Sejarah elektrokimia

Elektrokimia, salah satu cabang ilmu kimia, mengalami beberapa perubahan selama evolusinya dari mulai prinsip-prinsip awal yang berkaitan dengan magnet pada awal abad ke-16 dan ke-17, hingga teori-teori kompleks yang melibatkan konduktivitas, muatan listrik dan metode matematika. Istilah elektrokimia digunakan untuk menggambarkan fenomena listrik pada akhir abad ke-19 dan ke-20. Dalam beberapa dekade terakhir, elektrokimia telah menjadi bidang penelitian saat ini, termasuk penelitian dalam baterai dan sel bahan bakar, mencegah korosi logam, penggunaan sel elektrokimia untuk menghilangkan organik refraktori dan kontaminan serupa dalam elektrokoagulasi air limbah dan peningkatan teknik pemurnian bahan kimia menggunakan elektrolisis dan elektroforesis.

Latar belakang

Abad ke-16 menandai dimulainya pemahaman ilmiah mengenai kelistrikan dan magnet yang berujung pada produksi tenaga listrik dan revolusi industri pada akhir abad ke-19.
Pada tahun 1550-an, ilmuwan Inggris William Gilbert menghabiskan 17 tahun bereksperimen dengan magnetisme dan listrik, pada tingkat lebih rendah. Pada karyanya mengenai kemagnetan, Gilbert dikenal sebagai "Bapak Kemagnetan." Bukunya De Magnete dengan cepat menjadi karya standar mengenai kelistrikan dan magnet di seantero Eropa, memaparkan perbedaan yang jelas antara keduanya dan memperkenalkan apa yang kemudian disebut sebagai "efek amber" (kelistrikan statis).
Pada tahun 1663, fisikawan Jerman Otto von Guericke menciptakan generator elektrostatik pertama, yang menghasilkan listrik statis dengan menerapkan gesekan. Generator itu terbuat dari bola belerang besar di dalam bola kaca, yang dipasang pada poros. Bola itu diputar dengan menggunakan engkol dan percikan listrik statis yang diproduksi ketika suatu bantalan digosokkan pada permukaan bola saat diputar. Bola tersebut dapat dilepas dan digunakan sebagai sumber listrik untuk percobaan listrik. Von Guericke menggunakan generatornya untuk menunjukkan bahwa muatan listrik seperti saling tolak-menolak.

Abad ke-18: Lahirnya elektrokimia

Pada tahun 1709, Francis Hauksbee dari Royal Society di London menemukan bahwa dengan meletakkan sejumlah kecil raksa di dalam gelas generator Von Guericke dan membuat bola tersebut hampa udara, raksa tersebut akan menyala setiap kali muatan terkumpul pada bola dan tangannya menempel pada bola tersebut. Dia telah menciptakan lampu pelepas gas pertama.
Antara tahun 1729 dan 1736, dua ilmuwan Inggris, Stephen Gray dan Jean Desaguliers, melakukan serangkaian percobaan yang menunjukkan bahwa gabus atau benda lain sejauh 800 atau 900 kaki (245–275 m) dapat dialiri listrik dengan menghubungkannya melalui tabung gelas yang terisi daya ke material seperti kabel logam atau tali rami. Mereka menemukan bahwa bahan lain, seperti sutra, tidak akan memberikan efek kelistrikan.
Pada pertengahan abad ke-18, kimiawan Prancis Charles François de Cisternay Du Fay telah menemukan dua bentuk listrik statis, dan muatan yang sejenis saling tolak-menolak sementara muatan yang berlawanan seperti tarik-menarik. Du Fay mengumumkan bahwa listrik terdiri dari dua fluida:  listrik vitreous (dari bahasa Latin untuk "kaca"), atau positif; dan listrik resinous, atau negatif. Hal ini dikenal sebagai "teori dua fluida" kelistrikan, yang kemudian ditentang oleh "teori satu fluida" oleh Benjamin Franklin kemudian di abad yang sama.
Pada tahun 1745, Jean-Antoine Nollet mengembangkan teori tarik-menarik dan tolakan listrik yang mengandaikan adanya aliran terus-menerus materi listrik antara benda bermuatan. Teori Nollet pada mulanya diterima secara luas, tetapi menemui perlawanan pada 1752 dengan terbitnya Experiments and Observations on Electricity karangan Franklin yang diterjemahkan dalam bahasa Prancis. Franklin dan Nollet memperdebatkan sifat listrik, dengan Franklin mendukung aksi pada jarak dan dua jenis listrik yang saling berlawanan, dan Nollet mendukung aksi mekanis dan satu jenis fluida listrik. Argumen Franklin akhirnya menang dan teori Nollet ditinggalkan.
Pada tahun 1748, Nollet menemukan salah satu elektrometer pertama, elektroskop, yang menunjukkan muatan listrik menggunakan daya tolakan dan daya tarik elektrostatik. Nollet dikenal sebagai tokoh pertama yang menerapkan nama "Leyden jar" pada perangkat pertama untuk menyimpan listrik. Penemuan Nollet digantikan oleh elektrometer Horace-Bénédict de Saussure pada tahun 1766.

Abad ke-19: Kebangkitan elektrokimia sebagai cabang ilmu kimia

Pada tahun 1800, kimiawan Inggris William Nicholson dan Johann Wilhelm Ritter berhasil memisahkan air menjadi hidrogen dan oksigen dengan memanfaatkan elektrolisis. Segera setelah itu, Ritter menemukan proses pelapisan. Ia juga mengamati bahwa jumlah logam yang diendapkan dan jumlah oksigen yang dihasilkan selama proses elektrolisis tergantung pada jarak antara elektroda. Pada 1801 Ritter telah mengamati arus termoelektrik, yang mengantisipasi penemuan termoelektrik oleh Thomas Johann Seebeck.
Pada tahun 1802, William Cruickshank merancang baterai listrik pertama yang mampu dihasilkan secara massal. Seperti Volta, Cruickshank mengatur pelat tembaga persegi, yang disolder pada ujungnya, bersama dengan pelat seng dengan ukuran yang sama. Pelat-pelat ini ditempatkan ke dalam kotak kayu persegi panjang yang disegel dengan semen. Alur di dalam kotak menahan pelat logam pada posisinya. Kotak itu kemudian diisi dengan elektrolit air garam, atau asam encer. Rancangan ini memiliki keuntungan karena tidak mengering dengan penggunaan dan memberikan lebih banyak energi daripada pengaturan Volta, yang menggunakan kertas yang direndam air garam di antara pelat.
Dalam upaya untuk menghasilkan logam platina yang lebih baik, dua ilmuwan, William Hyde Wollaston dan Smithson Tennant, bekerja sama untuk merancang teknik elektrokimia yang efisien untuk memurnikan atau memurnikan platina. Tennant akhirnya menemukan unsur iridium dan osmium. Upaya Wollaston, pada gilirannya, membawanya pada penemuan logam paladium pada tahun 1803 dan rodium pada tahun 1804.
Karya Humphry Davy mengenai elektrolisis menghasilkan kesimpulan bahwa produksi listrik dalam sel elektrolisis sederhana dihasilkan dari reaksi kimia antara elektrolit dan logam, dan terjadi antara zat-zat dengan muatan yang berlawanan. Dia beralasan bahwa interaksi arus listrik dengan bahan kimia menawarkan kemungkinan besar dekomposisi semua zat menjadi unsur dasarnya. Pandangan-pandangan ini dijelaskan pada 1806 dalam ceramahnya On Some Chemical Agencies of Electricity, di mana ia menerima Hadiah Napoleon dari Institut de France pada 1807 (terlepas dari kenyataan bahwa Inggris dan Prancis sedang berperang pada saat itu). Karya ini mengarah langsung pada isolasi natrium dan kalium dari senyawa umum mereka dan logam alkali tanah dari senyawanya pada tahun 1808.
Penemuan Hans Christian Ørsted menenai efek kemagnetan arus listrik pada tahun 1820 langsung diakui sebagai kemajuan yang penting, meskipun ia meninggalkan pekerjaan lebih lanjut pada elektromagnetisme kepada orang lain. André-Marie Ampère dengan cepat mengulangi eksperimen Ørsted, dan merumuskannya secara matematis (yang kemudian menjadi hukum Ampere). Ørsted juga menemukan bahwa jarum magnetik tidak hanya dibelokkan oleh arus listrik, tetapi juga kabel listrik hidup yang dibelokkan dalam medan magnet, sehingga meletakkan fondasi untuk pembangunan motor listrik. Penemuan Ørsted mengenai piperin, salah satu komponen pedas dari lada, merupakan kontribusi penting bagi bidang kimia, seperti preparasi aluminium yang ia lakukan pada tahun 1825.

Abad ke-20: Kemajuan dan pendirian masyarakat elektrokimia

Pada tahun 1869 Zénobe Gramme merancang dinamo arus searah bersih pertamanya. Generatornya menampilkan cincin dengan banyak kumparan kawat.
Svante August Arrhenius menerbitkan tesisnya pada tahun 1884, Recherches sur la conductibilité galvanique des électrolytes (Investigasi pada konduktivitas galvanik elektrolit). Dari hasil eksperimennya, penulis menyimpulkan bahwa elektrolit, ketika dilarutkan dalam air, berubah menjadi berbagai derajat atau terdisosiasi menjadi ion positif dan negatif. Sejauh mana disosiasi ini terjadi tergantung pada sifat substansi dan konsentrasinya dalam larutan, semakin berkembang semakin besar pengencerannya. Ion-ion seharusnya menjadi pembawa tidak hanya arus listrik, seperti pada elektrolisis, tetapi juga dari aktivitas kimia. Hubungan antara jumlah aktual ion dan jumlah mereka pada pengenceran hebat (ketika semua molekul dipisahkan) memberikan sejumlah minat khusus ("konstanta aktivitas").
Perlombaan untuk memproduksi aluminium secara komersial dimenangkan pada tahun 1886 oleh Paul Héroult dan Charles Martin Hall. Masalah yang dimiliki banyak peneliti dalam mengekstraksi aluminium adalah ketika mengelektrolisis garam aluminium yang dilarutkan dalam air justru dihasilkan aluminium hidroksida. Baik Hall dan Héroult menghindari masalah ini dengan melarutkan aluminium oksida dalam pelarut baru— kriolit terfusi (Na₃AlF₆).
Pada tahun 1902, The Electrochemical Society (ECS) didirikan.
Pada tahun 1909, Robert Andrews Millikan memulai serangkaian eksperimen (lihat percobaan tetesan minyak) untuk menentukan muatan listrik yang dibawa oleh satu elektron.
Pada tahun 1923, Johannes Nicolaus Brønsted dan Thomas Martin Lowry pada dasarnya menerbitkan teori yang sama tentang bagaimana asam dan basa berperilaku menggunakan basis elektrokimia.
International Society of Electrochemistry (ISE) didirikan pada tahun 1949, dan beberapa tahun kemudian, perangkat elektroforesis canggih pertama dikembangkan pada tahun 1937 oleh Arne Tiselius, yang dianugerahi hadiah Nobel tahun 1948 untuk karyanya dalam elektroforesis protein. Dia mengembangkan "batas bergerak," yang kemudian dikenal sebagai zona elektroforesis, dan menggunakannya untuk memisahkan protein serum dalam larutan. Elektroforesis menjadi banyak dikembangkan pada tahun 1940-an dan 1950-an ketika teknik ini diterapkan pada molekul mulai dari protein terbesar hingga asam amino dan bahkan ion anorganik.
Selama 1960-an dan 1970-an elektrokimia kuantum dikembangkan oleh Revaz Dogonadze dan murid-muridnya.