Pilar elektrokimia modern: Paruh pertama abad 20

Fokus pada periode ini adalah kajian energetik dan transport ion. Pada salah satu pendekatan awal untuk mengkarakterisasi larutan dengan pelarut air, H. Friedenthal pada tahun 1904 menyarankan penggunaan konsentrasi ion hidrogen. Ini yang mungkin merupakan awal dari konsep pH. Friedenthal juga menemukan bahwa hasil kali konsentrasi ion hidrogen dan ion hidroksil dalam larutan air selalu sama. Namun perlu ditekankan bahwa konsep pondus hydrogenii, atau pH sendiri diperkenalkan lima tahun kemudian oleh ahli kimia Denmark Soren Peder Lauritz Sorensen (1868-1939). Pada awal ditandainya bioelektrokimia, Julius Bernstein (1839-1917) dari Universitas Berlin mendemonstrasikan bahwa kerja potensial listrik dalam syaraf adalah akibat dari perubahan sifat ion dari membran syaraf. Ia mengusulkan hipotesa membran dalam dua bagian, yang pertama pada tahun 1902 dan yang kedua tahun 1912. Teorinya didasarkan pada penelitian Helmholtz dan Du Bois-Reymond (1818-1896), “bapak eksperimen elektrofisiologi.” Penelitian Bernstein tentang propagasi rangsangan syaraf dan potensial trans-membran mengarah pada perhatian yang besar pada biolistrik dan pada teori kerja syaraf pada khususnya. Perlu dicatat bahwa penelitian Bernstein adalah tonggak terakhir pada listrik hewan, dan tiba saatnya ketika listrik mencoba keluar dari bayang-bayang biologi. Pada tahun 1910, Robert Andrews Millikan (1868-1953) menentukan muatan listrik pada elektron dengan percobaan tetesan minyaknya yang terkenal. Tahun berikutnya, Frederick George Donnan (1870-1956) memantapkan kondisi kesetimbangan antara dua larutan elektrolit yang dipisahkan oleh membran semi-permeabel. Sekarang, nama Donna dihubungkan dengan sifat kesetimbangan dan potensial melalui membran.

Sekitar tahun 1922, Praha berubah menjadi “Mekah elektrokimia.” Pada 10 Pebruari tahun itu, Jaroslav Heyrovsky (1890-1967), kadang-kadang disebut “bapak kimia elektroanalisa,” merekam kurva arus-tegangan untuk larutan sodium hidroksida menggunakan elektroda tetesan merkuri dan mencatat arus melompat antara -1,9 dan -2,0 V pada deposisi sodium pada merkuri. Ini menandai awal mulainya polarografi. Heyrpovsky mengambil akar penelitian awal F.G. Donnan mengenai potensial elektroda alumunium, yang mengarahkannya pada penelitian elektroda cair yang menyediakan permukaan elektroda yang dapat diperbaharui secara terus menerus. Kemudian, ia bekerja sama dengan Masuzo Shikata (1895-1964) dan merancang polarograf tercatat pertama. Pada tahun 1959, Heyrovsky dianugerahi hadiah Nobel untuk karya seminalnya tentang teknik elektroanalisa. Polarografi mempercepat perkembangan teori reaksi elektrokimia dan perpindahan massa dalam larutan elektrolit, dan meletakkan dasar semua metoda voltametri yang digunakan dalam elektroanalisa. Pada tahun 1929, Heyrovsky bersama dengan Emil Votocek dari Universitas Teknik Praha, membuat jurnal Collection of Czechoslovak Chemical Communications. Ahli kimia fisika dan fisika matematika Slovakia Dionyz Ilkovic (1907-1980), asisten riset Heyrovsky, adalah salah satu ko-penemu polarografi. Persamaan dasar polarografi, persamaan Ilkovic, diberi nama dengan namanya.

Hubungan antara struktur molekul dan sifat listrik juga mulai diungkap. Pada tahun 1923, Johannes Nicolaus Bronsted (1879-1947) di Denmark dan Thomas Martin Lowry (1874-1936) di Inggris mengajukan, sendiri-sendiri, teori asam-basa. Menurut mereka, asam adalah senyawa dengan kecenderungan menyumbangkan proton (atau ion hidrogen), sedangkan basa adalah senyawa yang bergabung dengan proton. Tahun yang sama juga menyaksikan ahli fisika Belanda-Amerika Petrus Josephus Wilhelmus Debye (1884-1966) dan ahli fisika dan kimia fisika Erich Armand Arthur Joseph Huckel (1896-1980) menjabarkan teori dasar mereka tentang perilaku larutan elektrolit kuat. Menurut mereka, larutan elektrolit kuat menyimpang dari perilaku larutan ideal karena gaya tarik ion-ion. Mereka menyarankan bahwa ion dalam larutan memiliki efek penyaring medan listrik dari ion sendirian, yang memunculkan panjang Debye. Huckel juga terkenal untuk kaidah Huckel untuk menentukan molekul cincin dan metoda Huckel untuk pendekatan perhitungan orbital molekul.

Debye memenangkan hadiah Nobel 1936 dalam kimia untuk kontribusinya terhadap struktur molekul, untuk hubungan momen dipole dan untuk difraksi sinar X dan elektron dalam gas. Pada tahun 1916, ia menunjukkan bahwa studi difraksi sinar X dapat digunakan dengan sampel serbuk, menghilangkan dalam proses kebutuhan menyiapkan Kristal yang bagus. Ini kemudian dikenal sebagai metoda difraksi sinar X Debye-Scherrer. Orisinalitas dan besarnya kontribusi Debye dicerminkan dalam banyak konsep yang membawa namanya: metoda difraksi sinar X Debye-Scherre, teori Debye-Huckel, teori Debye tentang panas spesifik, efek Debye-Sears dalam cairan transparan, jarak perisai Debye, suhu Debye, frekuensi Debye dan teori Debye tentang mekanika gelombang. Ia juga diabadikan dengan satuan momen dipole (debye), monument Dipole Moment di Maastricht dan anugerah the American Chemical Society dengan namanya.

Sekitar waktu ini, Alexander Naumovich Frumkin (1895-1976) yang populer sebagai “bapak elektrokimia di Rusia,” membuat kontribusi penting terhadap dasar-dasar reaksi elektroda – khususnya pengaruh antarmuka elektroda-elektrolit terhadap kecepatan transfer elektron melintasinya. Berdasarkan pada studi adsorpsi senyawa organik pada merkuri, Frumkin mengusulkan adsoropsi isothermis yang dikenal sebaga isothermis Frumkin. Ia juga memperkenalkan konsep potensial muatan listrik nol. Ia bergandengan dengan Veniamin Grigorevich Levich (1917-1987) dalam menghubungkan hasil percobaannya dengan teori. Kerjasama ini menuju pada pengembangan elektroda piringan berputar dan analisa kuantitatif polarografik maksimum.

Daya listrik berkembang cepat dengan temuan yang disebut baterai daya Drumm. Temuan itu adalah baterai alkaline nikel-seng yang ditemukan oleh James J. Drumm (1897-1974) dan menjadi populer dengan pemakaiannya dalam kereta pedesaan di Irlandia. Pada tahun 1932, Francis Thomas Bacon (1904-1992) memperkenalkan pemakaian elektrolit alkalin dan elektroda nikel yang murah dalam fuel cell. Dua puluh tujuh tahun kemudian, pada tahun 1959, ia mendemonstrasikan fuel cell praktis 5 kW.

Pengukuran kuantitatif korosi elektrokimia mulai mapan dengan publikasi Thomas Percy Hoare (1889-1980) dan Ulick Richardson Evans pada tahun 1932. Evans yang digambarkan dalam Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society sebagai “bapak sains modern korosi dan perlindungan logam,” meletakkan dasar sifat elektrokimia korosi. Bukunya Metallic Corrosion, Passivity, and Protection yang diterbitkan tahun 1937 mungkin merupakan buku paling komprehensif yang pernah ditulis oleh satu orang penulis tentang sains korosi. Pada tahun 1933, dalam makalah tentang elektroda oksigen, Hoare menunjukkan bagaimana potensial kesetimbangan dapat ditentukan dari plot Tafel. Hoare adalah penerima pertama penghargaan U.R. Evans (1976) dari Institution of Corrosion Science and Technology. Herbert H. Uhlig (1907-1993) adalah kampiun lain sains korosi. Corrosion Handbook yang ditulisnya pada tahun 1948 melanjutkan generasi ilmuwan dan insinyur korosi bahkan setengah abad setelah publikasinya.

Digambarkan oleh F. Mansfeld sebagai “raksasa yang kurang dihargai dalam dunia elektrokimia dan korosi,” ahli elektrokimia dan ilmuwan bahan Carl Wagner (1901-1977) juga diingat sebagai “bapak kimia keadaan padat” untuk penelitian pelopor dalam berbagai bidang termasuk reaksi pemucatan, katalis, fotokimia, fuel cell, semikonduktor dan cacat kimia. Pada tahun 1943, Wagner merumuskan mekanisme konduksi ion dalam zirconia yang didoping, yang meletakkan dasar untuk bidang ion keadaan padat. Kontribusinya terhadap korosi merupakan dasar pemahaman kita mengenai pertumbuhan dibatasi difusi kerak pada logam pada suhu tinggi maupun aspek lain seperti kerja sel local, pasivitas, oksidasi paduan dan perlindungan katodik. Kontribusi lainnya meliputi coulometri keadaan padat dan aspek teoritis dan eksperimen gabungan konduksi ion dan elektron.

Pada tahun 1937, Arne Wilhelm Kaurin Tiselius (1902-1971) membalik halaman lain sejarah elektrokimia dengan penelitiannya tentang batas bergerak, yang kemudian menjadi zona elektroforesis. Ia menerima hadiah Nobel 1948 untuk karyanya tentang elektroforesis untuk pemisahan protein dan asam amino. Pada tahun 1938, insiyur listrik Amerika Hendrik Wade Bode (1905-1982) membuat dampak dalam elektrokimia melalui plot Bode, yang banyak digunakan dalam analisa impedansi elektrokimia dari sistem elektrokimia.

Sampai tahun 1938, ahli elektrokimia Belgia Marcel Pourbaix (1904-1998) telah menyusun diagram potensial-pH yang terkenal, yang juga disebut “diagram Pourbaix.” Karyanya mendukung banyak aspek dari sains korosi, pemurnian elektrokimia, baterai, elektrodeposisi dan elektrokatalisis. Pada tahun 1952 ia mendirikan komisi elektrokimia dari IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), yang pada tahun-tahun berikutnya meletakkan kaidah yang mengatur tanda potensial elektrokimia.

Banyak teori dibelakang cyclic voltammetry dan electrochemical impedance spectroscopy berasal dari karya ahli elektrokimia Inggris John Edward Brough Randles (1912-1998). Karyanya tahun 1947 tentang polarografi sinar katoda (oscillopolarograph) menandai mulainya linear sweep voltammetry, penyelesaian arus puncak yang tiba melalui persamaan Randles-Sevcik yang terkenal. Sevcik adalah ilmuwan Cheko, yang bersama dengan Pual Delahay, mengembangkan beberapa instrumen dengan sapuan segitiga. Sebagai sampingan, harus disebutkan bahwa Delahay-lah yang pada tahun 1950an memperkenalkan chronopotentiometry. Pada tahun yang sama (1947), Randles mempublikasikan analisa sirkuit impedansi yang mengandung difusi dan transfer elektron antarmuka, yang membuka metoda untuk mempelajari reaksi elektroda cepat. Randles tidak diberi banyak publikasi, tetapi makalahnya menyediakan pandangan yang jelas tentang mekanisme proses elektrokimia. Sirkuit ekivalen yang digunakan dalam analisa dikenal sebagai sirkuit ekivalen Randles. Namun, agar sirkuit tersebut adil harus diberi istilah sirkuit Randles-Ershler, untuk Dolin dan Ershler yang telah mempublikasikan hasil serupa di Rusia pada tahun 1940, yang karena pecah Perang Dunia II tidak mudah menembus Barat.

Selama di C.A. Parson & Co., Ltd., perusahaan listrik yang basisnya di Newcastle-upon-Tyne, insinyur Inggris Francis Thomas Bacon menjadi orang pertama yang mengembangkan fuel cell hidrogen-udara dan menyarankan pemakaiannya dalam kapal selam. Tidak seperti sel Grove, yang menggunakan elektrolit asam dan elektroda padat, fuel cell Bacon memiliki elektrolit basa yang tidak korosif dan elektroda difusi gas berpori bertekanan. Aplikasi praktis pertama teknologinya tiba beberapa tahun kemudian dalam misi Apollo, yang mengandalkan fuel cell untuk sumber daya penerbangan, pemanasan dan air minum (hasil reaksi elektrokimia). Menarik untuk dicatat bahwa Bacon adalah penerima pertama medali Grove pada tahun 1991.

Disadur dari:

Pillars of Modern Electrochemistry: A Brief History oleh A. K. Shukla & T. P. Kumar, 2008.