Elektroda Selektif Ion [PDF]

Citation preview

TEKNIK ANALISIS CEMARAN ANION NONORGANIK DALAM AIR LIMBAH MENGGUNAKAN ELEKTRODA SELEKTIF ION



Oleh Mei Basuki



PUSAT PENELITIAN KIMIA LEMBAGA ILMU PENGETAHUAN INDONESIA



Pendahuluan



Elektroda Selektif Ion (ESI) 



elektroda membran yang dapat mendeteksi ion dan/atau gas tertentu (analit) secara selektif dalam suatu larutan yang mengandung ion – ion dan/atau gas terlarut lainnya







ESI yang paling umum dikenal dan digunakan adalah elektroda pH







Contoh ion-ion yang dapat dideteksi oleh ESI ialah , florida (F -),bromida (Br -), kadmium (Cd 2+), tembaga (Cu 2+), dan gas yang terlarut seperti amoniak (NH3), karbon dioksida (CO2), oksida nitrogen, dan oksigen (O2)







Penggunaan ESI dalam analisis lingkungan memberikan beberapa keuntungan : + tidak mahal dan mudah digunakan, baik di lapangan maupun di laboratorium + rentang konsentrasi lebar, < 1 s/d 1000 an ppm + tidak terpengaruh warna atau turbiditas + ideal untuk memantau polutan atau kualitas air



Kurva Hubungan Kadar Ion Nitrat Vs. Potensial (Semi-Log) -100 -80 -60 Potensial (mV)



-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 0,1



1



10



100



Kadar Nitrat (ppm)



1000



10000



+ Rangkaian peralatan sederhana, terdiri dari sebuah voltmeter, elektroda dan bahan kimia penyesuai larutan



Cara Kerja ESI ESI (termasuk elektroda pH) bekerja berdasarkan prinsip dasar sel galvani (Meyerhoff dan Opydicke)



Elektrode Ion Selektif



Elektrode Pembanding



Aliran Arus Listrik



Dengan mengukur potensial listrik pada membran yang dihasilkan oleh ion tertentu dan membandingkannya dengan potensial eletroda pembanding maka konsentrasi analit dapat ditentukan.



Teori Dasar Pengukuran ESI 



Elektroda pH •



mengukur konsentrasi ion hidrogen (keasaman satu larutan)  pH: -log [H+] contoh, pH = 7 menujukan konsentrasi ion hidrogen sebesar = 1 x 10 -7 mole per liter.



•



komponen penting dari elektroda pH adalah membran gelas yang hanya bisa dilalui (permeabel) ion hidrogen, tidak dapat dilalui ion lain.



•



Pengukuran konsentrasi berdasarkan pada persamaan Nernst, 2,303RT E= E + x log [A] nF 0



dimana, E



= potensial total (mV) yang terbentuk antara ESI dengan elektroda pembanding (EP) Eo = konstanta (karakteristik untuk pasangan ESI/EP) R = konstanta gas (8,314 joules/derajat/mol) T = temperatur absolut n = muatan ion F = konstanta Faraday (96500 coulomb) log [A] = logaritma konsentrasi analit.



2,303RT  nilai kemiringan kurva antara E vs log [A] nF



Kurva Kalibrasi Semi-Log Ion Nitrat (Kadar Nitrat 0,1 - 2000 ppm)



y = -20,819Ln(x) + 82,218 R2 = 0,972



-100,00 -80,00 -60,00 Potensial (mV)



-40,00 -20,00 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 0,1



1



10



100



Kadar Nitrat (ppm)



1000



10000



Penggunaan praktis : -



-



pembuatan kurva kalibrasi secara manual tidak perlu dilakukan, karena biasanya elektroda pH dihubungkan dengan pH meter khusus yang dapat melakukan kalibrasi secara otomatis. pH meter menghitung nilai kemiringan kurva dan menghitung nilai pH dan menampilkannya pada layar



Prinsip dasar ini sama untuk ESI yang lain.



Aplikasi ESI secara Global



Aplikasi Aplikasi Elektroda Selektif Ion



Rentang Penggunaan ESI



Jenis ESI Umum •



EIS tersedia dalam berbagai bentuk dan ukuran (tergantung pada pabrik pembuat ESI)



•



hampir tidak ada keterangan lengkap tentang konstruksi bagian dalam ESI (rahasia pabrik)



•



hampir semua ESI berbentuk silinder, terbuat dari plastik, dengan ukuran diameter antara 5 -15 mm, panjang 10 -15 cm



•



membran ion selektif terletak pada salah satu ujung silinder, sedemikian rupa sehingga larutan analit hanya dapat kontak dengan membran bagian luar. Bagian dalam membran dihubungkan dengan alat ukur potensial (Voltmeter) melalui kawat logam. Teknologi Elektroda Selektif Ion Konvensional



Jenis Membran PVC



Kini



Jenis Membran Kristal



Elektroda Padat



Membran ion selektif : 1. membran kristal 2. film plastik atau karet yang diimpregnasi dengan molekul organik sebagai pembawa ion. contoh 1 : ESI fluorida (F-) membran terdiri dari kristal lantanum fluorida contoh 2 : ESI kalium (K+) membran berupa film PVC yang diimpregnasi dengan antibiotik valinomycin yang dapat membentuk kompleks dengan kalium.



Contoh lain : Kation : amonium (NH4+), Ba2+, Ca2+, Cd2+, Cu2+, Pb2+, Hg2+, K+, Na+, Ag+. Anion : Br-, CO32- , Cl-, CN-, F-, I-, NO3-, NO2-, ClO4-, S-, SCN-.



A



B



A. SKEMA GAMBAR ELEKTRODA PEMBANDINGAN PENGHUBUNG GANDA B. SKEMA GAMBAR ELEKTRODA PEMBANDINGAN TUNGGAL



A.KETERANGAN GANDA



ELEKTRODA



PEMBANDING



PENGHUBUNG



1. Konduktor 2. Penutup; 3. Tabung gelas; 4. Elektroda Ag/AgCl; 8 Larutan isian di dalam tabung bagian dalam (amonium sulfat); 9 Larutan isian di dalam tabung bagian luar (KCl); 10 Bagian penghubung cairan dalam tabung inner (keramik); 11 Gelas pelindung cairan penghubung pada dinding luar elektroda; 12 Lubang untuk memasukkan Larutan Isian {(NH 4)2SO4} dalam Tabung Bagian Dalam; 13 Lubang untuk memasukkan Larutan Isian KCl dalam tabung.



Variabel yang mempengaruhi pengukuran 1. Elektroda Pembanding (EP) -



memiliki nilai potensial tertentu ion-ion dalam larutan pengisi tidak bereaksi dengan ion-ion dalam larutan contoh.



2. Temperatur -



pengukuran harus dilakukan pada temperatur yang tetap.



mV 1000 C 500 C 00 C



Titik isopotensial



C



2,303RT Kemiringan kurva (S) ~ nF



Bila T ↑ , maka S ↑



3. Kekuatan Ion -



plotting nilai konsentrasi vs potensial (mV) menghasilkan kurva yang hampir lurus. Sebenarnya terjadi pelengkungan kurva pada daerah konsentrasi tinggi.



-



penyebab kelengkungan adalah bahwa pada membran ESI, nilai potensial tidak bergantung pada konsentrasi total, tapi pada konsentrasi efektif (keaktifan)



-



dengan bertambahnya konsentrasi, gaya-gaya mekanik dan listrik (karena kerumunan ion) menurunkan mobilitas ion dalam larutan, dan menghasilkan konsentrasi efektif (keaktifan), a)



a = f.C a f C



= keaktifan = koefisien keaktifan = konsentrasi



4. pH Larutan H+ atau OH- dapat bereaksi dengan ion dalam larutan sehingga mengurangi jumlah ion bebas yang diukur pada permukaan ESI.



mV



C



Dari persamaan Nernst : E = Eo + S log a



Persamaan diatas dapat ditulis E = Eo + S log f C Bila temperatur konstan, maka S akan tetap Jika f dapat di buat tetap, maka S log f akan menjadi konstan, sehingga E = Eo + S log C f dibuat konstan dengan cara menyamakan kekuatan ion dalam contoh dan standar melalui penambahan garam yang tidak bereaksi dengan analit secara berlebih. Larutan garam diatas disebut sebagai Ionic Strength Adjusts (ISA)



5. Ion Pengganggu pemberian reagen untuk menghilangkan ion yang dapat mengganggu pada reaksi di permukaan elektroda perlu dipertimbangkan. contoh : - penambahan Ag2SO4 untuk mengendapkan Cl- pada penentuan NO3- penambahan EDTA (zat pengkompleks) untuk mengomplekskan Fe2+ pada pembentukan F-



Prosedur Pengukuran a.



Penambahan ISA/ISAB penambahan ISA dimaksudkan agar semua ion analit memiliki kekuatan semua ion yang sama, sehingga menghindari terjadinya kesalahan karena perbedaan keaktifan dan konsentrasi.



b. Pengukuran potensial larutan diaduk 50-100 rpm selama ESI tercelup dalam larutan hindari terjadinya perpindahan panas antara pengaduk dan larutan pembacaan meter pada saat nilai potensial cukup stabil. (biasanya setelah beberapa menit). c. Pencucian Elektroda diantara pengukuran satu dan berikutnya, elektrode harus dibersihkan dengan cra menyemprot dengan “deionized water” dan mengeringkannya dengan kertas tisu.



Metode Analisis a. Pengukuran Langsung • paling sederhana dan paling banyak digunakan • membuat kurva kalibrasi, melalui pengukuran larutan standar dari berbagai konsentrasi • mengukur potensial larutan contoh • tentukan konsentrasi dari kurva kalibrasi



b. Adisi dengan menambahkan larutan standar kedalam larutan contoh - matriks larutan bervariasi dari satu contoh dan contoh lainnya - contoh hanya satu - larutan mengandung banyak Zat pengompleks.



Kurva Kalibrasi Semi-Log Ion Nitrat y = -23,811Ln(x) + 103,89 (Kadar Nitrat 5 - 500 ppm) R2 = 0,9993



-60,00 -40,00 -20,00 Potensial (mV)



0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 0,1



1



10 Kadar Nitrat (ppm)



100



1000



Adisi standar : E1 = Eo + S log S Cs  Cs + y Cstd  E 2 = E 0 = s log f   1 + y    Cs + y Cstd  ΔE = E 2 − E1 = S log   ( ) 1 + y C s   y Cstd Cs = ΔE



(1 + y ) 10 s



Cs Cstd y



− y



= konsentrasi analit = konsentrasi standar = volume standar/volume analit



Adisi Sampel : E1 = Eo + S log Cstd



 y Cstd + Cs  E 2 = E 0 + Slog   1 + y    y Cstd + Cs  ∆ E = E 2 − E1 = S log    (1 + y ) Cstd  ΔE   s Cs = Cstd  (1 + y ) 10 − y   



Pemeliharaan ESI -



Pelihara dan hindari kerusakan pada permukaan membran



-



Bila elektroda sering digunakan, penyimpanan elektroda dapat dilakukan dengan menggantungnya pada “electrode holder” dan membiarkan membran terbuka di udara, lindungi dengan gelas kimia



-



Untuk penyimpanan waktu lama (dalam lemari atau laci) lindungi permukaan membran dengan penutup plastik/ karet



METODE YANG SUDAH DIKENAL DAN DIREKOMENDASI Species Measured



ASTM



EPA



APHA



AOAC



USGS



ACIDITY



D1067-88



305.1, 305.2



2310B



984.24



I-1020



ALKALINITY



D1067-88



310.1



2320B



973.43



I-1030



AMMONIA



D1426-89



350.3



4500-NH3 (F), (G)



 



I-1524



BROMIDE



D1246-88



60 FR 37974 (6)*



 



 



 



CARBON DIOXIDE



D513-88A



 



 



 



 



CHLORIDE



D512-89



60 FR 37974 (6)*



4500-CL (D)



971.27, 980.25



 



CHLORIDELEACHABLE



F1277-90



 



 



 



   



CHLORIDE BY TITRATION



 



 



 



962.05, 962.07, 963.05, 966.10, 969.10



CHLORIDE TOTAL IN COAL



D4208-88



 



 



 



 



CHLORINE-RESIDUAL



 



59 FR 62456*



4500-CL (I)



 



 



CHLORINE IN ORGANICS



E256-91



 



 



 



 



CONDUCTIVITY



D1125-91



120.1



2510B



 



 



CYANATE



 



 



4500-CN (L)



 



 



CYANIDE



D2036-89A



60 FR 37974 (6)*



4500-CN (E) (F)



 



 



FLUORIDE



D3868-79 D1179-88B D1179-88A



59 FR 62456 60 FR 37974 (6)*



4500-F (C)



984.37 975.08 973.10



I-1327 I-2327



Lanjutan … FLUORIDE IN AIR



D3269 D3268 D4765



 



 



 



 



FLUORINE IN COAL



D3761-91



 



 



 



 



IODIDE



D3869



 



 



 



 



KJELDAHL NITROGEN



D3590-89A



351.4



4500-Norg (A) (B)



 



 



NITRATE



 



59 FR 62456 60 FR 37974 (6)*



4500-NO3 (D) (G)



986.31



 



ORP



D1498-76



 



2580



 



 



OXYGEN



D888-87D



360.1



4500-O (G)



 



 



POTASSIUM



 



 



3500-K (E)



 



 



SALINITY



 



 



2520B



 



 



SODIUM



D2791



 



 



976.25



 



SULFIDE



D4658



60 FR 37974 (6)*



 



 



 



SULFUR IN COAL



D4239-94



 



 



 



 



I-1586



 



pH



D1293-84



150.1



4500-H



981.12, 943.02, 945.10, 950.07, 960.19, 962.19, 970.21, 973.04, 973.40, 973.41, 979.02, 981.12



pH TITRATIONS



 



 



 



949.02, 955.01, 960.19



(1) "Annual Book of ASTM Standards, Water and Environmental Technology," American Society for Testing and Materials, (1992). ASTM Home Page



Kemajuan Terakhir a. Hubungan elektroda komputer tanpa pengukur potensial (Meterless Electrode-Computer Interfaces) -



ESI dihubungkan langsung pada PC tanpa melalui pengukur potensial (Voltmeter) Boks elektronik sebagai penghubung antara PC dengan berbagai jenis elektroda Fasilitasi pemrosesan data, penampilan dan penyimpanan hasil.



b. Perangkat lunak pemroses data banyak tersedia c. Analisis multikomponen dimungkinkan.