-faktor yang mempercepatkan kakisan besi

Kehadiran:garam terlarut (air masin)sebatian berasid yang terlarut (kawasan perindustrian yang membebaskan SO2,CO2 dan NO2apabila kekoduksian air bertambah, proses kakisan besi dipercepatkan

Lapisan Pelindung

Lapisan pelindung menghalang logam terdedahkpd kelembapan dan oksigen.Contoh Lapisan pelindung adalah cat, saput plastik, minyak, gris, atau logam yang kalis karat(emas, argentum, kuprum,aluminium, nikel) pada permukaan logam

2. PengaloianLogam boleh dialoi dgn bahan yang sesuai untuk meningkatkan rintangannya terhadap kakisanKeluli nirkarat merupakan aloi ygmengandungi besi dan 18% nikel serta 8%kromium yang meningkatkan ketahananterhadap pengaratan

Perlindungan Katod

Penggalvanian adalah penyalutan besi dgn lapisan nipiszink.Penggalvanian melindungi besi dpd berkarat walaupunselepas permukaan galvani tercalar dan besi terdedah.Elektrod zink (anod) dikenali sebagai elektrod korban krn ialebih elektropositif dpd besi dan mengalami kakisan untukmelindungi besi dpd berkaratPenyaduran stanum tidak melindungi besi selepas lapisan luar tercalar. Apabila permukaan stanum tercalar, besi yg lebih elektropositif dpd stanum akan berkarat dgn lebih cepat.Kebaikan penyaduran stanum berbanding penyaduran zinkialah stanum tidak beracun dan boleh digunakan dalampengetinan makanan dan minuman.

50Besi tergalvani disalut dengan lapisan nipis zink.Zink melindungi besi dimana Zn adalah anod dan Fe adalah katod

Zn2+(aq) +2e- Zn(s), Ered = -0.76 VFe2+(aq) + 2e- Fe(s), Ered = -0.44 V

Zn berada di atas Fe pada keupayaan penurunan piawai, maka Zn adalah lebih mudah untuk mengoksidakan daripada FeKapal dilindungi daripda berkarat dengan menyambungnya dengan blok Zn yg mudah terkakis untuk melindungi besi

51 MENGHALANG KAKISAN BESI

52 Paip keluli bawah tanah disambungkan kpd magnesium yg bertindak sebagai anod korban dan melindungi besi dpd berkarat.Paip air bertindak sebagai katod dan active metal is sebagai anode.biasanya, Mg digunakan sebagai anod:

Mg2+(aq) +2e- Mg(s), Ered = -2.37 VFe2+(aq) + 2e- Fe(s), Ered = -0.44 V53Menghalang kakisan Besi