7506_Buku Ajar Kimia Kontekstual BOPTN P3 UGM

7/17/2019 7506_Buku Ajar Kimia Kontekstual BOPTN P3 UGM

http://slidepdf.com/reader/full/7506buku-ajar-kimia-kontekstual-boptn-p3-ugm 1/300

i

UNIVERSITAS GADJAH MADA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

JURUSAN KIMIA Sekip Utara Yogyakarta 55281

Buku 3: BUKU AJAR

KIMIA KONTEKSTUALSemester I/2 sks/MKB 1000

Oleh:Tim Pengampu Kimia Kontekstual

Jurusan Kimia

Didanai dengan dana BOPTN P3-UGMTahun Anggaran 2013

Desember 2013



ii

DAFTAR ISI

BAB 0 KIMIA UNTUK MASA DEPAN YANG BERKELANJUTAN.................. 1

BAB 1 UDARA YANG KITA HIRUP ..............................................................12

BAB 2 MELINDUNGI LAPISAN OZON .........................................................43

BAB 3 ASPEK KIMIA PEMANASAN GLOBAL .............................................60

BAB 4 ENERGI, KIMIA DAN MASYARAKAT .............................................107

BAB 5 AIR UNTUK KEHIDUPAN ................................................................149

BAB 6 HUJAN ASAM ..................................................................................185

BAB 7 PANAS DARI FISI NUKLIR .............................................................224

BAB 8 ENERGI DARI TRANSFER ELEKTRON .........................................238

BAB 9 DUNIA POLIMER DAN PLASTIK ....................................................246

BAB 10 REKAYASA MOLEKUL DAN PERANCANGAN OBAT..................257

BAB 11 NUTRISI: BAHAN UNTUK DIPIKIRKAN ........................................264

BAB 12 REKAYASA GENETIKA DAN MOLEKUL-MOLEKUL KEHIDUPAN ....................................................................................................................276



iii

Kata Pengantar

Kimia dalam Konteks adalah bahan pengajaran kimia yang disusun dengan"memecahkan cetakan." Berbeda dengan pola yang lazim, Kimia dalam Konteks tidakmengajarkan kimia secara terisolasi dari orang-orang dan isu-isu dunia nyata yangmereka hadapi. Demikian pula, Kimia Kontekstual tidak memperkenalkan fakta ataukonsep demi “cakupan materi” sebagai bagian dari kurikulum. Sebaliknya, Kimiadalam Konteks secara hati-hati mencocokkan setiap prinsip kimia terhadap masalahdunia nyata seperti kualitas udara, energi, atau penggunaan air. Masing-masingdiperkenalkan atas dasar “kebutuhan-untuk-tahu”, yaitu, pada titik dalam pengajarandi mana ada kebutuhan untuk menunjukkan prinsip. Yang paling penting, pengajarankimia ini disajikan dalam konteks isu-isu politik, ekonomi, dan etika sosial yangsignifikan.

Konteks! Kata ini berasal dari bahasa Latin yang berarti "menenun." Laba-laba motif web di Kimia dalam Konteks penutup mencontohkan koneksi kompleksyang dapat dijalin antara kimia dan masyarakat. Dengan tidak adanya isu-isu dunia

nyata, tidak akan ada Kimia dalam Konteks. Demikian pula, tanpa guru dan siswayang bersedia (dan cukup berani) untuk terlibat dalam masalah ini, tidak akan adaKimia dalam Konteks. Bersama-sama kita menenun kimia ke dalam masalah yangkita hadapi dalam hidup kita. Konteks!

Hari ini kita juga tahu bahwa mengajar dalam konteks adalah praktek yangberdampak tinggi yang didukung oleh penelitian tentang bagaimana orang belajar.Kimia dalam Konteks menggunakan konteks dunia nyata yang melibatkan para siswadi tingkat majemuk: kesehatan dan kesejahteraan individu, kesehatan masyarakatsetempat, dan kesehatan ekosistem yang lebih luas yang mendukung kehidupan diplanet ini.

Konteks. Model penyusunan pengajaran kimia dengan “memecahkancetakan” bisa dipertanyakan latar belakangnya, apakah hanya demi menjaga tradisi(dan untuk bersenang-senang melanggar “cetakan”), tetapi juga untuk alasan kuat:

kebutuhan para pembelajar. Metode ini akan terus menemukan cara-caraberkomunikasi mengenai kimia yang melayani para mahasiswa, mengingat isu-isuyang menantang yang sedang mereka hadapi saat ini, kebutuhan kompleks darimasyarakat di mana mereka tinggal, dan lanskap yang berubah di mana mereka akanbekerja di masa depan.

Mengajar (dan Learning) dalam Konteks Organisasi Kimia dalam Konteks tetap sama di setiap edisi. Enam bab

pertama membentuk inti di mana prinsip-prinsip kimia dasar yangdiperkenalkan.Pasal-pasal ini memberikan r topik yang fokus pada satu temalingkungan. Mereka mengembangkan dasar konsep kimia yang dapat diperluasdalam bab-bab berikutnya.

Bab 7 dan 8 mempertimbangkan alternatif (non-bahan bakar fosil) sumber

energi - n uclear daya, baterai, sel bahan bakar, dan ekonomi hidrogen. Bab-bab yangtersisa berbasis karbon, dengan fokus pada polimer, obat-obatan, produksi pangan,dan rekayasa genetika.

“Sustainability” (Keberlanjutan) Keberlanjutan global bukan hanya tantangan, melainkan adalah tantangan

mendefinisikan abad kami. Dalam bab baru Bab 0, yang "Kimia untuk Masa Depanyang Berkelanjutan," niat kami adalah untuk membangun keberlanjutan sebagai inti,normatif bagian dari kurikulum kimia dan bagian dari pembelajaran dasar.



iv

Keberlanjutan. Keberlanjutan menambahkan derajad baru kompleksitas Kimiadalam Konteks. Sebagian, kompleksitas ini muncul karena keberlanjutan dapatdikonseptualisasikan dalam dua cara: sebagai topik dipelajari dan sebagai masalahyang layak dipecahkan. Sebagai topik, keberlanjutan memberikan tubuh baru konten

bagi siswa untuk menguasai.Sebagai contoh, tragedi milik bersama, the Triple Bottom Line, dan konsepcradle-to-cradle adalah bagian dari materi yang diperkenalkan dalam Bab 0. Sebagaimasalah yang layak dipecahkan, keberlanjutan menghasilkan pertanyaan-pertanyaan baru bagi siswa untuk bertanya yang membantu mereka untukmembayangkan dan mencapai masa depan yang berkelanjutan.

Sebagai contoh, siswa akan menemukan pertanyaan tentang risiko danmanfaat dari kedua tindakan dan tidak bertindak atas nama ransum gen di masadepan. Untuk memasukkan keberlanjutan, maka, membutuhkan lebih dari pemikiranulang kasual kurikulum. Bagaimana Anda mengajar dan belajar tentang sesuatu yangrumit seperti keberlanjutan? Dalam menanggapi pertanyaan ini, tim penulismenyadari bahwa itu perlu baik untuk memperbarui materi dan menampilkannyakembali dalam cahaya baru. Berikut adalah beberapa contoh dari perubahan yang

dibuat tim:Kimia hijau. Kimia hijau, sarana untuk keberlanjutan, terus menjadi temapenting dalam Kimia dalam Konteks. Seperti pada edisi sebelumnya, contoh kimiahijau yang disorot dalam setiap bab. Dalam edisi baru ini, mencari bahkan lebihbanyak contoh. Memperluas cakupan ini menawarkan pembaca rasa yang lebih baiktentang perlunya dan pentingnya penghijauan proses kimia kami. Untuk akses yanglebih mudah, prinsip-prinsip Kimia istry hijau sekarang terdaftar di sampul depandalam teks.

Bab 1 Udara Kami Bernapas 1. Apa yang ada di Nafas?2. Polutan Udara dan Penilaian Resiko3. Kualitas Air dan Anda

4. Dimana Kita Hidup: Troposfer5. Klasifikasi Cetakan: Zat Murni, Elemen, dan Senyawa6. Atom dan Molekul7. Nama dan Rumus: Kosakata Kimia8. Perubahan Kimia: Peran Oksigen di Pembakaran9. Api dan Bahan Bakar: Kualitas dan Pembakaran Hidrokarbon10. Air Polutan: Sumber Direct11. Ozon: Pencemar Sekunder12. Cerita di dalam Kualitas Air13. Kembali ke Nafas - di Tingkat Molekuler

Bab 2 Melindungi Lapisan Ozon 1. Ozon: Apa dan Dimana itu?

2. Struktur Atom dan Periodisitas3. Molekul dan Model4. Gelombang Cahaya5. Radiasi dan Zat6. Oksigen – Lapisan Ozonr7. Efek biologis dari Radiasi Ultraviolet8. Stratosfir Ozone Destruction: Pengamatan global dan Penyebabnya9. Chlorofluorocarbon: Sifat, Penggunaan, dan Interaksi dengan Ozon10. Lubang Ozon Antartika: A Closer Look11. Respons untuk Kepedulian Dunia



v

12. Pengganti CFC

Bab 3: Aspek Kimia Perubahan Iklim Global 1. Greenhouse: Neraca Energi Bumi

2. Mengumpulkan Bukti: Kesaksian Waktu3. Molekul: Bagaimana Mereka berbentuk4. Vibrating Molekul dan Efek Rumah Kaca5. The Carbon Cycle: Kontribusi dari Alam dan Manusia6. Konsep Kuantitatif: Massa7. Konsep Kuantitatif: Molekul dan Mol8. Metana dan Gas Greenhouse Lainnya9. AkanSeberapa Hangat Planet?10. Konsekuensi Perubahan Iklim11. Apa yang Bisa (atau Haruskah) Kita Lakukan tentang Perubahan Iklim

Bab 4 Energi dari Pembakaran 1. Bahan Bakar Fosil dan Listrik2. Efisiensi Transformasi Energi

3. Kimia Batubara4. Minyak tanah5. Mengukur Perubahan Energi6. Perubahan energi di Tingkat Molekuler7. Kimia Bensin8. Penggunaan bahan bakar baru9. Biofuels I - Ethanol10. Biofuels II - Biodiesel, Sampah, dan Biogas11. The Way Forward

Bab 5 Air untuk Kehidupan 1. Sifat Unik Air2. Peran Hidrogen Bonding

3. Penggunaan Air4. Masalah Air5. Larutan berair6. Zat terlarut7. Nama dan Rumus Senyawa Ionik8. Lautan - Larutan berair dengan Banyak Ion9. Senyawa kovalen dan larutannya10. Melindungi Air Minum kami: Federal Legislasi11. Pengolahan Air

Bab 6: Menetralisir Ancaman Hujan Asam 1. Apakah Asam itu?2. Apa Basa itu?

3. Netralisasi: Apakah Antasida4. Memperkenalkan pH5. Pengasaman Laut6. Tantangan Mengukur pH Hujan7. Sulfur Dioksida dan Pembakaran Batubara8. Nitrogen Oksida dan Pembakaran Bensin9. The Nitrogen Cycle10. SO2 dan NOX - Bagaimana Mereka Stack Up?11. Hujan Asam dan Efek Terhadap Bahan12. Hujan Asam, Haze, dan Kesehatan Manusia



vi

13. Kerusakan Danau dan Streaming

Bab 7 Energi Fisi Nuklir1. Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir di seluruh dunia

2. Bagaimana Fisi Menghasilkan Energi3. Bagaimana Reaktor Nuklir Menghasilkan Listrik4. Apa Radioaktivitas?5. Looking Backward untuk Maju6. Radioaktivitas dan Anda7. Koneksi Senjata8. Waktu nuklir: The Half-Life9. Limbah nuklir: hari ini di sini, Berikut Besok10. Risiko dan Manfaat Tenaga Nuklir11. Sebuah Masa Depan Tenaga Nuklir

Bab 8: Energi dari Transfer Elektron 1. Baterai, Sel Galvanic, dan Elektron

2. Lain Sel Galvanic Umum3. Bahan Baterai: Cradle-to-Cradle4. Hybrid Vehicles5. Sel Bahan Bakar: Dasar-dasar6. Hydrogen Fuel Cell Kendaraan7. Photovoltaic Sel: Dasar-dasar8. Listrik dari Sumber Terbarukan (Sustainable)

Bab 9: Dunia Polimer dan Plastik 1. Polimer: Rantai Panjang2. Menggabungkan Monomer3. Polyethylene: A Closer Look4. The " Enam besar": Tema dan Variasi

5. Kondensasi Monomer6. Poliamida: Alam dan Nylon7. Daur ulang: The Big Picture8. Daur Ulang Plastik: Rincian

Bab 10: Memanipulasi Molekul dan Perancangan Obat 1. Sebuah Obat Ajaib Klasik2. Studi Molekul Mengandung Carbon3. Grup Fungsional4. Bagaimana Aspirin bekeja: Fungsi Mengikuti bentuk5. Desain Obat modern6. Berikan Molekul ini Tangan!7. Steroid

8. Resep, Generik, dan Selama-Kontra Obat9. Pengobatan Herbal10. Penyalahgunaan Narkoba

Bab 11 Nutrisi: Food for Thought 1. Makanan dan Planet2. Anda adalah apa yang Anda Makan3. Lemak dan Minyak4. Lemak, Minyak, dan Diet Anda5. Karbohidrat: Manis dan bertepung



vii

6. How Sweet It Is: Gula dan Gula Pengganti7. Protein:8. Vitamin dan Mineral: The Essentials Lain9. Energi dari Makanan

10. Kualitas Versus Jumlah: Saran Diet11. Makan Lokal? Makan Sayuran?12. Memberi makan Dunia yang kelaparan

Bab 12: Rekayasa Genetika dan Molekul Kehidupan 1. Kuat dan lebih baik Jagung Tanaman?2. Senyawa kimia kode kehidupan3. The Double Helix DNA4. Cracking Kode Kimia5. Protein: bentuk untuk Fungsi6. Proses Rekayasa Genetika7. Membuat Kimia Sintesis Hijau dari Modifikasi Genetik8. The New Frankenstein

Leaning Outcome untuk masing-masing bab adalah sbb.Bab 1

1. Menjelaskan hubungan antara kesehatan Anda dan apa yang Anda bernapas(seluruh pasal)

2. Jelaskan udara dalam hal komponen utama, relatif "jumlah, dan variasi lokaldan regional" mereka dalam komposisi udara (1.1, 1.5)

3. Sebutkan polutan udara utama dan menjelaskan efek kesehatan dari masing-masing (seluruh pasal)

4. Bandingkan dan kontras udara dalam ruangan dan luar ruangan dalam halyang polutan yang kemungkinan akan hadir dan sumber mereka (1.3. 1.13)

5. Menafsirkan data kualitas udara setempat, termasuk mengapa standarkualitas udara yang ditetapkan secara terpisah untuk setiap polutan (1.3)

6. Mengevaluasi risiko dan manfaat dari kegiatan tertentu (1.3)7. Diskusikan inisiatif kimia hijau dan mengapa masuk akal untuk mencegah

polusi daripada untuk membersihkannya sesudahnya (1.5)8. Kaitkan hal ini: materi, zat murni, campuran, unsur, senyawa, logam, bukan

logam (1.6)9. Membahas fitur dari tabel periodik, termasuk kelompok-kelompok yang

dikandungnya (1.6)10. Menjelaskan perbedaan antara atom dan molekul, memberi contoh masing-

masing (1.7)11. Nama unsur kimia dan senyawa yang berhubungan dengan kualitas udara

(1.7)12. Menulis dan menafsirkan rumus kimia yang berhubungan dengan kualitas

udara (1. 8)

13. Saldo dan menginterpretasikan persamaan kimia yang berhubungan dengankualitas udara (1.9-1.10)

14. Memahami peran oksigen dalam pembakaran, termasuk bagaimanahidrokarbon membakar untuk membentuk karbon dioksida, karbonmonoksida, dan jelaga (1.9-1.10)

15. Jelaskan bagaimana bentuk ozon, termasuk bagaimana sinar matahari, NO,N02, dan VOC yang terlibat (1.12)

16. Mengidentifikasi sumber-sumber dan sifat polusi udara dalam ruangan (1.13)17. Jelaskan tak beralasan "bebas polusi" udara (1.14)



viii

18. Gunakan notasi ilmiah dan tokoh-tokoh penting dalam melakukan perhitungandasar (1.4, 1.14)

19. Menerapkan apa yang Anda ketahui tentang polusi udara dengan cara-carahidup yang menghasilkan udara bersih (seluruh pasal)

Bab 21. Membedakan antara berbahaya ozon permukaan tanah dan bermanfaat

lapisan ozon stratosfir (2.1)2. Jelaskan kimia ozon, termasuk bagaimana hal itu terbentuk di atmosfer kita.

(2.1, 2.6, 2.8-2.10)3. Menggambarkan lapisan ozon, karakteristik dalam beberapa cara berbeda

(2.1, 2.6, 2.8-2.10)4. Menerapkan dasar-dasar struktur atom untuk atom dari unsur-unsur tertentu

(2.2)5. Memahami apa artinya ketika elemen jatuh ke dalam kelompok yang sama

dari tabel periodik (2.2)6. Membedakan nomor atom dari nomor massa dan menerapkan kedua isotop

(2.2)7. Tulis struktur Lewis untuk molekul kecil dengan tunggal, ganda, dan tiga ikatankovalen (2.3)

8. Jelaskan spektrum elektromagnetik dalam hal frekuensi, panjang gelombang,dan energi (2.4, 2.5)

9. Menafsirkan grafik yang berhubungan dengan panjang gelombang danenergi, radiasi dan kerusakan biologis, dan penipisan ozon (2.4-2.8)

10. Memahami siklus Chapman alami penipisan ozon stratosfer (2.6)11. Memahami bagaimana lapisan ozon stratosfer melindungi terhadap radiasi

ultraviolet yang berbahaya (2.6, 2.7)12. Bandingkan dan kontras UV-A, UV-B, dan radiasi UV-C bersama beberapa

jalur yang berbeda (2.6, 2.7)13. Diskusikan interaksi radiasi dengan materi dan perubahan yang disebabkan

oleh interaksi tersebut, termasuk kepekaan biologis (2.6, 2.7)14. Kaitkan arti dan penggunaan Indeks UV (2.7)15. Tulis struktur Lewis untuk atom klorin dan bromin, serta untuk beberapa

radikal bebas lainnya. Dapat menjelaskan mengapa radikal bebas sangatreaktif (2.8)

16. Kenali kompleksitas pengumpulan data yang akurat untuk penipisan ozonstratosfir dan menafsirkan dengan benar (2.8, 2.9)

17. Memahami sifat kimia dan peran CFC dalam penipisan ozon stratosfir (2.9,2.10)

18. Jelaskan keadaan unik bertanggung jawab atas penipisan ozon musiman di Antartika (2.10)

19. Merangkum hasil dari Protokol Montreal sebuah perubahannya (2.11, 2.12)20. Mengevaluasi artikel tentang alternatif kimia hijau untuk senyawa ozon

stratosfer (2.12)21. Diskusikan faktor-faktor yang akan membantu mengarah pada pemulihan

lapisan ozon (2.11,2.12)

Bab 3:1. Memahami proses yang berbeda yang mengambil bagian dalam

keseimbangan energi bumi (3.1)2. Bandingkan dan kontras efek rumah kaca alami bumi dan efek rumah kaca

ditingkatkan (3.1)



ix

3. Memahami peran utama yang gas atmosfer tertentu bermain dalam efekrumah kaca (3.1-3.2)

4. Jelaskan metode yang digunakan untuk mengumpulkan bukti masa lalukonsentrasi gas rumah kaca dan global

5. Gunakan struktur Lewis untuk menentukan geometri molekul dan bono sudut(3.3)6. Berkaitan geometri molekuler untuk penyerapan radiasi inframerah (3.4)7. Sebutkan gas rumah kaca utama dan menjelaskan mengapa masing-masing

memiliki geometri molekul yang tepat untuk menjadi gas rumah kaca (3.4)8. Jelaskan peran yang proses alami bermain di9. Mengevaluasi bagaimana aktivitas manusia berkontribusi pada siklus karbon

dan perubahan iklim (3.5)10. Memahami bagaimana massa molar didefinisikan dan digunakan (3.6)11. Hitung massa rata-rata atom menggunakan nomor Avogadro (3.6)12. Menunjukkan kegunaan dari mol kimia (3.7)13. Menilai sumber, jumlah emisi relatif, dan efektivitas gas rumah kaca selain

CO2 (3.8)

14. Evaluasi peran pendorong iklim alami dan antropogenik (3.9)15. Kenali keberhasilan dan keterbatasan model berbasis komputer dalammemprediksi perubahan iklim (3.9)

16. Hubungkan beberapa konsekuensi utama perubahan iklim dengankemungkinan mereka (3.10)

17. Mengevaluasi keuntungan dan kerugian dari peraturan gas rumah kaca yangdiusulkan (3.11)

18. Memberikan contoh strategi adaptasi mitigasi iklim dan iklim (3.11)19. Menganalisis, menafsirkan, mengevaluasi, dan berita kritik tentang perubahan

iklim (3.1-3.12)20. Ambil posisi informasi sehubungan dengan isu seputar perubahan iklim (3.1-

3.12)

Bab 4:1. Nama bahan bakar fosil, menggambarkan karakteristik masing-masing, dan

membandingkannya dalam hal seberapa bersih mereka membakar danberapa banyak energi yang mereka hasilkan (4.1-4.7)

2. Evaluasi bahan bakar fosil sebagai sumber energi yang berkelanjutan (4.1-4.7)

3. Hubungkan proses pembangkitan listrik dari bahan bakar fosil denganlangkah-langkah dalam transformasi energi (4.1)

4. Bandingkan dan kontras energi kinetik dan energi potensial, baik pada tingkatmakroskopik dan molekuler (4.1)

5. Menerapkan konsep entropi untuk menjelaskan hukum kedua termodinamika(4.2)

6. Jelaskan "teknologi batubara bersih" dan mengomentari kelangsungan hidup

mereka, jangka panjang dan pendek (4.3)7. Jelaskan bagaimana dan mengapa minyak halus (4.4)8. Sebutkan fraksi yang berbeda diperoleh dengan penyulingan minyak bumi.

Bandingkan dan kontras ini dalam hal komposisi kimia, sifat kimia, titik didih,dan penggunaan akhir (4.4)

9. Terapkan istilah endotermik dan eksotermik reaksi kimia berdasarkanperhitungan atau intuisi kimia (4.5)

10. Hitung perubahan energi dalam reaksi yang menggunakan energi ikatan (4.6)11. Menilai bagaimana aditif bensin mempengaruhi efisiensi mobil, emisi knalpot,

kesehatan manusia, dan lingkungan (4.7)



x

12. Memahami energi aktivasi dan bagaimana kaitannya dengan tingkat reaksi(4.8)

13. Bandingkan dan kontras produksi dan penggunaan etanol dan biodieselsebagai bahan bakar (4.9-4.10)

14. Bandingkan dan biofuel kontras dengan bensin dalam hal komposisi kimia,energi yang dilepaskan pada pembakaran, dan energi yang dibutuhkan untukmemproduksi (4.9-4.10)

15. Berkorelasi penggunaan energi dengan jumlah penduduk, pencemaranlingkungan, dan ekspansi ekonomi (4.10)

16. Mengambil berdiri informasi tentang berbagai langkah konservasi energi,termasuk sejauh mana mereka cenderung menghasilkan penghematanenergi (4.11)

17. Mengevaluasi artikel berita tentang langkah-langkah keberlanjutan energi danmenilai akurasi mereka (4.11)

Bab 5:1. Jelaskan bagaimana air terkait dengan kehidupan di planet ini (pengenalan)

2. Hubungkan elektronegativitas atom dengan polaritas ikatan terbentuk dariatom-atom ini (5.1)3. Jelaskan ikatan hidrogen dan menghubungkannya dengan sifat air (5.2)4. Bandingkan kepadatan es dan air dan mampu menjelaskan perbedaan (5.2)5. Menghubungkan panas spesifik air untuk peran yang dimainkan oleh air di

planet ini (5.2)6. Diskusikan hubungan antara sifat-sifat air dan struktur molekul (5.2)7. Jelaskan cara utama orang menggunakan air di planet kita (5.3)8. Diskusikan bagaimana konsep jejak air membentuk pandangan kita tentang

penggunaan air (5.3)9. Hubungkan perubahan iklim global dengan penawaran dan permintaan air

(5.4)10. Gunakan unit konsentrasi: persen, ppm, ppb, dan molaritas (5.5)

11. Diskusikan mengapa air adalah sebuah pelarut yang sangat baik bagi banyak(tapi tidak semua) ion dan senyawa kovalen (5.5)

12. Kaitkan hal ini: kation, anion, dan senyawa ionik (5.6)13. Tuliskan nama dan rumus kimia untuk senyawa ionik, termasuk mereka

dengan ion poliatomik umum (5.7)14. Jelaskan apa yang terjadi ketika senyawa ion larut dalam air (5.8)15. Menjelaskan mengapa beberapa solusi listrik dan yang lainnya tidak (5.9)16. Menjelaskan peranan surfaktan sebagai agen kelarutan (5.9)17. Jelaskan pepatah "seperti larut seperti" dan menghubungkan hal ini dengan

biomagnifikasi (5.9)18. Memahami peran undang-undang federal dalam melindungi air minum yang

aman (5.10)19. Kontras tujuan maksimum tingkat kontaminan (MCLG) dan tingkat

kontaminan maksimum (MCL) yang ditetapkan oleh EPA untuk menjaminkualitas air (5.10)

20. Diskusikan bagaimana air minum dapat dibuat aman untuk diminum (5.11)21. Memahami proses destilasi dan reverse osmosis untuk memproduksi air

minum (5.12)22. Jelaskan bagaimana hijau kimia dan aplikasinya dapat memberikan kontribusi

terhadap air bersih (5.9, 5.12)23. Meringkas setidaknya dua kemungkinan solusi untuk tantangan air global

kami (5.12)



xi

Bab 6:1. Tentukan asam syarat dan dasar dan tahu bagaimana menggunakan definisi

ini untuk membedakan asam dari basa (6.1-6.3)2. Mewakili disosiasi (ionisasi) asam dan basa menggunakan persamaan kimia

(6.1-6.2)3. Reaksi Write netralisasi untuk asam dan basa (6.3)4. Klasifikasikan solusi seperti asam, basa, atau netral berdasarkan pH atau

konsentrasi H + dan OH-mereka (6.3-6.4)5. Hitung nilai pH yang diberikan hidrogen atau ion hidroksida dalam konsentrasi

seluruh nomor (6.4)6. Bandingkan pH air murni, pH hujan biasa, pH hujan asam, dan pH air laut (6.4)7. Gunakan persamaan kimia untuk berhubungan peningkatan kadar asam

karbonat dalam air laut untuk pembubaran sel kalsium karbonat (6.5)8. Cari di peta Amerika Serikat di mana hujan turun paling asam (6.6)9. Jelaskan peran sulfur oksida dan nitrogen oksida dalam menyebabkan hujan

asam (6.7-6.8)10. Bandingkan penyebab pengasaman laut dan asam presipitasi (6.5-6.8)

11. Jelaskan mengapa N2 adalah elemen yang relatif inert. Jelaskan berbagaibentuk reaktif nitrogen dan bagaimana mereka diproduksi secara alami danoleh manusia. Gunakan siklus nitrogen untuk menjelaskan efek cascadingreaktif nitrogen (6.9)

12. Jelaskan bagaimana produksi industri amonia dan pengendapan asam nitratbaik berkontribusi pada penumpukan nitrogen reaktif di planet kita (6.9)

13. Sebutkan berbagai sumber NOx dan SO2 dan menjelaskan variasi dalamtingkat polutan ini selama 30 tahun terakhir (6.10)

14. Jelaskan produksi aerosol asam dan efeknya terhadap bahan bangunan dankesehatan manusia (6.12)

15. Jelaskan mengapa kontrol hujan asam adalah investasi yang bijaksana dalamhal manfaat bagi kesehatan manusia (6.12)

16. Jelaskan kejenuhan nitrogen dan konsekuensinya bagi danau (6.13)

Bab 7:1. Berikan gambaran dari penggunaan masa lalu dan saat ini tenaga nuklir di

Amerika Serikat atau negara lain pilihan Anda (7.1)2. Laporan tentang penggunaan tenaga nuklir untuk 'pembangkit listrik di seluruh

dunia (7.1)3. Jelaskan proses fisi nuklir, peran neutron dalam mempertahankan reaksi

berantai, dan sumber energi yang menghasilkan (7.2)4. Bandingkan dan kontras bagaimana listrik diproduksi di pembangkit listrik

konvensional dan pembangkit listrik tenaga nuklir (7.3)5. Bandingkan proses alpha, beta, dan gamma peluruhan dalam hal perubahan

yang terjadi dalam inti atom radioaktif (7.4)6. Menafsirkan makna dari radiasi kata, tergantung pada konteks (7.4)

7. Jelaskan bagaimana peluruhan radioaktif uranium-238 menyebabkanproduksi dari serangkaian radioisotop.

8. Juga menjelaskan mengapa alami radioisotop seperti karbon-14 danhidrogen-3 bukan merupakan bagian dari seri ini (7.4)

9. Menggambarkan kecelakaan di Chernobyl dan menjelaskan mengapa yodiumradioaktif dirilis dan berbahaya bagi orang-orang (7.5)

10. Urutkan sumber yang berkontribusi terhadap dosis tahunan Anda dari radiasi,baik alam dan buatan manusia (7.6)



xii

11. Jelaskan mengapa radiasi nuklir juga disebut radiasi pengion. Di dalam tubuh Anda, menjelaskan hubungan antara radiasi pengion dan produksi radikalbebas (7.6)

12. Beberapa unit menggambarkan sampel radioaktif, yang lain menggambarkan

kerusakan yang dilakukan pada jaringan. Gunakan curie, rad, dan rem untukmenggambarkan hal ini (7.6)13. Istilah uranium yang diperkaya dan uranium yang membingungkan orang.

Jelaskan pasangan ini istilah sedemikian rupa sehingga masyarakat umumdapat lebih mudah memahami persamaan dan perbedaan (7.7)

14. Apakah "back-of-the-amplop" perhitungan waktu paruh radioisotop untuk,mampu dengan cepat menentukan berapa banyak radioaktivitas yang tersisasetelah waktu telah berlalu (7.8)

15. Menerapkan konsep paruh ke penyimpanan limbah nuklir (7.8)16. Evaluasi radioisotop dalam hal bahaya kesehatan mereka, faktor-faktor

seperti paruh, jenis peluruhan radioaktif, efek sekali dalam tubuh, dan rutemasuk ke dalam tubuh membahas. Misalnya, membandingkan radon-222,iodine-131, dan strontium-90 (7.8)

17. Jelaskan masalah yang terkait dengan produksi dan penyimpanan limbahradioaktif tingkat tinggi, termasuk bahan bakar nuklir (7.9)18. Mengambil berdiri informasi tentang bagaimana tingkat tinggi limbah radioaktif

harus ditangani dan disimpan (7.9)19. Mengevaluasi artikel berita di tenaga nuklir dan limbah nuklir dengan percaya

diri dalam kemampuan Anda untuk memahami prinsip-prinsip ilmiah yangterlibat (7.9-7.11)

20. Jelaskan hubungan antara tenaga nuklir dan proliferasi senjata nuklir (7.9)21. Menilai resiko dan manfaat dalam hal penggunaan tenaga nuklir (7.10)22. Mengambil berdiri informasi tentang penggunaan tenaga nuklir untuk produksi

listrik (7.11)23. Menjelaskan faktor-faktor yang mendukung atau menentang pertumbuhan

energi nuklir pada dekade berikutnya (7.11)

Bab 8:1. Diskusikan prinsip-prinsip yang mengatur transfer elektron dalam sel galvanik,

termasuk proses oksidasi dan reduksi (8.1)2. Mengidentifikasi oksidasi dan reduksi setengah-reaksi dan mampu

membedakan mana spesies kimia teroksidasi dan yang berkurang (8.1)3. Jelaskan desain, operasi, aplikasi, dan keuntungan dari beberapa jenis

baterai (8.1-8.3)4. Bandingkan dan kontras prinsip, keuntungan, dan tantangan memproduksi

dan menggunakan kendaraan hybrid (8.4)5. Jelaskan desain, operasi, aplikasi, dan keuntungan dari sel bahan bakar khas

(8.5)6. Jelaskan biaya energi dan keuntungan memproduksi hidrogen dan

menggunakannya sebagai bahan bakar (8.6)7. Jelaskan prinsip-prinsip yang mengatur operasi photovoltaic (solar) sel dan

menggunakan mereka saat ini dan masa depan (8.7)8. Jelaskan keuntungan dari sumber energi terbarukan dibandingkan sumber

energi tradisional dan bagaimana mereka terkait dengan energi melaluitransfer elektron (8.8)

Bab 9:1. Berikan contoh dari kedua polimer alami dan sintetis (9.1)



xiii

2. Memahami pada tingkat molekuler hubungan antara polimer dan monomerdari mana mereka disintesis (9.1)

3. Memahami mekanisme molekuler penambahan polimerisasi (9.2)4. Bandingkan dan kontras polyethylene low-density dan high-density

polyethylene, baik pada tingkat molekuler dan dari segi sifat mereka (9.3)5. Kenali struktur molekul untuk masing-masing Big Six polimer dan dapatmenarik struktur monomer dari mana mereka dibuat (9.4)

6. Cocokkan properti dari Big Six polimer dengan menggunakan mereka (9.4):low-density polyethylene (LDPE) dan high-density polyethylene (HDPE) (9.3)polyvinyl chloride (PVC) (9.4) polystyrene (PS) (9.4) polypropylene ( PP) (9.4)polyethylene terephthalate (PET) (9.5)

7. Bandingkan dan kontras kondensasi polimerisasi dengan penambahanpolimerisasi (9.5)

8. Dapat nama dan menggambar formula struktur untuk kelompok fungsionalyang berbeda (9.5)

9. Menjelaskan hubungan antara asam amino dan protein (9.6)10. Gunakan formula struktural untuk menulis persamaan kimia untuk sintesis

nilon (9.6)11. Menjelaskan dan menafsirkan tren daur ulang plastik selama dekade terakhir(9.7)

12. Menghubungkan teknis, masalah ekonomi, dan politik dalam metode untukmembuang sampah plastik: insinerasi, biodegradasi, penggunaan kembali,daur ulang, dan pengurangan sumber (9.7-9.8)

13. Diskusikan kegiatan yang berbeda yang terlibat dalam daur ulang dankompleksitas yang melekat mereka (9.8)

14. Jelaskan hirarki pengurangan limbah, dan mengapa pengurangan sumberdan penggunaan kembali lebih disukai (9.8)

Bab 10:1. Menjelaskan penemuan, pengembangan, dan sifat fisiologis aspirin (10.1)

2. Memahami bonding di (organik) senyawa yang mengandung karbon (10.2)3. Menerapkan konsep isomerisme molekul organik (10.2)4. Mengkonversi rumus kimia senyawa karbon yang mengandung rumus

struktur, rumus struktur kental, dan gambar garis-angle (10.2)5. Kenali kelompok fungsional dan kelas senyawa organik yang mengandung

mereka, menggambar formula struktur molekul organik yang mengandungberbagai kelompok fungsional (10.3)

6. Memahami bahwa kelompok-kelompok fungsional dapat dimodifikasi secarakimia untuk mengubah sifat suatu molekul (10.3)

7. Memprediksi produk reaksi pembentukan ester dan menjelaskan bagaimanaamina mungkin akan diubah ke bentuk garam mereka (10.3)

8. Menghubungkan struktur molekul aspirin untuk analgesik lainnya (10.3)9. Memahami cara kerja dari aspirin dan analgesik lainnya (10.4)

10. Menggambarkan penemuan penisilin (10.5)11. Jelaskan mekanisme lock-and-key kerja obat (10.5)12. Jelaskan bagaimana sintesis kombinatorial dapat digunakan dalam

penciptaan koleksi besar obat baru dengan biaya lebih rendah daripadametode sebelumnya (10.5)

13. Memahami perbedaan dalam struktur molekul antara sepasang kiral (optik)isomer (10.6)

14. Menghargai efek ekonomi dari obat kiral (10.6)15. Mengidentifikasi pengaturan dasar karbon kerangka steroid (10.7)



xiv

16. Mengakui bahwa perubahan kecil dalam struktur steroid dapat mengakibatkanperubahan besar dalam bioaktivitas (10.7)

17. Bandingkan dan kontras merek-nama generik dan obat-obatan (10.8)18. Mengidentifikasi beberapa over-the-counter kategori obat dan menggunakan

mereka (10.8)19. Memahami proses obat pergi dari resep ke ATC (10.8)20. Menjelaskan beberapa manfaat potensial dan risiko obat-obatan herbal (10.9)21. Jelaskan penjadwalan obat resep (10.10)22. Diskusikan penggunaan ganja dan oxycodone dalam hal efek fisiologis dan

sosial mereka (10.10)

Bab 11:1. Diskusikan konsep "foodprint" dan implikasinya pada kesehatan planet ini

(11.1)2. Membedakan antara malnutrisi dan kekurangan gizi (11.2)3. Jelaskan apa yang membuat makanan "olahan" (11.2)4. Menggambarkan distribusi air, lemak, karbohidrat, dan protein dalam tubuh

manusia dan beberapa makanan khas (11.2)5. Kenali lipid, karbohidrat, dan protein dengan rumus struktural mereka (11.3,11.5, 11.6)

6. Mengidentifikasi sumber-sumber lemak jenuh dan tak jenuh dan signifikansimereka dalam diet (11.3)

7. Tunjukkan bagaimana asam lemak dan gliserol dapat bergabung membentuktrigliserida (11.3)

8. Memahami bagaimana hidrogenasi mengarah pada pembentukan lemaktrans (11.4)

9. Diskusikan sumber kolesterol dan signifikansinya dalam diet (11.4)10. Jelaskan kimia hijau terkait dengan inter-esterifikasi (11.4)11. Jelaskan perbedaan antara gula, pati, dan selulosa (11.5)12. Gambarkan rumus struktur umum untuk asam amino dan menjelaskan

bagaimana asam amino bergabung membentuk protein (11.6)13. Diskusikan pentingnya asam amino esensial dan signifikansi diet mereka

(11.6)14. Jelaskan prinsip saling melengkapi protein (11.6)15. Jelaskan gejala dan penyebab fenilketonuria (11.7)16. Diskusikan efek dari vitamin dipilih pada kesehatan manusia, membedakan

antara vitamin yang larut dalam lemak dan larut dalam air (11.8)17. Diskusikan hubungan antara mineral (macrominerals, mineral mikro, dan

mineral) dan kesehatan manusia (11.8)18. Jelaskan mengapa karbohidrat, lemak, dan protein berbeda sebagai sumber

energi (11.9)19. Mengidentifikasi dan menggunakan tingkat metabolisme basal (BMR) (11.9)20. Tahu sumber daya yang tepat untuk mendapatkan saran diet up-to-date

(11.10)21. Gunakan sumber daya untuk menentukan rencana diet pribadi (11.10)22. Diskusikan bagaimana perubahan iklim mempengaruhi produksi pangan dan

sebaliknya (11.11)23. Diskusikan masalah kekurangan gizi, mengidentifikasi faktor yang

berkontribusi terhadap tren yang diamati (11.12)24. Jelaskan berbagai strategi untuk secara berkelanjutan makan tumbuh

populasi dunia (11.12)25. Diskusikan efek dari Revolusi Hijau pada produksi pangan dan kesehatan

planet ini (11.12)



xv

Bab 12:1. Diskusikan komplikasi pertanian jagung sebagai contoh inspirasi bagi

rekayasa genetika (12.1)

2. Memahami bahwa sel-sel berfungsi dengan serangkaian kompleks reaksikimia (12.2)3. Diskusikan DNA sebagai perangkat penyimpanan informasi untuk

menjalankan reaksi kimia (12.2)4. Memahami komposisi kimia dari asam deoksiribonukleat (DNA), polimer basa

yang mengandung nitrogen, deoksiribosa, dan gugus fosfat 02.2)5. Menafsirkan bukti untuk struktur heliks ganda DNA dan pasangan alasnya

(12.3)6. Memahami dasar struktural replikasi DNA (12.3)7. Jelaskan bagaimana kode genetik ditulis dalam pengelompokan tiga basis

DNA yang disebut kodon (12.4)8. Memahami bagaimana berhubungan dengan kodon asam amino seluruh

organisme (12.4)

9. Membahas struktur primer, sekunder, dan tersier protein (12.5)10. Kenali sifat-sifat umum dari rantai samping asam amino (12.5)11. Berkaitan sifat asam amino untuk interaksi yang terbentuk dalam struktur

protein (12.5)12. Diskusikan, dengan contoh-contoh, bagaimana perubahan kecil dalam urutan

protein dapat menyebabkan penyakit (12.5)13. Memahami langkah-langkah penting dalam melaksanakan teknik DNA

rekombinan (12.6)14. Jelaskan apa yang dimaksud dengan organisme transgenik dan memberikan

contoh (12.6)15. Berikan contoh singkat seleksi alam, pembiakan selektif, dan rekayasa

genetika (12.6)16. Diskusikan, dengan contoh-contoh, bagaimana modifikasi genetik telah

mengubah industri kimia (12.7)17. Diskusikan isu-isu kontroversial terkait dengan organisme transgenik dan

kekhawatiran tentang Frankenfood (12.8)18. Debat masalah yang terkait dengan aplikasi bijaksana dan etika rekayasa

genetika (12.8)



1

BAB 0 KIMIA UNTUK MASA DEPAN YANG BERKELANJUTAN

Hanya satu bumi . Dari sudut pandang luar angkasa, planet yang kita sebut

sebagai rumah kita benar-benar luar biasa, ”marmer biru” tersusun atas air, tanah,

dan awan. Pada tahun 1972, awak pesawat ruang angkasa Apollo 17 memfoto Bumi

pada jarak sekitar 28.000 mil (45.000 kilometer). Dengan kata-kata kosmonot Soviet

Aleksei Leonov mengungkapkan, ”Bumi adalah kecil, biru muda, dan begitu

menyentuh.”

Apakah kita hanya sendirian di alam semesta? Mungkin saja. Meskipun

demikian, sudah jelas kita tidak sendirian di planet kita ini. Kita berbagi dengan

makhluk lain yang besar maupun kecil. Ahli biologi memperkirakan lebih dari 1,5 juta

spesies ada di planet, temasuk kita sendiri. Beberapa spesies memberi kita makan

dan mendukung kita. Spesies lainnya berkontribusi untuk kesejahteraan kita. Yang

lain lagi (seperti nyamuk) mengganggu dan bahkan mungkin membuat kita jatuh sakit.

Kita juga berbagi planet dengan hampir 7 miliar orang lain. Selama seabadterakhir, populasi manusia di Bumi menjadi lebih dari tiga kali lipat, suatu percepatan

pertumbuhan yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam sejarah planet kita.

Menjelang tahun 2050, populasi dapat berambah sebesar 2-3 miliar lagi.

Besar dan kecil, semua spesies di planet kita entah bagaimana saling

terhubung. Bagaimana persisnya hal ini terjadi, mungkin tidak begitu jelas bagi kita.

Misalnya, mikroorganisme yang tak terlihat mengubah nitrogen dari satu bentuk kimia

ke bentuk yang lain, dan memberikan nutrisi tanaman hijau untuk tumbuh. Tanaman

ini memanfaatkan energi cahaya dari Matahari selama proses fotosintesis. Dengan

menggunakan energi ini, tanaman ini mengkonversi senyawa karbon dioksida dan air

menjadi glukosa, sebagai sumber makanan. Pada saat yang sama, mereka

melepaskan unsur oksigen ke udara yang kita hirup. Dan kita manusia adalah inangmikroorganisme yang tak terhitung jumlahnya yang menempati kulit dan organ

internal kita.

Besar dan kecil, keterhubungan ini telah melampaui batas pada tingkat yang

mengkhawatirkan. Kakek-nenek kita dulu bisa bercerita "bagaimana dulu” ketika

mereka memancing dan berburu. Misalnya, salmon yang pernah berenang di sungai

berbatu di Pantai Atlantik Utara. Pelaut pernah melaporkan ikan besar sedemikian

berlimpah sehingga mereka benar-benar bisa diambil dengan tangan. Abalone

pernah ada di mana-mana di lepas pantai Pasifik Amerika Utara, bukan hanya di

beberapa tempat yang dapat ditemukan sekarang. Namun, tak seorang pun yang

hidup sekarang dapat mengingat ikan yang pernah melimpah ini.

Sebuah perubahan telah terjadi dalam perspektif kita. Hari ini, kita terbiasamembaca laporan populasi ikan menurun dan spesies yang terancam punah. Apakah

Anda telah menemukan istilah pergeseran baseline? Hal ini mengacu pada gagasan

bahwa apa yang orang harapkan sebagai ”normal” pada planet kita telah berubah

dari waktu ke waktu, khususnya yang berkaitan dengan ekosistem. Kelimpahan ikan

dan satwa liar yang dulu normal tidak lagi tersimpan dalam kenangan mereka yang

hidup saat ini. Demikian pula, banyak dari kita tidak memiliki memori kota yang dijejali

oleh kendaraan. Hanya sedikit orang mengingat hari-hari musim panas yang cerah,

dan ketika itu benar-benar tampak seolah-olah Anda bisa melihat selamanya.



2

Jelas kita manusia adalah makhluk yang rajin bekerja. Kita menanam

tanaman, membendung sungai, membakar bahan bakar, membangun bangunan,

dan terbang melintasi zona waktu. Ketika kita melaksanakan kegiatan tersebut

bersama-sama dengan satu juta orang lain, kita mengubah kualitas udara yang kita

hirup, air yang kita minum, dan tanah di mana kita hidup. Seiring waktu, tindakan kitatelah mengubah wajah planet kita. Seperti apakah planet kita suatu saat? Lihat apa

yang dapat Anda temukan dengan melakukan kegiatan berikutnya.

Hal apa yang terpenting? Hal-hal yang kita anggap hari ini sebagai ”normal”

sesungguhnya tidak normal pada masa lalu. Meskipun kita tidak bisa memutar

kembali waktu, kita masih bisa membuat pilihan untuk memperbaiki kesehatan kita

dan kesehatan planet kita hari ini dan di masa depan. Pengetahuan kimia dapat

membantu. Masalah global yang kita hadapi dan solusinya terkait erat dengan

keahlian kimia dan kecerdikan manusia yang baik.

0.1 Pilihan yang Kita Buat Saat Ini

Secara individual, mungkin tampak bahwa tindakan kita memiliki sedikit efekpada sistem besar seperti planet kita. Dibandingkan dengan badai, kekeringan, atau

gempa bumi, apa yang kita lakukan setiap hari bisa tampak cukup penting.

Perbedaan mungkin bisa kita lakukan jika kita bersepeda ke tempat bekerja, bukan

dengan naik mobil, menggunakan tas kain pakai-ulang bukan dengan plastik sekali

pakai buang, atau makan makanan lokal, bukan mengkonsumsi makanan yang

dikirim dari ratusan atau bahkan ribuan mil jauhnya?

Sebagian besar kegiatan manusia termasuk bersepeda, mengemudi,

menggunakan kantong apapun jenisnya, dan makan memiliki dua kesamaan:

membutuhkan konsumsi sumber daya alam, dan menghasilkan penciptaan limbah.

Mengendarai mobil membutuhkan bensin (disuling dari minyak mentah), dan

pembakaran bensin menghasilkan limbah keluar pipa knalpot. Meskipun naik sepedaadalah pilihan yang lebih ekologis, semua sepeda, seperti mobil, masih memerlukan

pembuatan dan pembuangan logam, plastik, karet sintetis, kain dan cat. Tas belanja,

baik kertas atau plastik, memerlukan bahan untuk membuatnya. Kemudian pada

ujung-ujungnya, tas ini akan menjadi produk limbah. Dan untuk menumbuhkan

makanan membutuhkan air dan energi untuk memanen dan mengangkut ke pasar.

Selain itu, produksi makanan mungkin memerlukan pupuk dan menggunakan

insektisida dan herbisida.

Anda dapat melihat dimana hal ini terjadi. Setiap kali kita membuat sesuatu

dan memindahkan sesatu, kita mengkonsumsi sumber daya dan menghasilkan

limbah. Jelas, meskipun, beberapa kegiatan mengkonsumsi sumber daya dan

menghasilkan limbah lebih sedikit dibanding yang lain. Bersepeda menghasilkanlimbah kurang dibanding naik mobil, menggunakan kembali tas kain menghasilkan

limbah lebih sedikit dibanding terus-menerus membuang plastik sekali pakai.

Meskipun apa yang Anda lakukan mungkin dapat diabaikan dalam skala besar, tetapi

apa yang dilakukan 7 miliar orang jelas tidak dapat diabaikan. Aksi bersama kita tidak

hanya menyebabkan perubahan lokal untuk udara, air, dan tanah, tetapi juga

merusak ekosistem regional dan global.

Kita harus berpikir dengan skala miliar. Memasak dengan api sendirian? Tidak

ada masalah, kecuali jika tak sengaja membakar sebuah hunian. Tapi bayangkan



3

beberapa miliar orang di seluruh planet memasak dengan api. Penggunaan api

termasuk yang memasak menggunakan kompor, tungku bata, dan panggangan

outdoor. Sekarang Anda memiliki banyak bahan bakar yang dibakar! Setiap bahan

bakar melepaskan produk limbah ke atmosfer. Produk limbah ini lebih dikenal sebagai

polutan udara yang sangat tidak ramah untuk paru-paru kita, mata kita, dan tentu sajauntuk ekosistem kita.

Saat ini, produk-produk limbah yang kita hasilkan dalam skala yang belum

pernah terjadi sebelumnya mereka dan potensinya untuk menurunkan kualitas hidup

dan bahkan memperpendek hidup kita. Sebagai contoh, di kota besar seperti New

York, Atlanta, Meksiko City, atau Beijing, Anda akan menemukan bahwa pasien

rumah sakit dan tingkat kematian berkorelasi dengan tingkat polusi udara. Meskipun

risiko kesehatan lebih kecil dibanding yang disebabkan oleh obesitas atau merokok,

masalah kesehatan masyarakat yang besar karena orang terkena udara polutan, baik

di dalam ruangan maupun di luar ruangan, selama seumur hidup.

Yang juga mengkhawatirkan adalah bahwa tindakan kita (oleh miliaran orang)

menghasilkan produk limbah yang menghancurkan habitat spesies lainnya di planetini. Kepunahan, tentu saja, adalah fenomena alami. Tapi hari ini angka ini berlipat-

lipat lebih cepat dari yang diharapkan dari penyebab alami. Penghancuran kita

terhadap habitat khusus lokal, terutama untuk tanaman, telah menyebabkan

kepunahan tersebut.

Yang mendasari banyak produksi limbah kita adalah energi. Kebutuhan untuk

menemukan sumber-sumber energi yang bersih dan berkelanjutan bisa dibilang

merupakan tantangan utama pada masa kita ini. Saat ini kita sedang mengkonsumsi

sumber daya tak terbarukan dan terbarukan dan membuang limbah ke udara, tanah,

dan air pada tingkat yang tidak dapat dipertahankan. Hal ini seharusnya tidak

mengejutkan. Dari apa yang telah Anda pelajari dari studi yang lain, kemungkinan

besar Anda juga menyadari hal ini.Setiap masalah datang merupakan kesempatan untuk menemukan solusi

kreatif. Kita berharap Anda bertanya pada diri sendiri ”Apa bisa saya lakukan?” dan

”Bagaimana saya bisa membuat perbedaan dalam komunitas saya?” Ketika Anda

mengajukan pertanyaan seperti ini, ingatlah untuk memasukkan kimia dalam

pembahasan Anda. Memang, Kimia juga dikenal sebagai ”ilmu pusat.” Hari ini, ahli

kimia berada di tengah-tengah aksi untuk penggunaan sumber daya secara

berkelanjutan. Kimiawan ditantang untuk menggunakan apa yang mereka ketahui,

untuk melakukannya secara bertanggung jawab, dan berlanjut dengan cepat. Hal

yang sama, tentu saja, berlaku untuk Anda. Dalam hal buku ini, kita akan mendukung

Anda saat Anda belajar dan mendorong Anda untuk menggunakan apa yang Anda

pelajari untuk bertindak secara bertanggung jawab dan dengan segera.

0.2 Praksis Berkelanjutan yang kita butuhkan untuk masa depan

Apa maknanya menggunakan sumber daya dari planet kita secara

berkelanjutan? Kita berharap bahwa Anda dapat menjawab pertanyaan ini setidaknya

sebagian dari apa yang sudah Anda pelajari di pelajaran lain. Orang yang

mempelajari disiplin ilmu lainnya, termasuk ekonomi, politik ilmu pengetahuan, teknik,

sejarah, keperawatan, dan pertanian, memiliki sumbangan dalam mengembangkan

praksis berkelanjutan. Dan seperti yang akan Anda pelajari dalam teks ini, bagi kita



4

dalam kimia juga memiliki sumbangan dalam mengembangkan praktek-praktek

berkelanjutan.

Karena istilah keberlanjutan digunakan oleh begitu banyak kelompok orang,

telah diambil makna yang berbeda. Kita telah memilih satu yang sering dikutip

”Memenuhi kebutuhan masa kini tanpa mengorbankan kemampuan generasimendatang untuk memenuhi kebutuhan mereka.” Definisi ini diambil dari pernyataan

tertulis lebih dari dua dekade yang lalu, laporan tahun 1987, “Our Common Future”,

ditulis oleh Komisi Dunia untuk Lingkungan dan Pembangunan Perserikatan Bangsa-

Bangsa. Meskipun demikian, telah bertahan dari ujian waktu. Pada Tabel 0.1, kita

mencetak ulang kutipan dari kata pengantar untuk “Our Common Future” sehingga

Anda dapat membaca kata-kata yang menantang dalam konteks aslinya.

Kata Brundtland membawa pesan kepada orang-orang yang mengajar dan

belajar. Dia menulis: ”Secara khusus, Komisi menangani anak-anak muda. Guru di

dunia akan memiliki peran penting untuk menyampaiakn laporan ini untuk mereka.”

Kita setuju. Untuk tujuan ini, kita berharap bahwa kuliah kimia ini akan merangsang

percakapan baik di dalam maupun di luar kelas. Salah satu percakapan tersebutadalah tentang praktek-praktek yang tidak berkelanjutan. Misalnya, Anda akan

mempelajari bahan bakar fosil dan mengetahui mengapa mereka gunakan tidak

berkelanjutan (Bab 4). Tapi jangan berhenti di sini. Anda juga perlu mendiskusikan

apa yang dapat Anda lakukan untuk memecahkan masalah yang kita hadapi saat ini.

Gunakan apa yang Anda pelajari tentang kualitas udara untuk bertindak

meningkatkan kualitas udara lokal dan untuk membuat keputusan sebagai warga

negara untuk meningkatkan dalam jangkauan yang lebih luas (Bab 1). Demikian pula,

menggunakan apa yang Anda pelajari tentang kelarutan air dan air limbah untuk

mengevaluasi kebijakan publik yang berhubungan dengan kualitas air (Bab 5).

Setiap diskusi tentang keberlanjutan perlu menyertakan konservasi. Meskipun

orang mungkin menyamakan konservasi dengan pengorbanan diri secara tidaksemestinya, persamaan jauh lebih kompleks dari ini. Untuk mengkonservasi, kita

perlu pengembangan yang kuat dari teknologi berbasis masyarakat yang

meningkatkan efisiensi, mempromosikan penggunaan sumber daya terbarukan, dan

meminimalkan atau mencegah limbah. Semua ini memerlukan kecerdikan dan know-

how kimia.

Setiap diskusi tentang keberlanjutan biasanya disertai dengan rasa urgensi

juga. Saat ini kita tidak menggunakan sumber daya bumi kita secara berkelanjutan.

Kita perlu mengubah praktik kita dan kita tidak bisa menunda. Rasa urgensi ini telah

menempatkan keberlanjutan tepat pada layar radar ahli kimia, ilmuwan lain, dan

masyarakat professional. Sebagai contoh, ahli botani Peter H. Raven, mantan

presiden Asosiasi Amerika untuk Kemajuan Ilmu Pengetahuan, berbicara tentangkeberlanjutan dalam pidato 2002 sebagai presiden berjudul Science, Keberlanjutan

dan Prospek Manusia. Dia menyerukan tidak kekurangan cara berpikir yang baru.

“Cara-cara baru berpikir pendekatan multidimensional terhadap masalah global

keberlanjutan telah lama dibutuhkan, dan itu terserah kita untuk memutuskan apakah

tantangan yang sangat sulit yang kita hadapi hari ini akan menyentak kita untuk

mencari dan menerimanya.” Peter H. Raven, 2002

Tidak hanya kita harus menemukan cara-cara ini, tetapi kita juga akan dinilai

dari apakah kita sukses atau gagal melaksanakannya. Bill Carroll, seorang presiden



5

dari American Chemical Society, jelas menunjukkan ini: ”Sebelum 2015, perusahaan

kimia akan dinilai dengan paradigma baru tentang keberlanjutan. Operasinal yang

berkelanjutan akan menjadi penting baik secara ekonomis maupun etis.” Kata-kata

ini berasal dari laporan ia tulis di 200S, The Chemistry Enterprise 2015. Carroll juga

menunjukkan bahwa ”Tidak peduli apa, jalan menuju kesehatan yang lebih baik,bahan yang lebih baik, dan sumber-sumber energi yang lebih baik pasti harus

melewati kimia.” Dalam teks ini, kita akan mengikuti jalan ini. Bagian selanjutnya

menjelaskan Triple Bottom Line, sebuah cara penting untuk mengatur landasan kita

untuk melakukan perjalanan.

0.3 The Triple Bottom Line

Para ilmuwan bukanlah satu-satunya. Jika bidang utama Anda adalah bisnis

atau ekonomi, Anda mungkin akan menyadari dengan baik bahwa orang-orang di

sektor bisnis telah menempatkan keberlanjutan dalam agenda perusahaan. Bahkan,

praktek-praktek berkelanjutan sekarang menawarkan keunggulan kompetitif di pasar.

Dalam dunia bisnis, garis bawah selalu sudah termasuk menghasilkankeuntungan,

terlebih keuntungan yang besar. Hari ini, bagaimanapun, bottom line mencakup lebih

dari ini. Sebagai contoh, perusahaan akan dinilai sukses ketika mereka adil dan

bermanfaat bagi pekerja dan masyarakat yang lebih luas. Ukuran lain kesuksesan

mereka adalah seberapa baik mereka melindungi kesehatan lingkungan, termasuk

kualitas udara, air dan tanah.

Gambar 0.1 Representasi Triple Bottom Line

Secara keseluruhan, ini ukuran tiga segi keberhasilan bisnis yang didasarkan

pada manfaatnya bagi perekonomian, masyarakat, dan lingkungan telah dikenal

sebagai Triple Bottom Line. Salah satu cara untuk menggambarkan Triple Bottom

Line adalah dengan tumpang tindih lingkaran seperti ditunjukkan pada Gambar 0.1.

Ekonomi harus sehat, yaitu, laporan tahunan harus menunjukkan keuntungan. Tapi

tidak ada ekonomi yang terisolasi, melainkan terhubung ke sebuah komunitas yang

anggotanya juga harus sehat. Pada gilirannya, masyarakat menghubungkan

Ekosistem yang

sehat

MasyarakatEkonomi

yang sehat



6

ekosistem yang perlu menjadi sehat. Oleh karena itu gambarnya tidak satu, tapi tiga

lingkaran yang terhubungkan. Di persimpangan lingkaran ini terletak ”Zona Hijau.” Ini

merupakan kondisi di mana Triple Bottom Line terpenuhi.

Kerusakan yang terjadi pada salah satu lingkaran Gambar 0.1 akhirnya

diterjemahkan ke dalam bahaya untuk bisnis. Sebaliknya, mencapai kesuksesandapat memberikan keunggulan kompetitif, baik segera dan dalam tahun-tahun

mendatang. Bisnis dapat menghasilkan keuntungan, pada saat yang sama, mereka

bisa mendapatkan publisitas yang baik (dan meminimalkan kerugian apapun) dengan

menggunakan energi lebih sedikit, mengkonsumsi lebih sedikit sumber daya, dan

menciptakan limbah yang sedikit. Kemenangan tiga segi sekaligus!

Intinya? Perdebatan mengenai bagaimana menjadi ”hijau” cenderung akan

berlangsung terus seumur hidup. Isu-isu tidak baru, yang tidak mungkin diselesaikan

dalam waktu dekat. Kimia dalam Konteks akan mendorong Anda untuk

mengeksplorasi isu-isu tersebut, memperlengkapi Anda dengan pengetahuan yang

Anda butuhkan dan memungkinkan Anda untuk lebih kreatif membuat respon sendiri.

“Suatu masyarakat yang berkelanjutan adalah masyarakat yang melihatcukup jauh, cukup fleksibel, dan cukup bijaksana untuk tidak merusak baik fisik atau

sistem sosial.” Donella Meadows, 1992

0.4 Cradle-to- Where?

Anda mungkin pernah mendengar ungkapan berakhir ke kuburan, yaitu

pendekatan untuk menganalisis siklus hidup suatubarang, dimulai dengan bahan

baku dari mana ia datang dan diakhiri dengan tempat pembuangan akhir, mungkin di

Bumi. Ini frase menarik menawarkan kerangka acuan untuk mempertanyakan tentang

barang-barang konsumen. Dari mana barang itu berasal? Dan apa yang akan terjadi

ketika barang itu selesai Anda gunakan? Lebih dari yang pernah ada, individu,

masyarakat, dan perusahaan mengakui pentingnya menanyakan pertanyaan ini.Sebagai contoh, website untuk Clorox menegaskan bahwa pemutih yang

Anda beli, natrium hipoklorit, ”dimulai sebagai garam dan air dan berakhir sebagai

garam dan air.” Kita setuju. Namun, kita mendesak Anda untuk mempertimbangkan

siklus hidup seluruh produk seperti Clorox. Sala satu bahan kimia yang digunakan

dalam pembuatan Clorox adalah unsur bernama klorin (CI). klorin akan disebutkan di

hampir setiap bab Kimia dalam Konteks! Bagaimana klorin diproduksi dan diangkut?

Apa produk limbah diciptakan dalam pembuatannya? Cradle to-grave berarti berpikir

tentang setiap langkah dalam proses.

Perusahaan harus bertanggung jawab -seperti Anda juga - untuk barang-

barang dari saat sumber daya alam yang digunakan untuk membuatnya diambil dari

tanah, udara, atau air ke titik di mana mereka akhirnya ”dibuang.” Pikirkan item sepertibaterai, botol air plastik, 'l-shirt, peralatan pembersih, sepatu lari, ponsel, apa pun

yang Anda beli dan akhirnya Anda buang.

Berpikir Cradle to-grave jelas memiliki keterbatasan. Sebagai ilustrasi, mari

kita ikuti salah satu kantong plastik yang disediakan supermarket untuk bahan

makanan Anda. Bahan baku untuk tas tersebut adalah minyak bumi. Dengan

demikian, ”cradle” tas plastik ini kemungkinan besar adalah minyak mentah di suatu

tempat di planet kita, misalnya, ladang minyak Kanada. Mari kita asumsikan bahwa

minyak dipompa dari sumur di Alberta dan kemudian diangkut ke kilang di Amerika



7

Serikat. Di kilang, minyak mentah dipisahkan menjadi fraksi. Salah satu fraksi

kemudian pecah menjadi etilen, bahan awal untuk polimer. Ethylene selanjutnya

dipolimerisasi dan dibentuk menjadi tas polietilena. Tas ini dikemas dan kemudian

diangkut (pembakaran bahan bakar diesel, dari produk kilang lain) ke toko Anda.

Pada akhirnya, Anda membeli bahan makanan dan menggunakan salah satu tasuntuk membawa makanan pulang.

Seperti disebutkan, ini bukan skenario cradle to-grave. Sebaliknya, itu adalah

cradle-to dapur Anda, yang pasti beberapa langkah menuju kuburan. Jadi apa yang

terjadi dengan tas plastik ini setelah Anda menggunakannya? Apakah itu dibuang ke

tempat sampah? Istilah kuburan menggambarkan dimanapun barnag akhirnya

berakhir. Satu triliun kantong plastik, memberi atau mengambil, digunakan setiap

tahun di supermarket. Hanya sekitar 5% yang didaur ulang. Sisanya berakhir di lemari

kita, urugan tanah, atau berserakan di seluruh planet. Sebagai sampah, tas ini

memulai siklus WOO tahun, kembali memberikan atau mengambil, dekomposisi

lambat menjadi karbon dioksida dan air.

Cradle-to grave di suatu tempat di planet Bumi adalah skenario yangdirencanakan dengan buruk untuk tas supermarket. Jika masing-masing triliun

kantong plastik dimanfaatkan sebagai bahan baku untuk produk baru, kita kemudian

akan memiliki situasi yang lebih berkelanjutan. Cradle-to-cradle, sebuah istilah yang

muncul pada 1980-an, mengacu pada pendekatan regeneratif ke menggunakan hal-

hal di mana akhir dari siklus hidup dari satu barang menjadi awal dari siklus hidup

barang yang lain, sehingga semuanya digunakan kembali daripada dibuang sebagai

limbah. Dalam Bab 9, kita akan membahas berbagai skenario daur ulang dan

penggunaan ulang untuk botol plastik. Tapi sekarang, Anda dapat melakukan

pemikiran cradle-to cradle Anda sendiri dalam kegiatan berikutnya.

Seperti yang Anda katakan dari contoh-contoh ini, bukan hanya keputusan

produsen yang menjadi maslah. Keputusan yang Anda lakukan juga. Apa yang Andabeli, apa yang Anda buang, dan bagaimana Anda membuangnya semua harus

diperhatikan. Pilihan yang kita ambil menjadi masalah individual dan kolektif.

Pada risiko mengulangi diri kita sendiri, kita ingatkan bahwa kondisi saat ini

menjadi urusan di mana kita mengkonsumsi sumber daya tak terbarukan planet kita

dan menambah limbah ke udara, tanah, dan air kita, tidak berkelanjutan. Dengan rasa

urgensi, kita ingat kata-kata ahli botani Peter Raven yang dikutip sebelumnya: ”Kita

harus menemukan cara baru untuk menyediakan bagi masyarakat manusia yang saat

ini telah melampaui batas-batas keberlanjutan global.” Dalam bagian berikutnya, kita

menjelaskan mengapa, setting tahapan untuk topik dalam kimia yang akan

dieksplorasi dalam teks ini.

0.5 Jejak Ekologis Anda Anda mungkin sudah tahu cara untuk memperkirakan jarak tempuh bahan

bakar untuk kendaraan. Demikian juga, Anda dapat memperkirakan berapa banyak

kalori yang Anda konsumsi. Bagaimana Anda mungkin memperkirakan berapa

banyak modal alam Bumi dibutuhkan untuk mendukung cara hidup Anda? Jelas, ini

adalah tugas yang jauh lebih sulit. Untungnya, para ilmuwan lain sudah bergulat

dengan bagaimana untuk melakukan perhitungan matematika. Mereka mendasarkan

perhitungan pada cara di mana seseorang hidup dihubungkan dengan sumber daya

terbarukan yang tersedia yang diperlukan untuk mempertahankan gaya hidup ini.



8

Pertimbangkan metafora jejak kaki. Anda dapat melihat jejak kaki yang Anda

tinggalkan di pasir atau salju. Anda juga dapat melihat jejak berlumpur sepatu Anda

yang ditinggalkan di lantai dapur. Demikian pula, orang mungkin berpendapat bahwa

hidup Anda meninggalkan jejak di planet Bumi. Untuk memahami jejak ini, Anda harus

berpikir dalam satuan hektar atau akre. Satu hektar adalah sedikit lebih dari dua kaliluas dari 1 acre. Jejak ekologis adalah sarana untuk memperkirakan jumlah ruang

produktif secara biologis (tanah, air, dan permukaan laut) yang diperlukan untuk

mendukung standar hidup atau gaya hidup tertentu.

Gambar 0.2 Perbandingan jejak ekologi dalam hektar per orang

Untuk rata-rata warga negara Amerika Serikat, jejak ekologis diperkirakan

pada tahun 2005 sekitar 9,7 hektar (24 akre). Dengan kata lain, jika Anda tinggal di

Amerika Serikat, rata-rata membutuhkan 9,7 hektar untuk menyediakan sumber daya

untuk memberi Anda makan, pakaian Ana, transportasi, dan memberikan sebuah

hunian dengan kenyamanan yang biasa Anda nikmati. Orang-orang dari Amerika

Serikat memiliki kaki yang relatif besar, seperti yang Anda lihat pada Gambar 0.2.

Rata-rata dunia pada tahun 2003 diperkirakan 2,2 hektar per orang, hari ini nilai

diyakini lebih dekat dengan 2,7.

Berapa banyak lahan yang produktif secara biologis dan air tersedia di planet

kita? kita bisa memperkirakan ini dengan memasukkan daerah seperti lahan

pertanian dan zona perikanan, dan menghilangkan daerah seperti padang pasir dan

padang es. Saat ini, nilai tersebut diperkirakan mencapai sekitar 11 milyar hektar

(kira-kira 27 miliar akre) dari tanah, air, dan permukaan laut. Hal ini ternyata sekitar

seperempat dari permukaan bumi. Apakah ini cukup untuk mempertahankan setiap

orang di planet ini dengan gaya hidup seperti orang-orang di Amerika Serikat?

Kegiatan selanjutnya memungkinkan Anda untuk melihat sendiri.

Intinya? Sebuah bangsa yang orang-orangnya memiliki jejak yang lebih besar

dari rata-rata sekitar 1,6 hektar melebihi ”daya dukung” bumi. Menggunakan Amerika

Serikat sebagai contoh, mari kita lakukan satu perhitungan lagi untuk melihat

seberapa banyak. Meskipun Anda mungkin tidak tahu berapa banyak udara yang

Anda hirup dalam hari, Bab 1 akan membantu Anda untuk memperkirakan ini.

Mari kita sekarang anggap bahwa semua orang di planet ini hidup seperti rata-

rata warga di Amerika Serikat. Berikut adalah perhitungan berdasarkan populasi

dunia pada tahun 2009.



9

Jadi, untuk mempertahankan standar hidup yang sama untuk semua orang di

planet ini kita akan perlu tambahan 5 Bumi lagi di samping yang saat ini kita miliki!

“Hanya Satu Bumi.” Di Bumi ini, jumlah orang telah meningkat secara dramatis

dalam beberapa ratus tahun terakhir. Demikian juga pembangunan ekonomi. Sebagai

hasilnya, diperkirakan jejak ekologis global meningkat, seperti yang ditunjukkan padaGambar 0.3. Pada tahun 2003, kita memperkirakan bahwa manusia menggunakan

setara dengan 1,25 Bumi. Pada 2040, proyeksinya adalah bahwa kita akan akan

menggunakan 2 Bumi. Jelas tingkat konsumsi ini tidak dapat dipertahankan.

Melalui studi Anda dalam kimia, kita berharap Anda akan mempelajari cara-

cara baik untuk mengurangi jejak ekologi Anda atau menjadganya tetap rendah, jika

memang sudah demikian. Bagian selanjutnya menjelaskan bagaimana ahli kimia

dapat membantu membuat proses ini bekerja dalam beberapa hal mungkin Anda

tidak mengharapkan.

0.6 Tanggung Jawab Kita sebagai Warga Negara dan sebagai Ahli Kimia

Isu-isu ini tidak hanya mempengaruhi Anda secara pribadi, tetapi jugamempengaruhi kesehatan dan kesejahteraan masyarakat lebih luas yang Anda

adalah bagian darinya. Untuk setiap masalah, Anda akan bekerja pada dua tugas-

tugas terkait: (1) belajar tentang masalah ini dan (2) menemukan cara untuk bertindak

secara konstruktif.

Kimiawan belajar dan bekerja dengan baik bersama dengan Anda. Ingat kata-

kata Bill Carroll yang kita kutip sebelumnya dalam bab ini: ”Pada tahun 2015,

perusahaan kimia akan dihakimi dengan paradigma baru keberlanjutan. Operasi yang

berkelanjutan akan menjadi penting baik secara ekonomis maupun etis.”

Bagaimana kimiawan memenuhi tantangan keberlanjutan ini? Jawabannya

terletak pada ”kimia hijau”, seperangkat prinsip yang awalnya diartikulasikan oleh

orang-orang di Environmental Protection Agency (EPA) AS dan sekarang aktifdiupayakan oleh Masyarakat Kimia Amerika (ACS). Kimia Hijau adalah desain produk

dan proses kimia dengan menggunakan lebih sedikit energi, menghasilkan bahan

berbahaya lebih sedikit, dan bila memungkinkan menggunakan sumber daya

terbarukan. Hasil yang diinginkan adalah untuk menghasilkan limbah yang sedikit,

terutama limbah beracun, dan menggunakan sumber daya yang lebih sedikit.

Mengakui bahwa kimia hijau adalah alat dalam mencapai keberlanjutan,

bukan akhir dalam dirinya sendiri. Sebagaimana dinyatakan dalam artikel ”Color Me

Green” dari terbitan Chemical & Engineering News diterbitkan pada tahun 2000:

”Green chemistry merupakan pilar yang memegang masa depan yang berkelanjutan.

Sangat penting untuk mengajarkan nilai kimia hijau untuk kimiawan masa depan.”

Sebenarnya, kita percaya bahwa sangat penting untuk mengajarkan nilai kimia hijauuntuk warga negara juga. Inilah sebabnya mengapa begitu banyak aplikasi kimia hijau

yang terjalin di Kimia dalam Konteks.



10

Gambar 0.3 Jejak ekologi manusia, saat ini (padat garis) dan proyeksi (garis putus-

putus). perkiraan saat ini menempatkan jejak di atas 1,0 Bumi, melebih kemampuan

bumi untuk dapat berkelanjutan. Catatan: Proyeksi atas mengasumsikan ”bisnis

moderat seperti biasa.” Semakin rendah proyeksi mengasumsikan peningkatan

praktek-praktek berkelanjutan.

Untuk memulai, kita daftar enam ide-ide besar tentang kimia hijau (Tabel 0.2).

mereka juga dicetak di sampul dalam buku ini.Dimulai dari Desain untuk Program Lingkungan EPA, kimia hijau

menyebabkan udara, air, dan tanah, yang lebih bersih dan konsumsi sumber daya

yang lebih sedikit. Kimiawan sekarang merancang proses baru (atau menggantikan

yang lebih tua) untuk membuat mereka lebih ramah lingkungan. Kita menyebutnya

”jinak dengan desain.” Setiap inovasi hijau tidak perlu harus sukses dalam mencapai

semua enam prinsip tersebut. Tetapi mencapai beberapa dari mereka merupakan

langkah yang sangat baik di jalan menuju keberlanjutan.

Misalnya, cara yang jelas untuk mengurangi limbah adalah untuk merancang

proses kimia yang tidak menghasilkan itu di tempat pertama. Salah satu cara adalah

dengan memiliki sebagian atau semua atom dalam reaktan berakhir sebagai bagian

dari molekul produk yang diinginkan. Pendekatan ”ekonomi atom", meskipun tidak

berlaku untuk semua reaksi, telah digunakan untuk sintesis banyak produk, termasuk

obat-obatan, plastik, dan pestisida. Pendekatan ini menghemat uang, menggunakan

bahan awal sedikit, dan meminimalkan limbah. Hubungan antara kimia hijau dan

Triple Bottom Line menjadi jelas!

Tabel 0.2 Prinsip Green Chemistry

1. Lebih baik mencegah daripada menangani limbah atau membersihkan limbah

setelah terbentuk.



11

2. Lebih baik untuk meminimalkan jumlah bahan yang digunakan dalam produksi

produk.

3. Lebih baik untuk menggunakan dan menghasilkan zat-zat yang tidak beracun.

4. Lebih baik menggunakan lebih sedikit energi.

5. Lebih baik menggunakan bahan terbarukan.6. Lebih baik menggunakan bahan-bahan yang menurunkan menjadi produk

yang tidak berbahaya di akhir masa manfaat of their.

Banyak proses manufaktur kimia sekarang menggunakan metode kimia hijau

inovatif. Misalnya, Anda akan melihat aplikasi kimia hijau yang telah menyebabkan

lebih murah, kurang limbah, dan kurang beracun pada produksi cat dengan VOC

rendah (Bab 1). Anda juga akan melihat prinsip-prinsip kimia hijau diterapkan untuk

pengolahan kapas mentah dan metode dry-cleaning (Bab 5). Ada cara yang lebih

ekonomis dan sehat untuk memproses minyak sayuran (Bab 11).

Upaya kimia hijau telah dihargai! Sebuah kelompok terpilih dari ahli penelitian

kimia dan insinyur kimia telah menerima Presidential Green Chemistry Challenge Award. Dimulai pada tahun 1996, penghargaan tingkat presiden ini mengakui ahli

kimia dan industri kimia untuk inovasi mereka yang bertujuan untuk mengurangi

polusi. Penghargaan ini menghargai inovasi”Kimia yang lebih bersih, lebih murah,

dan lebih cerdas.”

0.7 Kembali ke Marmer Biru

Sebelum kita mengirim Anda ke Bab 1, kita kembali ke dokumen PBB 1987

Our Common Future. Sebelumnya, kita menarik dari dokumen ini definisi kita tentang

keberlanjutan:

“Memenuhi kebutuhan saat ini tanpa mengorbankan kemampuan generasi

masa depan untuk memenuhi kebutuhan mereka sendiri.” Kata pengantar laporan iniditulis oleh Pimpinan, Gro Harlem Brundtland. Dia juga menulis kata-kata, orang yang

memanggil kita kembali ke gambar bumi yang membuka bab ini:

“Di pertengahan abad ke-20, kita melihat planet kita dari ruang angkasa untuk

pertama kalinya. Sejarawan akhirnya mungkin menemukan bahwa visi ini memiliki

dampak yang lebih besar pada pemikiran daripada revolusi Copernican dari abad ke-

16, yang membuat marah citra diri manusia dengan mengungkapkan bahwa Bumi

bukanlah pusat dari alam semesta. Dari ruang angkasa kita melihat bola kecil dan

rapuh didominasi bukan oleh aktivitas manusia dan bangunan tetapi dengan pola

awan, lautan, hijau-hijauan, dan tanah. Ketidakmampuan manusia untuk

menyesuaikan kegiatannya ke dalam pola, mengubab sistem planet secara

fundamental. Banyak perubahan tersebut disertai dengan bahaya yang mengancam jiwa. Ini realitas baru, yang tidak ada bisa melarikan diri, harus diakui dan dikelola.”

Kita setuju. Realitas baru harus diakui. Tidak ada jalan keluar. Dan semua kita

siswa dan guru memiliki peran penting untuk dimainkan. Dengan Kimia dalam

Konteks, kita akan berusaha untuk menyediakan Anda dengan informasi kimia yang

dapat membuat perbedaan dalam hidup Anda dan hidup orang lain. Kita berharap

bahwa Anda akan menggunakannya untuk memenuhi tantangan hari ini dan besok

dengan pemahaman dan semangat yang baik.



12

BAB 1 UDARA YANG KITA HIRUP

Atmosfer bumi adalah selubung yang rapuh, lapisan tipis dari gas-gas yang

dibutuhkan mahkluk hidup diselingi dengan polutan dalam jumlah yang berbeda.Lapisan atmosfer yang mengelilingi bumi membantu adanya kehidupan di bawahnya.

Perkataan terkenal dari astronot James Irwin memaksa kita untuk memperhatikan

bumi. “Akhirnya bumi menyusut menjadi seukuran sebuah marmer, ini merupakan

marmer yang paling indah bagi siapa saja yang bisa membayangkan”. Hanya

beberapa pria dan wanita yang benar-benar telah melihat apa yang James Irwin lihat

pada Juli 1971, tetapi sebagian besar dari kita telah melihat foto-foto yang spektakuler

dari bumi yang diambil dari luar angkasa. Dari sudut pandang tersebut, planet kita

tampak megah seperti bola biru dan putih yang terdiri dari air, tanah, udara, dan api.

Ini adalah habitat dari ribuan jenis tumbuhan dan binatang yang hidup dalam

komunitas global. Lebih dari 6 miliar populasi manusia merupakan spesies yang

memiliki tanggung-jawab khusus dalam rangka melindungi bumi.

Gambar 1.1 Danau Besar Diambil oleh Sea WIFs (Sea-Viewing Wide Field-of-view

Sensor) dari Satelit yang diluncurkan pada tahun 1997

Saat kita berada di luar angkasa, pemandangan permukaan bumi dari satelit

mengungkapkan lebih rinci tentang bumi. Bentang alam yang terlihat di foto kinerja

tinggi seperti yang terlihat pada Gambar 1.1, termasuk sungai, danau, kepulauan,gunung, hutan, dan padang rumput. Benar-benar, planet kita memiliki keragaman

geologi yang besar dan banyak spesies mendiami ekosistem yang bervariasi.

Meskipun gas di atmosfer tidak terlihat di foto ini, kita bisa melihat daerah putih, yaitu

wilayah yang terkondensasi oleh uap air, atau lebih dikenal dengan awan. Awan yang

memberikan hujan dan teduh bagi bumi, serta udara yang tidak terlihat disekitarnya,

merupakan sumber daya alam yang tidak ternilai harganya.

Di permukaan bumi, terdapat berbagai komunitas: kota, peternakan, dan

pertanian di mana kita hidup, belajar, bermain, bekerja, dan tidur. Keluarga, teman,



13

dan tetangga dapat kita ditemukan di sini. Kita dibentuk oleh adanya masyarakat,

adat-istiadat dan hukum. Selain itu, iklim, sumber daya alam, dan kualitas udara di

lingkungan juga ikut membentuk masyarakat.

Sebagai individu, secara bersamaan kita tinggal di tengah-tengah

masyarakat. Kehidupan pribadi manusia tidak hanya berpengaruh pada lingkungansekitar saja, tetapi juga pada kehidupan bernegara dan kehidupan secara global.

Perubahan lingkungan yang terjadi di lingkungan kita akan mempengaruhi manusia,

dan pada giilirannya menjadi kewajiban setiap lapisan masyarakat, dari individu

sampai masyarakat dunia untuk menjaganya. Buku ini memberikan informasi tentang

beberapa tanggung jawab tersebut dan cara mengatasinya menggunakan ilmu kimia

yang dapat membantu menyelesaikan masalah berdasarkan ilmu pengetahuan,

pemahaman dan kebijaksanaan.

Dimana pun kita tinggal, kita harus memiliki informasi tentang udara yang

digunakan untuk bernafas. Di udara terdapat substansi-substansi kimia yang penting

untuk keberadaan manusia, serta beberapa yang dapat membahayakannya. Untuk

memahami kompleksitas kimia di udara, kita membutuhkan fakta-fakta dan konsepkimia tertentu. Karena itu, bab ini dimulai dengan mempertimbangkan komposisi

udara, meliputi konstituen yang besar dan kecil (termasuk polutan), dan bagaimana

konsentrasi setiap komponen dinyatakan.

1.1 Bernafas Tiap Hari

Kita mulai dengan meminta Anda melakukan sesuatu yang anda lakukan secara

otomatis dan tidak sadar ribuan kali setiap hari, yaitu bernapas. Anda pasti tidak perlu

sebuah buku untuk memberitahu anda cara untuk bernapas! Dokter atau perawat

mungkin telah mendorong anda untuk bernafas saat pertama kita lahir, tapi setelah

itu secara alami kita akan melakukannya sendiri. Bahkan ketika anda menahan nafas

di saat ketakutan atau merasategang, anda tanpa sadar menghirup dalam-dalamsesuatu yang tidak terlihat yang kita sebut sebagai udara. Anda tidak dapat bertahan

lama tanpa pasokan udara segar.

Kegiatan di atas menunjukkan berapa banyak udara yang anda hirup, tetapi

belum membahas mengenai materi apa yang kita hirup.. Dimana pun anda tinggal,

udara yang Anda hirup mengandung beberapa zat yang bisa saja memberikan efek

berbahaya, bergantung pada jumlah zat tersebut. Di beberapa tempat, ancaman

terhadap kesehatan dapat menjadi besar ketika hukum lemah dalam membatasi

aktivitas tertentu untuk mengurangi polusi. Mustahil untuk menghapus semua polusi

dari udara, karena sebagian polutan berasal dari alam. Meskipun demikian, secara

umum, kualitas udara di Amerika Serikat telah menunjukkan kecenderungan

perbaikan selama tiga dekade. Perbaikan terjadi melalui kombinasi dari tindakanpemerintah, perkembangan ilmu kimia, dan terjadinya regenerasi atmosfer secara

alami.

Pada tahun 1970, undang-undang Clean Air Act disahkan. Undang-undang

ini menetapkan standar kualitas udara nasional untuk mengurangi polusi udara.

Tabel 1.1 menunjukkan penurunan dramatis enam polutan udara sejak 1980-an.

Empat polutan gas atmosfer tersebut adalah: nitrogen dioksida, karbon monoksida,

ozon dan sulfur dioksida. Dua polutan lainnya, material partikulat (PM) dan timbal,

merupakan partikel di udara yang sangat kecil dengan ukuran diameter hingga



14

sepersejuta meter. PM termasuk debu, jelaga, kotoran, dan bahkan tetesan cairan

seukuran mikro, bakteri atau virus. Seperti yang Anda lihat di Tabel 1.1, partikel

diklasifikasikan berdasarkan ukuran. PM10 memiliki rata-rata diameter 10 mikron

atau kurang, atau setara dengan 0.0004 inci. PM 2.5, juga disebut partikel yang

sangat kecil, memiliki diameter rata-rata kurang dari 2,5 mikron dan bahkan lebihkecil. Dari penjelasan ini, dapat dilihat bahwa PM 2.5 merupakan bagian dari PM 10.

Mikrometer (μm) adalah 10-6 meter dan kadang hanya disebut sebagai mikron.

Enam polutan ini diberi label oleh US Environmental Protection Agency (EPA)

sebagai kriteria polutan udara, ataupolutan yang menjadi indikator pencemaran

udara. Untuk masing-masing polutan, EPA telah menetapkan tingkat konsentrasi

yang diijinkan di udara berdasarkan efek yang ditimbulkan pada kesehatan manusia

dan lingkungan. Pada bagian 1.3, kita akan kembali membahas kualitas udara dan

efek dari polutan, tapi pertama-tama kita akan mempelajari lebih detail tentang apa

yang anda hirup.

1.2 Apa yang ada di dalam udara pernafasan kita? Komposisi Udara

Udara yang kita hirup merupakan sebuah campuran,kombinasi fisik dari dua atau

lebih zat, masing-masingdalam jumlah yang berbeda. Saat ini, kita akan fokus pada

hanya lima komponen udara yaitu oksigen, nitrogen, argon, karbon dioksida dan air.

Empat komponen (O2, N2, Ar, CO2) biasanya ada dalam wujud gas. Meskipun kita

biasanya berpikir tentang air sebagai cairan, komponen ini juga bisa menjadi gas,

biasa kita sebut uap air. Seperti oksigen dan nitrogen, uap air adalah gas yang tidak

dapat dilihat. Sedangkan awanadalah uap air yang terkondensasi, yaitu tetesan-

tetesan kecil dari air(gambar 1.2).

Konsentrasi uap air di udara bervariasi berdasarkan lokasi. Konsentrasi uap air

dapat mendekati 0 % di daerah gurun atau sebanyak 5 % di hutan hujan tropis.

Karenakeragaman ini, daftar komposisi udara biasanya tidak mempertimbangkan

adanya kelembaban udara. Komposisi yang normal dari udara kering adalah 78 %



15

(v/v) nitrogen, 21 % (v/v) oksigen, dan 1 % (v/v) gas lainnya. Persen artinya “ satu

bagian per seratus (parts per hundred)” dan kadang-kadang disingkat menjadi pph.

Dalam hal ini, bagian yang dimaksud adalah molekul ( atau dalam beberapa kasus

berupa atom ).

Gambar 1.2 Awan tersusun oleh uap air yang terkondensasi. Seperti yang akan kita

pelajari pada Bab 3, awan merupakan salah satu faktor yang

mempengaruhi kesetimbangan energi Bumi.

Gambar 1.3 menampilkan komposisi udara dalam bentuk sebuah diagram

lingkar dan grafik batang. Keduanya adalah metode yang penting, yang banyak

digunakan untuk menampilkan informasi numerik, dan kita akan menggunakan

keduanya dalam teks ini. Diagram lingkar (pie chart) menekankan fraksi total,

sedangkan grafik batang menggunakan tinggi untuk menekankan jumlah relatif dari

masing-masing komponen. Terlepas dari bagaimana kita menampilkan data,

perhatikan bahwa 99% dari udara kering terdiri dari hanya dua senyawa yaitu nitrogen

dan oksigen.

Kehidupan di bumi tidak bisa terlepas dari oksigen. Oksigen diserap ke dalam

darah kita melalui paru-paru dan bereaksi dengan makanan yang kita makan untuk

melepaskan energi yang dibutuhkan untuk semua proses kehidupan dalam tubuh kita

(Lihat Bab 11). Oksigen juga merupakan komponen dalam aktivitas pembakaran,

pengkaratan, dan reaksi korosif lainnya. Sebagai penyusun air dan banyak bebatuan,

oksigen adalah unsur yang paling berlimpah keberadaannya berdasarkan massa di

kerak bumi dan dalam tubuh manusia. Meskipun demikian, oksigen baru dapat

terisolasi sebagai unsur murni pada tahun 1770-an. Tapi setelah terisolasi, oksigen

terbukti secara signifikan berperan dalam menetapkan prinsip-prinsip dasar ilmu

kimia.



16

Gambar 1.3 Komposisi udara kering berdasarkan volume.

Nitrogen adalah unsur paling berlimpah di udara dan lebih dari tiga perempat

dari udara yang kita hirup. Meskipun demikian, nitrogen jauh lebih tidak reaktif

daripada oksigen dan dikeluarkan dari paru-paru kita tanpa adanya perubahan (Tabel

1.2). Meskipun nitrogen sangat penting bagi kehidupan dan merupakan bagian dari

semua makhluk hidup, kebanyakan tanaman dan hewan memperoleh nitrogen yang

mereka butuhkan dari sumber lain, tidak secara langsung dari atmosfer.

Setiap kali kita napas, kita tambahkan karbon dioksida ke atmosfer. Tabel 1.2

menunjukkan perbedaan antara udara kering yang dihirup dan yang dihembuskan.

Table 1.2 menunjukkan beberapa perubahan penggunaan oksigen, karbon dioksida

dan air.Dalam proses biologismetabolisme, oksigen bereaksi dengan makanan untuk

menghasilkan karbon dioksida dan air. Namun, sebagian besar air di udara yang

dihembuskan merupakan hasil dari penguapan dari air di permukaan paru-paru.

Sebagai catatan, udara yang kitaihembuskan masih mengandung 16 % oksigen.

Beberapa orang berpikir keliru bahwa dalam respirasi sebagian besar oksigen

digantikan dengan karbon dioksida. Tapi jika ini benar, nafas buatan dari mulut ke

mulut tidak akan bekerja.

Hanya di bawah 1% udara yang Anda hirup adalah argon, gas yang sangat

tidak reaktif sehingga disebut sebagai gas inert. Ketidak reaktifan ini tergambar dalam

nama argon, yang berarti “malas” dalam bahasa Yunani. Seperti yang Anda lihat dari

Tabel 1.2, anda menghembuskan argon yang anda hirup, yang secara kimiawi tidak

mengalami perubahan.



17

Persentase telah digunakan untuk menggambarkan komposisi atmosfer

berdasarkan volume. Dengan demikian, kita bisa membuat 100 liter (L) udara kering

dengan mencampurkan 78 L nitrogen, 21 L oksigen dan argon 1 L (78% nitrogen,

21% oksigen dan 1% argon). Karena volume sampel gas meningkat dengan naiknya

suhu dan turun dengan naiknya tekanan, volume semua gas harus dibandingkanpada suhu dan tekanan yang sama.

Cara alternatif untuk merepresentasikan komposisi udara adalah dengan

membahas dari sisi molekul dan atom-atom yang ada dalam komponen udara. Cara

ini efektif karena volume gas yang sama berisi jumlah molekul yang sama, pada suhu

dan tekanan yang sama. Dengan demikian, jika anda mengambil sampel 100 atom

dan molekul dari udara, maka 78 akan berupa molekul nitrogen, 21 akan berupa

molekul oksigen, dan 1 akan berupa atom argon. Dengan kata lain, ketika kita

mengatakan bahwa udara adalah 21% oksigen, artinyaterdapat 21 molekul oksigen

per 100 molekul dan atom di udara.

Beberapa komponen atmosfer berada dalam konsentrasi kurang dari 1%

(satu bagian per seratus). Seperti halnya dengan karbon dioksida, yang memilikikonsentrasi sekitar 0.0385%. Karena persentasenya yang sangat kecil, maka perlu

adanya skala pengukuran yang lebih kecil, yaitu parts per million (ppm), yang berarti

satu bagian dari 1 juta dan 10.000 kali lebih encer dari 1 bagian per seratus (pph).

Nilai 0.0385 pph (%) setara dengan 385 ppm. Melalui serangkaian hubungan, kita

dapat menunjukkan bahwa perbedaan antara pph dan ppm adalah 10.000 atau dalam

decimal:

0,0385 % berarti 0,0385 bagian perseratus

Berarti 0,385 bagian perseribu

Berarti 3,85 bagian per sepuluh ribu

Berarti 38,5 bagian per seratus ribu

Berarti 385 bagian per sejutaDengan demikian, dari sampel udara yang terdiri dari 1.000.000

molekul/Atom, 385 bagian adalah molekul karbon dioksida. Oleh karena itu,

konsentrasi karbon dioksida adalah 385 ppm, atau 0.0385%.

Di bab selanjutnya, kita akan melihat efek kesehatan dari senyawa yang ada

di udara pada level yang sangat kecil yaitu pada level bagian per sejuta atau bahkan

lebih rendah.



18

1.3 Apalagi yang ada di dalam udara yang kita hirup?

Hidung kita memberitahu bahwa udara terasa berbeda ketika berada di hutan

pinus, toko roti, sebuah restoran Italia, ataupun ruang ganti.. Bahkan dengan mata

tertutup, kita dapat mencium dimana kita berada. Kayu pinus, roti yang matang,

bawang putih, dan keringatyang semua memiliki bau khas yang dibawa oleh molekul.Oleh karena itu, udara harus berisi sejumlah jejak zat-zat yang tidak termasuk dalam

lima zat utama yang tercantum dalam Tabel 1.2. Meskipun komponen utama udara

tidak berbau (setidaknya untuk hidung kita), banyak dari zat-zat udara lainnya

menghasilkan bau. Pada kenyataannya, hidung manusia adalah detektor bau yang

sangat sensitif. Dalam beberapa kasus, hanya butuh 1 menit dari reseptor penciuman

kita untuk mendeteksi bau. Dengan demikian, sejumlah kecil bahan dapat memiliki

efek kuat pada hidung kita, serta emosi kita.

Hidung kita juga memperingatkan kita untuk menghindari tempat-tempat tertentu.

Tetapi beberapa polutan udara yang tidak berbau lebih berbahaya. Sebagai

akibatnya, kita bergantung pada peralatan ilmiah yang khusus untuk mengawasi

keberadaan zat-zat tersebut di udara. Agak mengejutkan bahwa gas-gas yangmenyebabkan polusi udara yang berdampak serius terhadap kesehatan berada

dalam jumlah yang relatif kecil, umumnya di rentang ukuran ppm.

Dalam bab ini, kita fokus pada empat gas yang memberikan kontribusi untuk

polusi udara di permukaan bumi. Salah satunya, karbon monoksida, tidak berbau; 3

zat yang lain: ozon, sulfur dioksida dan nitrogen dioksida, memiliki karakteristik bau

yang tidak menyenangkan. Pada paparan yang sesuai, masing-masing zat tersebut

berbahaya untuk kesehatan, bahkan pada konsentrasi di bawah 1 ppm. Bersama-

sama dengan material partikulat (PM), 4 polutan di atas mewakili polutan udara yang

berdampak paling serius di permukaan bumi. Mari kita pelajari dampak masing-

masing polutan terhadap kesehatan.

Karbon monoksida dijuliki sebagai “pembunuh tak bersuara” karena kita tidak bisamendeteksinya dengan panca indera. Begitu berada di dalam paru-paru, karbon

monoksida memasuki aliran darah dan mengganggu pengiriman oksigen ke seluruh

tubuh. Dalam kasus yang ekstrim, seperti bernafas dekat emisi gas buang atau

tungku pembakaran di ruang tertutup, karbon monoksida dapat berakibat fatal. Arang

pembakaran, pemanas minyak tanah dan kompor propana juga menghasilkan karbon

monoksida (gambar 1.4) sehingga harus digunakan di luar ruangan atau harus ada

ventilasi jika digunakan di dalam ruangan. Dengan tingkat konsentrasi karbon

monoksida yang rendah, korban pada awalnya mungkin mengalami pusing, sakit

kepala dan mual, semua gejala mirip dengan terjadinya infeksi pernapasan. Sangat

sulit untuk mendiagnosis keracunan karbon monoksida karenaorang-orang yang

keracunan pada waktu yang sama mungkin menunjukkan gejala yang berbeda.Paparan karbon monoksida dapat menjadi parah untuk individu yang memiliki

penyakit jantung sehingga perawatan medis darurat mungkin diperlukan.

Ozone terkait erat dengan oksigen, seperti apa yang akan segera kita lihat. Tidak

seperti karbon monoksida, ozon memiliki bau yang tajam, yang mungkin mudah kita

deteksi seperti di sekitar alat fotokopi, motor listrik, atau peralatan pengelasan.

Bahkan pada konsentrasi yang sangat rendah ozon bersifat racun, dan dapat

mengurangi fungsi kerja dari paru-paru pada orang normal selama berolah raga.

Gejalanya termasuk nyeri dada, batuk, bersin, dan kongesti paru-paru. Pada



19

permukaan bumi, ozon dikenal sebagai sesuatu yang buruk, tapi di bab 2 akan

dijelaskan peran ozon yang sangat penting pada lapisan atmosfer yang lebih tinggi.

Sulfur oksida dan nitrogen oksida adalah senyawa yang dapat mengiritasi saluran

pernapasan. Golongan yang paling rentan terhadap polutan ini terdiri dari orang tua,

anak-anak, dan individu dengan penyakit seperti emfisema atau asma. Sebuahcontoh yang sangat parah dari efek senyawa ini ketika kabut melanda London pada

tahun 1952 yang berlangsung lima hari dan menyebabkan kematian sekitar 4000

orang. Sulfur oksida dan nitrogen oksida juga berkontribusi terhadap curah hujan

asam, yang akan dijelaskan lebih detil pada Bab 6.

Material partikulat, atau PM, adalah polutan terakhir yang akan kita bahas. PM

tidak hanya terdiri dari sebuah senyawa; tapi mencakup campuran partikel padat dan

tetesan cairan berukuran sangat kecil yang terpapar ke udara, terbentuk dari polutan

lain di udara, atau ditiup ke udara oleh angin. Kadang-kadang PM dapat terlihat, dan

kita dapat mengenalinya sebagai asap atau jelaga. Yang paling membahayakan

adalah partikel yang terlalu kecil untuk dilihat. Ketika di udara, partikel-partikel yang

tidak terlihat ini masuk ke dalam paru-paru dan menyebabkan segala macamkerusakan. Yang paling membahayakan kesehatan dari partikel-partikel adalah yang

berukuran lebih kecil dari 2,5 mikron, dan baku mutu udara untuk partikel ini adalah

yang paling ketat, seperti yang akan kita lihat pada tabel 1.5.

Partikel dapat mengiritasi mata, hidung, tenggorokan, dan paru-paru bahkan pada

orang dewasa yang sehat. Bagi orang-orang dengan penyakit paru-paru,

konsekuensinya dapat menjadi lebih parah. Selain itu, paparan partikel juga dapat

memperburuk penyakit jantung. Seperti yang dilaporkan dalam Circulation, jurnal dari

The American Heart Association, partikel 2,5 mikron di udara perkotaan berkaitan

dengan peningkatan risiko serangan jantung. Dalam sebuah studi, risiko serangan

jantung di Boston memuncak pada 2 jam dan 24 jam setelah pasien terkena

peningkatan kadar partikel. Sebuah artikel tahun 2003 dalam Circulation mengungkapkan bahwa data polusi lebih dari 150 kota mengungkapkan bahwa risiko

penyakit jantung meningkat sebagai akibat dari peningkatan PM 2.5. Dengan

demikian partikel disimpulkan dapat mempengaruhi sistem jantung dan paru-paru.

Untuk lebih memahami dampak dari apa yang kita hirup ketika sedang bernapas,

EPA telah mengembangkan kode warna Air Quality indeks (AQI) ditunjukkan dalam

tabel 1.3 dengan logo yang khas (gambar 1.5). Jika Anda tinggal di daerah

metropolitan, Anda mungkin menemukan prakiraan harian AQI yang tercantum dalam

Surat Kabar harian, serta informasi Surat Kabar Nasional. Sebagai contoh, USA

Today akhir-akhir ini memberikan laporan harian AQI untuk 36 kota. Jika anda telah

memeriksa daftar kota-kota tersebut pada hari musim panas (11 Juli 2006), Anda

akan menemukan bahwa 12 kota memiliki kualitas udara yang baik dan 19 termasuksedang. Lima kota dikategorikan tidak sehat bagi kelompok yang sensitif meliputi:

Baltimore, Charlotte, Columbus, Philadelphia, dan Washington, D.C. ” Yang

dimaksud kelompok sensitif tergantung dengan jenis polutan dan diantaranya

termasuk orang tua, anak-anak dan orang-orang dengan penyakit pernapasan seperti

asma.



20

Untuk melihat bagaimana kualitas udara dapat bervariasi dari waktu ke waktu,

lihat Tabel 1.4. Lebih dari 2 juta orang yang tinggal di Houston pada tahun 2005

mengalami udara yang berkualitas baik atau moderat sebanyak 87 % sepanjang

tahun tersebut. Atau, udara tidak sehat berlangsung selama lebih dari 40 hari pada

tahun itu, dengan polutan ozon dan PM 2.5 menjadi polutan dengan konsentrasi

tertinggi. Pada tahun-tahun tertentu Houston mengalami cukup banyak hari yang

tidak sehat, sedangkan pada tahun-tahun yang lain jumlahnya berkurang. Variasi ini

sebagian besar mencerminkan pola cuaca lokal. Peristiwa regional seperti kebakaran

hutan dan letusan gunung berapi juga dapat mempengaruhi kualitas udara. Nilai yang

dilaporkan adalah jumlah hari per tahun. Nilai-nilai ini tidak selalu berjumlah 365 ( = 1

tahun ), karena pada beberapa hari tidak dilaporkan. Data tahun 2006 hanya

dilaporkan sampai Juni. Yang termasuk dalam kayegori “tidak sehat” adalah udara

yang bersifat tidak sehat, sangat tidak sehat, dan berbahaya.

Kualitas udara juga dapat didata berdasarkan keberadaan masing-masing

polutan. Sebagai contoh, Gambar 1.6 menunjukkan perkiraan kualitas udara untuk

parameter karbon monoksida, ozon, dan partikulat pada hari musim panas di



21

Phoenix, AZ. Meskipun disini tidak digunakan kode warna, namun kriteria yang

digunakan tetap sama.

Polusi udara menjadi masalah utama perkotaan, dan lebih dari 50 % penduduk

Amerika tinggal di kota dengan populasi lebih dari 500.000. Banyak kota-kota (seperti

yang telah kita lihat dengan Houston ) gagal memenuhi standar kualitas udaranasional pada waktu-waktu tertentu. Meskipun metode terbaru dalam menangani

kualitas udara terus dikembangkan, Amerika masih mengalami kesulitan dengan

pencemaran udara, terutama dengan nitrogen oksida, partikel, dan ozon. Selain itu,

standar kualitas udara saat ini hanya memberikan margin yang kecil untuk

keselamatan dalam melindungi kesehatan masyarakat. Asosiasi Paru-Paru Amerika

memperkirakan bahwa dana sebanyak $ 50 miliar dapat dihemat untuk kesehatan

setiap tahun di Amerika Serikat jika standar kualitas udara di seluruh negeri dapat

dipenuhi. Bahkan data yang lebih mencolok adalah angka yang ditulis dari sebuah

studi pada tahun 2006 oleh American Journal of Respiratory Critical Care Medicine.

Para penulis melaporkan bahwa "untuk setiap penurunan 1 mikrogram jelaga per

meter kubik udara, tingkat kematian akibat penyakit jantung, penyakit pernapasandan kanker paru-paru dapat turun sebesar 3 persen - memperpanjang kehidupan

75.000 orang per tahun di Amerika Serikat. "Angka-angka ini bukan sesuatu yang

bisa diabaikan.

Saat ini kita menghadapi pilihan politik dan ekonomi yang sulit. Apakah kita

bersedia untuk menghabiskan uang yang akan dibutuhkan untuk membersihkan

udara yang kita hirup? Jika kita ingin merangsang ekonomi, peraturan apa yang bisa

kita korbankan atau yang dapat ditolerir? Apakah keuntungan ekonomi

mengkompensasi biaya kesehatan yang tidak terlihat? Dalam menimbang risiko

terhadap manfaat, peraturan yang lebih ketat bisa berarti anugerah bagi kesehatan

dan penurunan yang signifikan dalam biaya perawatan kesehatan. Peningkatan

kualitas udara yang sekarang kita nikmati bisa berumur pendek. Bagaimana kitamenilai risiko ? Kita sekarang beralih ke pertanyaan ini.

1.4 Mengambil dan Menilai Risiko

Menilai resiko adalah masalah penting bagi kehidupan kita, karena segala

sesuatu yang kita lakukan membawa tingkat resiko tertentu. Beberapa kegiatan yang

membawa risiko tinggi diberi label untu menunjukkan bahaya yang dapat timbul.

Misalnya, menurut hukum yang berlaku, bungkus rokok diberi label peringatan.

Demikian pula, sebotol anggur terdapat kata-kata "PERINGATAN PEMERINTAH "

diikuti dengan pernyataan tentang risiko cacat lahir bagi ibu hamil dan tentang risiko

mengendarai mobil atau mengoperasikan mesin di bawah pengaruh alkohol.

Beberapa kegiatan telah dinyatakan ilegal karena tingkat risiko yang dinilai tidak

dapat diterima masyarakat. Namun, banyak kegiatan tidak disertai denganperingatan. Dalam hal ini, mungkin risikonya dianggap rendah, risikonya sudah jelas

atau tidak dapat dihindari, atau manfaat dari kegiatan tersebut jauh lebih besar

daripada risiko yang akan ditanggung.

Salah satu fitur peringatan tersebut berbeda untuk tiap-tiap resiko. Peringatan

tersebut tidak mengatakan bahwa individu tertentu akan terpengaruh oleh kegiatan

tertentu. Mereka hanya menunjukkan probabilitas secara statistik, atau kebetulan,

bahwa seorang individu akan terpengaruh. Misalnya, jika kemungkinan kematian

akibat kecelakaan saat bepergian sejauh 300 mil di dalam mobil adalah sekitar satu



22

dalam satu juta, ini berarti bahwa rata-rata, satu orang dari setiap satu juta orang

bepergian sejauh 300 kilometer dengan mobil akan tewas dalam kecelakaan. Prediksi

tersebut tidak hanya menebak, tetapi adalah hasil dari penilaian risiko: mengevaluasi

data ilmiah dan membuat prediksi secara teratur tentang probabilitas suatu kejadian.

Untuk polusi udara, penilaian risiko melibatkan dua faktor: toksisitas, bahayakesehatan intrinsik dari suatu zat, dan paparannya, dan jumlah substansi yang

dihadapi. Paparan paling mudah untuk mengevaluasi karena tergantung hanya pada

konsentrasi zat di udara, lamanya waktu seseorang terpapar, dan jumlah udara

dihirup ke dalam paru-paru pada suatu periode tertentu. Seperti yang Anda lihat

sebelumnya dalam bab ini, faktor terakhir tergantung pada kapasitas paru-paru dan

tingkat pernapasan.

Konsentrasi polutan di udara biasanya dinyatakan sebagai bagian per juta (ppm)

atau sebagai mikrogram per meter kubik (μg/m3 ). Sebelumnya, ketika berbicara

tentang partikel, kita tahu awalan mikrometer (μm), yang berarti 10-6, atau sepersejuta

meter. Dengan demikian, satu mikrogram (μg) adalah 10-6, atau sepersejuta gram.

Mari kita gunakan karbon monoksida (CO) sebagai contoh. Jutaan ton karbonmonoksida tersebar di seluruh atmosfer. Namun, jumlah ini luar biasa tidak

menunjukkan risiko. Di beberapa tempat konsentrasi CO sangat rendah sehingga

tidak ada masalah kesehatan yang muncul. Di tempat lain, seperti di dekat alat yang

menghasilkan dengan ventilasi yang rusak, konsentrasi bisa sangat tinggi. Untuk

menilai risiko, maka, kita perlu mempertimbangkan baik paparan dan toksisitas zat

Perhatikan ini, misalnya, sampel udara yang mengandung 5000 mg CO per meter

kubik udara. Apakah bernapas pada konsentrasi ini berbahaya? Cara yang paling

mudah untuk mengevaluasi toksisitas suatu polutan udara adalah untuk

membandingkan dengan tingkat paparan Standar Kualitas Udara Ambien Nasional (

NAAQS ). Di sini, ambient merujuk ke udara luar, yaitu, udara sekitarnya atau

disekeliling kita. Polutan mungkin ada, namun tidak dianggap berbahaya kecualimelebihi jumlah baku mutu maksimumnya.

Cek Tabel 1.5, terlihat bahwa CO memiliki 2 standar pengukuran, satu untuk

paparan 1 jam dan satu lagi untuk paparan 8 jam. Nilai paparan untuk 1 jam yaitu 4 x

104 mg CO/m3 ( atau 35 ppm ) lebih tinggi dari paparan 8 jam yang menunjukkan

bahwa konsentrasi yang lebih tinggi yang dapat ditoleransi untuk waktu singkat.

Perhatikan bahwa nilai 4 x104 mg CO/m3 dinyatakan dalam notasi ilmiah, yaitu suatu

sistem untuk menuliskan angka sebagai jumlah dari produk dan pangkat 10 yang

sesuai. Notasi ilmiah menghindari penulisan nol sebelum atau setelah koma. Nilai

tertentu ini, 4 x104, setara dengan 40.000. Di sini, cara yang mudah untuk memahami

konversi ini adalah dengan cara menghitung jumlah nol di sebelah kanan awal, yaitu

4. Angka 4 ini kemudian dikalikan dengan 10

4

untuk mendapatkan 4 x 10

4

mg CO/m

3

.Mungkin hal ini membingungkan karena angka memiliki dua 4s, jadi mari kita

ekspresikan baku mutu untuk 8 jam dalam notasi ilmiah. Di sini, 1x104 mg CO/m3

setara dengan 10.000 mg CO/m3. Untuk melihat ini, sekali lagi perhitungan hanya

untuk melihat bahwa ada empat nol di sebelah kanan dari angka 1 di awal.

Notasi ilmiah menjadi lebih berguna ketika mempertimbangkan jumlah yang jauh

lebih besar, seperti jumlah molekul dalam udara pernafasan. Jumlah molekul lebih

dari 20.000.000.000.000.000.000.000, jumlah yang cukup besar untuk melepaskan

molekul saat mengambil napas! Dalam notasi ilmiah, nomor ini khusus ditulis sebagai



23

2x1022 molekul. Jika Anda memerlukan bantuan dengan eksponen, dapat melihat

Lampiran 2.

Melihat uraian diatas, hasil pernafasan yang mengandung 5000 mg udara

CO/m3, apabila dibuat dalam notasi ilmiah menjadi 5 x103 mg CO/m3. Jelas, nilai ini

lebih kecil dari konsentrasi untuk standar kedua. Dalam kasus paparan 8 jam, 5 x103,atau 5000, kurang dari 1x104, atau 10.000. Demikian pula, untuk jangka waktu 1 jam,

5x103 juga kurang dari 4x104, atau 40.000.

Mari cek polutan lain yang ditemukan pada Tabel 1.5. Sekali lagi, berdasarkan

kajian ilmiah, nilai-nilai ini adalah konsentrasi maksimum yang dianggap aman untuk

populasi secara keseluruhan. Nilai-nilai ini memberi dasar yang dapat digunakan

untuk mengevaluasi angka relatif yang berbahaya. Sebagai contoh, untuk rata-rata 8

jam paparan, bandingkan 9 ppm untuk karbon monoksida dengan 0,08 ppm untuk

ozon. berdasarkan matematika, ozon adalah 100 kali lebih berbahaya ketika dihirup

daripada karbon monoksida! Meskipun demikian, karbon monoksida masih sangat

berbahaya. Dalam kasus menghirup udara tercemar ozon, indra penciuman dapat

mendeteksinya dan anda cenderung untuk pindah ke udara kurang tercemar

(Mungkin dalam ruangan) jika Anda bisa. Sebaliknya, Anda tidak menyadari ketika

menghirup karbon monoksida karena CO tidak berbau.

Meskipun baku mutu untuk gas polutan dinyatakan dalam ppm, konsentrasi sulfur

dioksida dan nitrogen dioksida yang cukup rendah dilaporkan dalam bagian per miliar

(ppb), yang berarti satu bagian dari satu miliar, atau 1000 kali lebih encer dari 1 bagian

per juta.

Sulfur dioksida 0.030 ppm = 30 ppb



24

Nitrogen dioksida 0.053 ppm = 53 ppb

Seperti yang terlihat, untuk mengkonversi 1 ppm ke 1 ppb, perlu memindahkan

titik desimal bergeser tiga titik ke kanan. Baik dalam konsentrasi 1 ppm maupun 1

ppb, toksisitas suatu senyawa terhadap manusia sulit ditentukan untuk gas polutan

seperti karbon monoksida atau sulfur dioksida karena tidak etis untuk dilakukanterhadap manusia. Bahkan jika tersedia data untuk menghitung risiko dari polutan

tertentu, kita masih harus bertanya tingkat risiko yang dapat diterima dan untuk

kelompok orang apa. Berbagai instansi pemerintah dibebankan untuk menentukan

baku mutu untuk polutan udara utama. Tabel 1.5 memberikan standar kualitas udara

luar yang berlaku saat ini yang ditetapkan oleh EPA untuk polutan-polutan yankan

dibahas dalam bab ini. Beberapa Negara bagian, termasuk California dan Oregon,

memiliki baku mutu kualitas udara sendiri yang ketat.

Akhirnya, faktor penting dalam menghadapi risiko tidak hanya risiko yang

sebenarnya, tetapi persepsi orang tentang risiko tertentu. Sebagai contoh, risiko

perjalan darat jauh bahaya dari orang yang bepergian dengan pesawat. Setiap hari

di Amerika Serikat, lebih dari 100 orang meninggal dalam kecelakaan mobil. Namun,sebagian orang menghindari perjalanan menggunakan pesawat karena takut jatuh

dari langit. Demikian pula, beberapa ketakutan yang tinggal di dekat pembangkit listrik

tenaga nuklir. Beda lagi akibat dari badai, masyarakat yang tinggal di daerah pesisir

menjadi jauh lebih berisiko. Dalam kedua kasus ini, faktor-faktor lain mungkin di

tempat kerja. Misalnya, liputan media dari kecelakaan pesawat dapat meningkatkan

kekhawatiran orang tentang penggunaan pesawat. Setelah kecelakaan, mencari

dampak dari kecelakaan menjadi perhatian publik.

Pertimbangkan ini 1.12 Analisis Risiko

Sebuah publikasi dari American Chemical Society , Chemical Risk : Perdana

Menteri, menyatakan : " Masyarakat umum tidak nyaman dengan ketidakpastian.

Terlalu sering kita berpikir dalam hal absolut dan permintaan bahwa para ilmuwandan pengambil keputusan bertanggung jawab atas keputusan risiko mereka. "

Apakah Anda setuju atau tidak setuju dengan pernyataan ini ? Mendukung pendapat

Anda dengan argumen yang masuk akal, memberikan contoh spesifik dari

pengalaman pribadi Anda dalam mempertimbangkan risiko yang penting untuk Anda.

1.5 Atmosfer : Lapisan udara



25

Polusi udara paling banyak terjadi di troposfer,

wilayah atmosfer yang terletak langsung di atas

permukaan bumi. Gambar 1.7 menunjukkan

daerah atmosfer dengan titik acuan dalamkaitannya dengan ketinggian. Sebagai salah satu

naik di troposfer, suhu menurun hingga mencapai

sekitar -40 ° C ( -40 ° F juga ). Suhu sekitar

menandai lapisan awal dari stratosfer,

wilayah atmosfer di atas troposfer yang mencakup

lapisan ozon. Suhu stratosfer meningkat dari

sekitar 240 ° C pada 20 kilometer ( km ) sampai 0

° C ( 32 ° F ) pada 50 km. Di atas ketinggian itu,

temperatur atmosfer mulai menurun pada melewati

mesosfer, wilayah atmosfer di atas ketinggian 50

km. Isu-isu yang akan kita pelajari dalam tiga babpertama buku ini akan membawa kita ke berbagai

daerah, yang berbeda dalam sifat dan fenomena

atmosfer ( lihat Gambar 1.7 ). Ingatlah bahwa tidak

ada batas-batas fisik yang tajam untuk

memisahkan lapisan ini. Atmosfer adalah sebuah

kontinum dengan secara bertahap mengubah

komposisi, konsentrasi, tekanan, dan suhu.

Bahkan, perubahan suhu menjelaskan organisasi

atmosfer.

Konsentrasi relatif dari komponen utama

atmosfer hampir konstan pada semua ketinggian.Misalnya, konsentrasi oksigen tetap sekitar 21 % dan nitrogen sekitar 78 %. Namun,

Anda mungkin tahu dari pengalaman hiking di pegunungan tinggi atau terbang di

pesawat ( Gambar 1.8 ) yang udara semakin " tipis " dengan meningkatnya

ketinggian. Ketika Anda naik lebih tinggi ke atmosfer, ada udara yang kurang, yaitu

molekul yang lebih sedikit dalam volume tertentu. Selain itu, saat Anda mendaki lebih

tinggi, massa udara di atas Anda menurun. Suatu tempat di atas 100 km, atmosfer

hanya memudar ke dalam kondisi hampa hampir sempurna dari luar angkasa.



26

1.6 Klasifikasi materi : Campuran,Unsur, dan Senyawa

Seperti yang dijelaskan, atmosfer dan kualitas udara menggunakan sedikit

terminologi kimia. Sebelum melanjutkan, beberapa klarifikasi perlu dilakukan.

Pertama, kita akan membahas cara seorang ahli kimia menggambarkan komposisi

dari berbagai jenis materi. Materi dapat digolongkan baik sebagai bahan murni

tunggal atau sebagai campuran dari dua atau lebih zat murni, seperti terlihat pada

Gambar 1.9.



27

Sebagian besar materi yang ditemui dalam kehidupan sehari-hari adalah dalam

bentuk campuran. Udara yang kita hirup merupakan campuran gas. Udara yang

terpolusi juga merupakan campuran gas, tergantung jenis polutan, memiliki komposisi

yang berbeda-beda. Udara yang kita hembuskan merupakan campuran yang

berbeda dari udara yang kita hirup. Pada sub bab sebelumnya (lihat Bagian 1.2 ),

Definisi campuran adalah kombinasi fisik dari dua atau lebih zat hadir dalam jumlah

bervariasi. Karena komposisi campuran berubah, begitu juga dengan sifat-sifatnya.

Misalnya, bensin adalah campuran dari banyak senyawa. Jika komposisi bensin

dirubah, maka sifat-sifatnya juga berubah.

Unsur dan senyawa adalah dua zat murni yang paling menarik bagi ahli kimia

(lihat Gambar 1.9). Dua komponen yang paling berlimpah di udara adalah nitrogen

dan oksigen. Keduanya ini adalah contoh dari unsur, zat yang tidak dapat dipecah

menjadi lebih sederhana dengan cara apapun secara kimia. Ada lebih dari 110 unsur,

dan sebagian besar dari materi yang terdiri dari satu atau lebih dari unsur-unsur.

Sekitar 90 % unsur terjadi secara alami di planet bumi dan, sejauh yang kita ketahui,di alam semesta. Unsur yang lain telah diciptakan dari unsur-unsur yang sudah ada

melalui reaksi inti buatan. Plutonium mungkin yang paling dikenal dari unsur-unsur

buatan yang diproduksi, meskipun unsur ini terjadi secara alami dalam konsentrasi

yang sangat kecil.

Daftar unsur dan simbol kimia, satu atau dua huruf singkatan untuk tiap unsur,

muncul dalam bagian dalam sampul belakang. Simbol-simbol ini, ditetapkan oleh

perjanjian internasional dan digunakan di seluruh dunia. Beberapa simbol yang cukup



28

jelas bagi orang-orang yang berbahasa Inggris. Sebagai contoh, oxygen adalah O,

nitrogen adalah N, carbon adalah C, dan sulphure adalah S. Kebanyakan simbol,

terdiri dari dua huruf : Ni nikel, Cl untuk klorida, Ca untuk kalsium, dan sebagainya.

Simbol lain tampaknya memiliki sedikit hubungan dengan nama bahasa Inggris

mereka. Dengan demikian, Fe adalah besi, Pb timbal, Au adalah emas, Ag adalahperak, Sn timah, Cu adalah tembaga, dan Hg adalah merkuri. Semua logam ini

dikenal bagi nenek moyang dan karenanya pada jaman dahulu telah diberi nama.

Simbol-simbol ini mencerminkan nama Latin, misalnya, ferrum untuk besi, plumbum

untuk timbal, hydrargyrum utuk merkuri.

Unsur telah dinamai sesuai sifat, planet, tempat, dan orang-orang. Hidrogen (H)

berarti " pembentuk air, " nama yang mencerminkan fakta bahwa unsur ini mudah

terbakar dalam oksigen untuk membentuk air. Neptunium (Np) dan plutonium (Pu)

diberi nama setelah dua anggota paling baru ditemukan dalam tata surya kita.

Berkelium (Bk) dan californium (Cf) untuk menghormati Berkeley laboratorium di

mana tim peneliti pertama kali menghasilkan dua unsur ini. Albert Einstein, Dmitri

Mendeleev, dan Lise Meitner (codiscoverer of nuclear fission) berturut-turut telahmenancapkan nama mereka di keabadian dalam nama einsteinium (Es),

mendelevium (Md), dan Meitnerium (Mt). Unsur-unsur yang paling baru ditemukan

adalah Darmstadtium (Ds) dan roentgenium (Rg). Unsur ini dinamai Darmstadt, kota

di Jerman di mana ia ditemukan. Yang terakhir dinamai Wilhelm Roentgen dan

merupakan unsur terberat yang saat ini dikenal. Hanya beberapa dari atom tersebut

yang diproduksi oleh kimiawan.

Dalam hal pengklasifikasian unsur, Mendeleev telah menyusun unsur secara

vertical dan horizontal sesuai dengan kemiripan sifat. Golongan merupakan

pengelompokan dalam satu kolom sedangkan periode pengelompokan dalam 1 baris

seperti yang disajikan dalam gambar 1.10.

Beberapa perumpamaan penamaan unsur dapat berasal dari pemeriksaan unsur.Sebagai contoh, sebagian besar unsur berwujud padat, beberapa gas, dan hanya

dua, bromin dan merkuri, berupa cairan pada suhu dan tekanan standar.

Logam(metals) adalah unsur yang mengkilap dan menghantarkann arus listrik dan

panas dengan baik, contohnya adalah besi, emas, dan tembaga. Bukan logam

(Nonmetals), unsur yang memiliki bentuk yang bervariasi dan tidak tidak

menghantarkan listrik dengan baik, contohnya belerang, klor, dan oksigen. Hanya

delapan elemen yang masuk ke dalam kategori yang disebut metaloid, kadang-

kadang juga disebut sebagai semimetals. Unsur-unsur ini termasuk pada batas

antara logam dan non logam pada tabel periodik dan tidak masuk ke kedua kelompok

tersebut. Semikonduktor silikon dan germanium adalah contoh dari metaloid.

Golongan 8A dikenal sebagai gas mulia, unsur-unsur inert dan tidak mudahmengalami reaksi kimia. Bahkan, beberapa gas mulia (helium dan neon) tidak

bergabung secara kimia dengan unsur-unsur lain. Radon adalah gas mulia yang

bersifat radioaktif. Sebagaimana terlihat dalam sub bab 1.13, radon mempengaruhi

kualitas udara dalam ruangan. Dengan demikian, tabel periodik adalah database

yang sangat berguna.

Pertimbangkan ini 1.14 Mengadopsi sebuah elemen

Tabel periodik pada yand ada di WEB memberikan sifat-sifat unsur, tanggal

dimana ditemukan, sifat isotop alaminya, dan masih banyak lagi. Dengan demikian,



29

daftar di WEB memberikan akses cepat ke informasi yang anda inginkan

dibandingkan jika anda mencarinya melalui buku referensi. Gunakan link tabel

periodik di online Learning Center untuk mempelajari lebih lanjut tentang unsur yang

ingin dicari. Cari tahu kapan unsur tersebut ditemukan, apakah wujud unsur secara

alami sebagai padat, cair, atau gas, penampakkannya, di mana unsur itu ditemukan.Dua komponen lain di atmosfer, air dan karbon dioksida, adalah contoh senyawa,

zat murni yang terdiri dari dua atau lebih unsur dalam perbandingan yang tetap,

memiliki kombinasi kimia yang karakteristik. Sebagai contoh, air adalah senyawa dari

unsur oksigen dan hidrogen. Demikian pula, karbon dioksida (CO2), merupakan

senyawa dari unsur oksigen dan karbon. Dalam CO2, dua unsur kimia dikombinasikan

dan sifat dari masing-masing elemen penyusunnya tidak muncul.

Seperti namanya, karbon dioksida terdiri dari karbon dan oksigen direaksikan

secara kimia dalam komposisi yang tetap. Semua sampel murni dari karbon dioksida

mengandung 27 % karbon dan 73 % oksigen berat (atau massa). Dengan demikian,

sampel 100 g karbon dioksida akan selalu terdiri dari 27 g karbon dan 73 g oksigen.

Angka perbandingan tersebut tidak pernah bervariasi, tidak memperhatikan darimanasumber karbon dioksida dihasilkan. Ini menggambarkan kenyataan bahwa setiap

senyawa menunjukkan komposisi kimia yang karakteristik dan konstan.

Sebaliknya, karbon monoksida (CO) juga merupakan senyawa karbon dan

oksigen. Namun, sampel murni karbon monoksida mengandung 43 % karbon dan 57

% oksigen berat. Dengan demikian, 100 g karbon monoksida mengandung 43 g

karbon dan 57 g oksigen, yang jauh berbeda dengan komposisi karbon dioksida. Hal

ini tidak mengherankan, karena karbon monoksida dan karbon dioksida adalah dua

senyawa yang berbeda.

Meskipun sekitar hanya 100 unsur yang ada, lebih dari 20 juta senyawa telah

diisolasi, diidentifikasi, dan ditandai. Beberapa sangat akrab sebagai zat alami seperti

air, garam, dan gula. Tetapi ada senyawa secara alami tidak ada di alam, melainkandisintesis oleh ahli kimia. Motivasi untuk membuat senyawa baru bermacam-macam.

Seperti ingin membuat serat sintetis dan plastik, untuk menemukan obat untuk

menyembuhkan AIDS atau kanker, atau hanya untuk kreativitas dan intelektual

bersenang-senang. Dalam Bab 9 dan 10, kita akan melihat contoh-contoh senyawa

baru yang disintesis oleh kimiawan.

1.7 Atom dan Molekul

Atom adalah unit terkecil dari suatu unsur yang stabil. Atom sangat kecil, bahkan

miliaran kali lebih kecil dari apa pun yang kita lihat secara langsung. Karena

ukurannya yang kecil, sejumlah besar atom dalam setiap sampel dianalogikan

dengan cara konvensional. Misalnya, dalam setetes air yang Anda mungkinditemukan atom sebanyak 5x1021. Gambar 1.11 menunjukkan bahwa sesuatu yang

sebelumnya tidak terlihat menjadi terlihat. Dengan menggunakan mikroskop scanning

tunneling , para ilmuwan di IBM Almaden Research Center menyusun 112 molekul

karbon monoksida pada permukaan tembaga untuk menuliskan tulisan “ NANO

USA”. Nanoteknologi merupakan teknologi yang bekerja pada atom dan molekul

dalam skala nano meter (1 nanometer (nm) = 1 x10 -9 m).

Unsur terbuat dari atom-atom yang sejenis. Misalnya, unsur karbon terdiri dari

atom karbon saja. Sebaliknya, senyawa yang terdiri dari unsur-unsur baik dua atau



30

lebih unsur. Dalam senyawa karbon dioksida, dua jenis atom yang hadir : karbon dan

oksigen. Demikian pula, air terdiri dari atom hidrogen dan oksigen.

Rumus kimia adalah cara simbolis untuk mewakili komposisi dasar suatu zat.

Rumus ini mengungkapkan jumlah atom yang ada (dengan simbol kimia) dan rasio

atom dari elemen-elemen (dengan subscript). Misalnya, dalam CO2 unsur C dan O

yang hadir dalam rasio satu atom karbon untuk setiap dua atom oksigen. Demikian

pula, H2O menunjukkan dua atom hidrogen untuk setiap atom oksigen. Perhatikan

bahwa ketika atom digunakan sekali dalam rumus, seperti O dalam H2O atau C dalam

CO2, subscript dari "1" dihilangkan.

Di alam, unsur juga stabil sebagai single atom seperti He dan Rn. unsur lain stabil

dalam bentuk molekul, misal gas oksigen (O2), nitrogen (N2). Tabel 1.6 merangkum

pembahasan kita tentang unsur, senyawa, dan campuran

Giliranmu 1.16 Unsur dan Senyawa

Identifikasi senyawa ini sebagai unsur atau senyawa.

a. sulfur dioksida, SO2

b. karbon tetraklorida, CCl4

c. hidrogen peroksida, H2O2

d. sukrosa, C12H22O11

e. klorin, Cl2

f. nitrogen monoksida, NO

jawaban

a. belerang, oksigen (senyawa) e. klorin (unsur)

Kita sekarang dapat menerapkan konsep ini ke atmosfer bumi. Air adalah

campuran, dan komposisinya bervariasi bergantung waktu, lokasi, dan ketinggian.

Beberapa komponen, seperti nitrogen, oksigen, dan argon, adalah unsur yang

lainnya, terutama karbon dioksida dan air, adalah senyawa. Semua senyawa yang



31

hadir sebagai molekul (yaitu, CO2 dan H2O ). Beberapa unsur juga ada sebagai

molekul (yaitu, N2 dan O2), sedangkan yang lain adalah atom tunggal (yaitu, Ar dan

He).

Udara kering utamanya terdiri dari unsur nitrogen dan oksigen, yaitu, molekul N2 dan molekul O2. Jika udara lembab, artinya terdapat uap air dalam bentuk molekul

H2O. Ingat juga bahwa 385 ppm karbon dioksida, yang berarti bahwa ada 385 molekul

CO2 per 1x106 molekul dan atom di udara. Atom yang mana? Air mengandung hanya

kurang dari 1 % atom Ar (argon), serta sejumlah kecil atom He (helium) dan Xe

(xenon) dan jumlah yang sangat kecil dari atom Rn (radon).

1.8 Nama dan Rumus : Penamaan dalam Kimia

Penamaan kimia merupakan dasar dalam menyebut senyawa kimia. Terdapat 3

aturan dalam penamaan kimia. Pertama adalah perhatikan jumlah masing-masing

atom dalam suatu senaywa. Kedua, unsur terakhir dirubah dengan akhiran –ida,

missal oksigen menjadi oksida, sulfur menjadi sulfide, dll. Ketiga, awalan mono untukunsur pertama dihilangkan, sebagai contoh SO3, penamaan bukan monosulfur

trioksida tetapi sulfur trioksida. Penambahan awalan berlaku untuk unsur kedua.

Aturan mengenai penamaan kimia dapat dilihat pada Tabel 1.7.

Bagimana dengan penamaan H2O? apakah dihidrogen oksida? H2O adalah

pengecuailan dari penamaan diatas. Penamaan H2O tetep air karena air sudah

dikenal jauh sebelum penamaan senyawa ditemukan. Begitu juga dengan NH3, lebih

dikenal dengan amoniak, O3 lebih dikenal dengan ozone.



32

Selain itu, penamaan dalam senyawa hidrokarbon juga berbeda. Kita tahu bahwa

CH4 adalah metana, sedangkan C2H6 adalah etana. Penamaan senyawa hydrogen

akan dijelaskan lebih detail pada bab 4.

1.9 Perubahan Kimia : Peran Oksigen dalam MembakarPolutan pertama yang tercantum dalam Tabel 1.5 adalah karbon monoksida, CO,

namun, semua udara, tercemar atau tidak, mengandung karbon dioksida, CO2.

Karbon monoksida dan karbon dioksida dapat keduanya timbul dari sumber yang

sama : pembakaran. Pembakaran adalah kombinasi yang cepat antara oksigen

dengan zat. Ketika unsur karbon atau senyawa karbon terbakar di udara, oksigen

bergabung dengan karbon untuk membentuk CO2 or CO (atau keduanya). Demikian

pula, reaksi pembakaran menghasilkan air dan sulfur dioksida dari pembakaran

hidrogen dan belerang.

Karbon dan oksigen merupakan reatkan, sedangkan CO dan CO2 adalah produk.

Secara umum reaksinya sebagai berikut:

Sesuai perjanjian internasional, reaktan selalu ditulis di

sebelah kiri dan produk di sebelah kanan. Panah

merupakan transformasi kimia dan dibaca sebagai "diubah

menjadi " atau "hasil. " Jadi, reaktan diubah menjadi produk

dalam arti bahwa reaksi memberikan produk yang sifat yang

berbeda dari reaktan.

Pembakaran karbon untuk menghasilkan karbon

dioksida (misalnya, pembakaran arang di udara, Gambar

1.12 ) dapat direpresentasikan dalam beberapa cara. Salah

satu cara adalah dengan "persamaan kata" :

Hal ini lebih umum untuk menggunakan formula kimia

untuk mewakili unsur dan senyawa yang terlibat :

Pernyataan simbolis kompak menyampaikan banyak

informasi. Sebuah terjemahan dari persamaan 1.1 mungkin

terdengar sesuatu seperti ini : " Satu atom unsur karbon

bereaksi dengan satu molekul unsur oksigen untuk

menghasilkan satu molekul karbon dioksida majemuk. "

Hitam untuk karbon dan merah untuk oksigen, kita bisamewakili penataan ulang atom dalam reaksi ini sebagai berikut.

Demikian pula, dengan menggunakan kuning untuk belerang, kita bisa mewakili

pembakaran belerang untuk menghasilkan polutan udara sulfur dioksida.



33

Perhatikan bahwa persamaan ini seimbang karena jumlah yang sama dari kedua

atom belerang dan atom oksigen dalam reaktan dan produk.

Selain jumlah atom yang terlibat dalam reaksi, wujud dari reaktan dan produk

kadang disertakan untuk memberikan gambaran detail dari suatu reaksi kimia. Wujud

padat disimbolkan oleh (s), cairan dengan (l), dan gas dengan (g). Karena karbon dan

sulfur adalah padatan, dan oksigen, karbon dioksida, dan sulfur dioksida adalah gas-

gas pada suhu biasa dan tekanan, persamaan 1.1 dan 1.2 menjadi :

Atom tidak diciptakan atau dihancurkan dalam reaksi kimia, dan unsur-unsur ini

tidak berubah ketika dikonversi dari reaktan ke produk. Hubungan ini disebut hukum

kekekalan materi dan massa : dalam reaksi kimia, materi dan massa tetap. Massa

reaktan yang bereaksi sama dengan massa produk yang terbentuk. Massa total tidak

berubah, karena materi tidak diciptakan atau dihancurkan. Berdasarkan konsep

kekekalan materi, dimana jumlah atom di reaktan harus sama dengan yang ada di

produk, maka untuk reaksi pembentukan CO2 diatas, jumlah atom C baik di reaktan

maupun di produk harus sama yaitu 1 atom C, begitu juga dengan oksigen terdapat

2 atom O di reaktan dan produk.

Persamaan kimia yang benar adalah seimbang, beberapa hal harus sama, yang

lain tidak perlu. Tabel 1.8 merangkumnya.

Persamaan 1.1 menjelaskan pembakaran karbon murni dalam banyak pasokanoksigen. Namun, jika suplai oksigen yang terbatas, produk akan menghasilkan CO.

Pertama kita menulis rumus kimia untuk reaktan dan produk :

Apakah persamaan ini kimia seimbang ? Terdapat dua atom oksigen di sebelah

kiri tapi hanya satu di sebelah kanan. Kita tidak bisa menyeimbangkan persamaan

hanya dengan menambahkan atom oksigen tambahan ke sisi produk. Setelah kita

menulis rumus kimia yang benar untuk reaktan dan produk, kita tidak bisa



34

mengubahnya. Untuk melakukannya akan berarti reaksi yang berbeda. Yang bisa kita

lakukan adalah dengan mengganti koefisien di depan berbagai rumus kimia. Dalam

kasus sederhana seperti ini, koefisien dapat ditemukan dengan mudah dengan trial

and error yang sederhana. Jika kita menempatkan 2 ke kiri CO simbol, itu

menandakan dua molekul karbon monoksida. Hal ini terkait dengan total dua atomkarbon dan dua atom oksigen. Dua atom oksigen juga di sisi kiri panah, sehingga

atom oksigen telah seimbang.

Tapi sekarang atom karbon tidak seimbang. Untungnya, hal ini mudah diperbaiki

dengan menempatkan 2 di depan C.

Persamaan yang seimbang dapat direpresentasikan dengan model, sekali lagi

menggunakan hitam untuk atom karbon dan merah untuk atom oksigen.

Hal ini terbukti dari membandingkan persamaan 1.1 dan 1.3 yang relatif bisa

dipahami, O2 berlebih diperlukan untuk membentuk CO2 dari karbon daripada yang

dibutuhkan untuk membentuk CO ini cocok dengan kondisi mengenai pembentukan

karbon monoksida, yaitu, bahwa dalam kondisi oksigen terbatas.

Polutan udara yang lain, nitrogen monoksida (juga disebut oksida nitrat),

dihasilkan dari nitrogen dan oksigen. Dengan penambahan energy dalam hal ini

energy kalor, seperti dalam mesin mobil atau kebakaran hutan, kedua gas atmosfer

akan bergabung. Persamaan kimia yang terjadi:

Persamaan ini tidak seimbang: atom oksigen dua berada di sebelah kiri, tapi

hanya satu yang di sebelah kanan. Hal yang sama berlaku untuk atom nitrogen.

Menempatkan 2 di depan NO persediaan dua nitrogen dan dua atom oksigen, dan

persamaan kini seimbang.

Pertimbangkan ini 1.21 Saran dari Nenek

Seorang nenek menawarkan saran ini untuk membersihkan taman dari hama ulat.

" Pasang beberapa paku besi di sekitar satu kaki dari atas dasar pohon Anda, jarak

pemasangan paku sekitar 3 sampai 5 inci. "Menurut nenek, paku besi mengkonversi

getah pohon (zat gula yang mengandung atom karbon, hidrogen, dan oksigen )

menjadi amonia (NH3), suatu senyawa yang memebuat ulat tidak tahan. Beri

penjelasan dari komentar nenek.

1.10 Api dan Bahan Bakar : Kualitas udara dan Pembakaran Hidrokarbon



35

Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, hidrokarbon senyawa hidrogen dan

karbon. Sumber hidrokaron sangan banyak di alam, paling banyak berasal dari

minyak bumi. Metana (CH4), hidrokarbon paling sederhana, merupakan komponen

utama gas alam. Bensin dan minyak tanah adalah campuran molekul hidrokarbon

kompleks yang berbeda-beda.Pembakaran sempurna metana akan menghasilkan CO2 dan uap air. Reaksi

kimia sebagai berikut:

Sebagian besar mobil berjalan pada campuran kompleks hidrokarbon yang kita

sebut bensin. Salah satu komponen adalah oktan, C8H18. Jika suplai oksigen yang

cukup mencapai mesin, pembakaran oktan membentuk karbon dioksida dan air.

Apabila oksigen tersedia kurang, hidrokarbon akan terbakar tidak sempurna,

kadang-kadang disebut sebagai "pembakaran tidak sempurna". Dalam hal ini,

persamaan 1.6 tidak akan terjadi. Sebaliknya, CO akan menjadi salah satu produk.Sebuah situasi yang ekstrim diwakili oleh persamaan 1.7, di mana semua karbon

dalam oktan tersebut dikonversi ke karbon monoksida.

Perhatikan bahwa koefisien O2 in Persamaan 1.6 adalah 25, sedangkan koefisien

yang sesuai dalam persamaan 1.7 adalah 17. Oksigen yang lebih sedikit diperlukan

untuk membentuk CO

Apa yang sebenarnya terjadi dalam mesin mobil adalah kombinasi dari reaksi

kimia. Sebagian besar karbon yang

dikeluarkan melalui knalpot mobil

dalam bentuk CO2, meskipun

beberapa CO dan jelaga (karbonyang tidak terbakar ) juga

dihasilkan. Jumlah relatif CO dan

CO2 mengindikasikan seberapa

efisien mobil dalam membakar

bahan bakar, yang pada gilirannya

menunjukkan seberapa baik mesin

disetel. Amerika Serikat memantau

auto emisi gas buang sampel

dengan probe pendeteksi CO

(Gambar 1.13). Konsentrasi CO

yang diukur dibandingkan denganBaku mutu yang sudah ada,

misalnya, 1,20% di negara bagian

Minnesota. Jika kendaraan gagal uji

emisi, kendaraan tersebut harus

diperbaiki.

1.11 Polutan Udara : Sumber Langsung



36

Sekarang Anda harus menyadari bahwa setiap napas yang Anda hirup

mengandung terutama nitrogen dan oksigen. Sebaliknya, setiap polutan yang hadir

dalam jumlah sangat kecil. Tetapi bahkan pada tingkat ppm ( atau ppb ), polutan ini

dapat membahayakan kualitas udara. Bagaimana polutan ini dihasilkan? Pada

bagian ini, kita akan membahas dua sumber utama: pembangkit listrik tenagabatubara yang menghasilkan listrik dan kendaraan bermotor seperti mobil dan truk.

Di Amerika Serikat, pembakaran batu bara adalah sumber utama untuk tenaga

listrik. Pembakaran batu bara juga merupakan sumber utama emisi SO2. Sebagian

besar terdiri dari karbon dan hidrogen, pembakaran batubara akan membentuk

karbon dioksida (atau karbon monoksida) dan air. Tapi batubara juga mengandung

unsur-unsur lain. Sebagai contoh, sebagian besar batubara mengandung sulfur 1-3%

dan batuan -seperti mineral. Saat batu bara dibakar, SO2 terbentuk, dan mineral

diubah menjadi partikel abu yang halus. Jika tidak dihilangkan, SO2 dan partikel

dikeluarkan melalui cerobong. Ratusan juta ton batubara yang dibakar akan

mengubah sulfur dan batuan menjadi jutaan ton SO2 dan abu.

Setelah diemisikan, sulfur dioksida dapat bereaksi dengan oksigen membentuksulfur trioksida, SO3.

Meskipun biasanya cukup lambat, reaksi ini dipercepat dengan adanya partikel

abu yang kecil. Partikel abu juga membantu proses lain. Jika kelembaban cukup

tinggi, partikel halus mebuat uap air menjadi aerosol, tetesan air kecil yang kita sebut

kabut. Aerosol terdiri dari partikel, baik cair dan padat, yang mengapung di udara.

Asap adalah aerosol akrab terbuat dari partikel kecil yang berupa padatan dan cairan.

Aerosol menjadi perhatian karena mengandung asam sulfat, H2SO4. Senyawa ini

terbentuk karena sulfur trioksida mudah larut dalam uap air dan menghasilkan asam

sulfat.

Giliranmu 1.25 SO2 di Industri Pertambangan

Pembakaran batu bara bukan satu-satunya sumber sulfur dioksida. Seperti yang

Anda lihat di Gliranmu 1.11, peleburan logam adalah sumber lainnya. Misalnya,

logam perak dan tembaga dapat dihasilkan dari bijih sulfida. Tuliskan persamaan

kimia.

a. Perak sulfida ( Ag2S ) dipanaskan dengan oksigen untuk menghasilkan perakdan sulfur dioksida.

b. Sulfida tembaga (CuS) dipanaskan dengan oksigen untuk menghasilkan

tembaga dan sulfur dioksida.

menjawab

a.

Kita sudah membahas pembakaran oktan dalam bensin untuk membentuk karbon

dioksida dan uap air ( persamaan 1.6 ). Karena bensin mengandung sedikit atau



37

bahkan tidak ada belerang yang terukur, pembakaran bensin bukan sumber utama

dari sulfur dioksida. Meskipun demikian, asap knalpot dari kendaraan bermotor

menambah konsentrasi karbon monoksida, nitrogen oksida, dan partikel di udara.

Penurunan dramatis dalam emisi CO telah terjadi meskipun jumlah mobil telah

meningkat. Berdasarkan pengukuran oleh EPA di lebih dari 250 lokasi, rata-ratakonsentrasi CO telah menurun 60 % 1990-2005. Dengan asumsi bahwa kebakaran

hutan tidak disertakan, saat ini dilaporkan CO berada pada tingkat terendah dalam 3

dekade. Penurunan ini disebabkan oleh beberapa faktor, termasuk desain perbaikan

mesin, sensor yang mampu menyesuaikan campuran bahan bakar dan oksigen, dan

yang paling penting, bahwa semua mobil baru sejak pertengahan 1970-an harus

memiliki catalytic converter (Gambar 1.14 ), perangkat yang terpasang di aliran

knalpot untuk mengurangi emisi. Secara umum, katalis adalah zat kimia yang ikut

dalam reaksi kimia dan mempengaruhi hasil tanpa mengalami perubahan permanen.

Catalytic converter di kendaraan memiliki dua fungsi. Yang pertama adalah untuk

menurunkan emisi karbon monoksida dengan menggunakan logam seperti platinum

dan rhodium untuk mengkatalisis pembakaran CO menjadi CO2. Katalis lainmengkonversi nitrogen oksida kembali ke N2 dan O2, dua gas atmosfer yang

membentuk nitrogen oksida.

Sebuah mobil modern performa tinggi yang mampu beroperasi pada kecepatan

tinggi dan dengan akselerasi yang cepat tidak hanya mengemisikan karbon dalam

bentuk karbon monoksida, tetapi juga dalam bentuk hidrokarbon tidak terbakar. Ini

sering disebut sebagai VOC, atau senyawa organik yang volatil, suatu zat yang

mudah menguap. Bensin dan penghilang cat kuku merupakan senyawa volatil, ketika

Anda menumpahkan beberapa tetes, maka dengan mudah segera menguap. Suatu

zat disebut sebagai senyawa organik jika mengandung karbon dan hidrogen.

Misalnya, senyawa organic yang termasuk metana dan oktana yang disebutkan

sebelumnya, serta senyawa yang mengandung O selain C dan H, seperti alkohol dangula. Kita akan membahas senyawa organik lebih lengkap dimulai pada Bab 4.

Dalam kasus emisi knalpot, senyawa organik volatil (VOC ) berasal dari uap

molekul bensin yang tidak terbakar sempurna. Gas buang masih mengandung

oksigen, karena tidak semuanya dikonsumsi di dalam mesin. Catalytic converter

memanfaatkan oksigen ini untuk menurunkan jumlah VOC yang diemisikan dengan

membakar VOC untuk membentuk karbon dioksida dan air.



38

Selama lebih dari 50 tahun, Senyawa timbal di dalam tetraetil lead ( TEL ), telah

ditambahkan ke bensin untuk membuatnya membakar lebih lancar dan

menghilangkan " knocking". Sekitar satu sendok teh TEL ditambahkan ke setiap galon

bensin. TEL bekerja dengan mengurangi “knoking” di dalam mesin yang dapat

menurunkan efisiensi mesin, " tapi sayangnya timbal diemisikan melalui knalpot kepinggir jalan dan jalan-jalan kota. Timbal sangat beracun dan bertindak sebagai racun

akumulasi yang dapat menyebabkan berbagai macam masalah neurologis, terutama

pada anak-anak. Meskipun toksisitas sudah diketahui, usaha untuk menghilangkan

timbal dari bensin berlangsung lebih dari 60 tahun.

Timbal dalam bensin juga dapat menurunkan efektivitas catalytic converter. Oleh

karena itu, mobil dan truk yang sudah dipasang catalytic converter sejak tahun 1976

dibuat dan diperasikan dengan bensin tanpa timbal (bensin tanpa TEL). Tahun 1997

bahan bakar bertimbal akhirnya dilarang oleh hukum di Amerika Serikat. Oleh karena

itu, hari ini di pompa bensin di AS anda melihat semua bahan bakar yang dicap tanpa

timbal ( Gambar 1.15 ). Hasilnya telah terjadi penurunan dramatis (95% ) dalam emisi

timbal kendaraan, sejak tahun 1980 sampai 1999. Sayangnya, timbal belum dilarangsecara global, dan beberapa lusin negara masih menggunakan bahan bakar

bertimbal. Tingginya kadar timbal yang ditemukan di kota-kota besar seperti Bangkok,

Kairo, Jakarta, dan Mexico City.

Setiap kali udara dikenakan suhu tinggi, seperti dalam sebuah mesin pembakaran

internal atau dalam pembangkit listrik tenaga batu bara, N2 dan O2 bergabung untuk

membentuk dua molekul NO seperti yang kita lihat sebelumnya dalam persamaan

1.4.

Tidak seperti N2, NO sangat reaktif. Bereaksi dengan oksigen membentuk NO2.

Namun, reaksi ini tidak terjadi dalam waktu singkat (misalnya, saat mengemudi

mobil Anda untuk berangkat kerja ) karena memerlukan konsentrasi tinggi NO untuk

berlangsung. Konsentrasi NO di udara tercemar dalam orde 100 ppb, konsentrasi ini

tidak cukup tinggi untuk NO bereaksi dengan O2. Mengingat hal ini, bagaimana NO2

terbentuk dari NO? Untuk menjawab pertanyaan ini, kita perlu memasukkan 2

senyawa lainnya, yaitu : VOC dan radikal hidrosida OH·. Yang terakhir adalah spesies

reaktif yang mengandung elektron yang tidak berpasangan dan ditunjukkan oleh titik.

Dalam Bab 2, Anda akan bertemu spesies reaktif lainnya dengan elektron tidak

berpasangan.

Meskipun OH dan VOC terjadi secara alami, konsentrasi VOC jauh lebih tinggi diudara yang tercemar. Berikut urutan peristiwa kompleks yang mengubah NO menjadi

NO2.

Di sini, A, A’ dan A” merupakan molekul reaktif yang disintesis dari VOC. Seperti

yang terlihat, reaksi ini sangat kompleks! yang perlu ditekandisini adalah Jika udara



39

mengandung konsentrasi yang cukup NO, O2, VOC, dan radikal OH, maka NO2 dapat

terbentuk. NO2 adalah racun dan berperan dalam pembentukan ozon troposfer,

seperti akan kita lihat pada bagian berikutnya. Nitrogen dioksida juga berkontribusi

terhadap hujan asam.

Jumlah nitrogen oksida yang diemisikan ke atmosfer telah meningkat sekitar 9 %sejak tahun 1980, meskipun senyawa ini juga telah menunjukkan beberapa

penurunan kecil dalam beberapa tahun terakhir.

1.12 Ozon : Polutan Sekunder

Ozon pasti adalah senyawa yang jahat di troposfer. Seperti yang telah disebutkan

sebelumnya, ozon mempengaruhi sistem pernapasan Anda, bahkan pada

konsentrasi yang sangat rendah itu akan mengurangi fungsi paru-paru pada normal,

orang sehat yang sedang berolahraga di luar ruangan. Pada bagian sebelumnya, kita

tidak menyebutkan ozon yang keluar dari knalpot atau diproduksi saat batu bara

dibakar untuk menghasilkan energi. Bagaimana kemudian ozon diproduksi? Sebelum

kita menjawab pertanyaan ini, cek Gambar 1.16.

Aktivitas sebelumnya menimbulkan beberapa pertanyaan yang saling terkait.

Bagaimana ozon diproduksi? Mengapa lebih umum di beberapa daerah daripada

orang lain? Dan sinar matahari berperan apa dalam produksi ozon?

Berbeda dengan polutan yang dijelaskan dalam bagian sebelumnya, ozon tidak

secara langsung dipancarkan ke atmosfer. Sebaliknya, itu merupakan polutan

sekunder, yaitu, itu dihasilkan dari reaksi kimia antara dua atau lebih polutan lain,

dalam hal ini, VOC dan NO2. masih ingat tentang pembentukan NO2 bahwa senyawa

ini tidak langsung dihasilkan dari emisi knalpot, tapi menghasilkan NO. Tapi seiring

waktu dan dengan adanya VOC dan radikal OH, NO di atmosfer diubah menjadi NO2

seperti yang Anda terlihat persamaan 1.11.



40

Nitrogen dioksida berada di atmosfer, dan salah satu yang menarik terjadi ketika

senyawa ini semakin tinggi di langit dan terkena sinar matahari. Energi sinar matahari

akan membuat NO2 bereaksi menjadi NO dan O, reaksi yang terjadi:

Fokus pada atom oksigen yang dihasilkan dalam persamaan 1.12. Oksigen

selanjutnya bereaksi dengan molekul oksigen untuk menghasilkan ozon.

Pembentukan ozon membutuhkan O, yang pada gilirannya diproduksi ketika sinar

matahari memecah NO2. Tidak ada sinar matahari, tidak ada ozon. Jadi ketika

Matahari terbenam, konsentrasi ozon turun drastic. Perhatikan bahwa persamaan

1.13 berisi tiga bentuk yang berbeda dari unsur oksigen : O, O2 dan O3. Ketiganya

ditemukan di alam, tetapi O2 yang paling melimpah karena kandungannya seperlima

dari udara yang kita hirup. Atmosfer kita alami mengandung sejumlah kecil ozon di

stratosfer sebagai pelindung seperti yang akan kita lihat di Bab 2.

Karena sinar matahari yang terlibat dalam pembentukan ozon, kemungkinankonsentrasi ozon bervariasi oleh cuaca, musim, dan lokasi. Tingginya kadar ozon di

troposfer jauh lebih mungkin terjadi pada panjang hari musim panas yang cerah,

terutama di daerah perkotaan padat.

Peta ozon sehari-hari juga tersedia untuk Kanada. Seperti yang dapat Anda lihat

dari Gambar 1.17, udara tercemar di beberapa kota di Kanada dapat berasal di

Amerika Serikat.

1.13 Cerita Dibalik Kualitas Udara

Sebagian besar aktivitas kita dihabiskan di dalam ruangan, mulai dari tidur,

bekerja, belajar, bahkan sampai makan malam di restoran. Terlepas dimana kita

menghabiskan waktu kita, baku mutu kualitas udara yang ada untuk kualitas udara di



41

luar ruangan, tidak untuk udara di dalam ruangan. Ironisnya, tingkat polutan udara

dalam ruangan mungkin jauh lebih besar dari pada yang diluar.

Udara dalam ruangan merupakan campuran kompleks, hampir seribu zat dapat

dideteksi pada orde ppm atau bahkan lebih tinggi. Jika Anda berada di sebuah

ruangan di mana seseorang merokok, tambahkan seribu atau lebih. senyawa yangterkandung di dalan udara ruangan sangat beragam, selain yang sudah kita pelajari

di atas dan yang sudah kita dengar seperti VOC, NO, NO2, SO2, CO, ozon, radon,

dan PM polutan lain yang kurang popular seperti formaldehida, benzena, dan akrolein

mungkin bagian dari senyawa yang ada di udara ruangan.

Aktivitas lainnya dalam ruangan juga menambahkan polutan ke udara. Seringkali

hidung Anda memberitahu sumber, atau tiba-tiba sakit kepala akibat asap. Sebagai

contoh, ketika sedang mengecat, dan menggunakan pembersih kuas, atau cat kuku,

akan tercium bau VOC. Thinner khususnya menyertakan label peringatan untuk

digunakan dengan ventilasi yang memadai. Jika menggunakan hairspray atau

sesuatu yang bisa di semprot, bau mungkin akan tertahan dan seseorang yang

memasuki ruangan dapat terdeteksi keberadaan. Karpet baru dan perabotan baru

juga memancarkan bau khas. Dan sumber-sumber polutan udara dalam ruangandapat dilihat pada Tabel 1.9.



42



43

BAB 2 MELINDUNGI LAPISAN OZON

Dalam bab sebelumnya sedikit dijelaskan menganai ozon, bagaiman senyawa

ini terbentuk dan mengapa ozon dapat disebut sebagai polutan udara. Dalam bab ini

kita akan mempelajari lebih detail tentang ozon, antara lain:

1. alasan mengapa kita harus melindungi lapisan ozon,

2. Apakah ozon berbahaya bagi kesehatan manusia?

3. mengapa lapisan ozon semakin lama semakin menipis, dan terjadi di benuua

antartika?

4. Apa yang kita lakukan untuk menghentikan penurunan lapisan ozon?

2.1 Ozon : Apa dan dimana senyawa ini berada?

Ozon adalah gas atmosfer yang ditemukan di trofosfer dan stratosfer. Jika

kamu pernah berada di dekat busi kendaraan yang sedang di uji apakah busi tersebut

nyala dengan baik atau tidak, atau berada di dalam badai dengan banyak halintar,

maka kemungkinan akan mencium bau ozon. bau ozon khas dan susah untuk

digambarkan. ozon berasal dari kata Yunani yang berarti “mencium”.

Ozon merupakan bentuk allotropic dari atom O. Alotropik adalah 2 atau lebih

bentuk unsur yang sama yang berbeda struktur kimianya dan sifatnya. Contoh

alotropik yang lain adalah grafik, berlian, dan fullerene. Oksigen merupakan senyawa

yang tidak berbau, pada tekanan udara 1 atm, oksigen akan terkondensasi dari gasyang tidak berwarna menjadi cairan berwarna biru muda pada suhu -183⁰C.

sedangkan ozon merupakan senyawa yang memiliki bau, dan sifat f isik berubah dari

gas menjadi larutan berwarna biru kegelapan pada - 112⁰C. karena ozon lebih reaktif

dibandingkan dengan oksigen, ozon sering pada pemurnian air minum, atau pemutih

pada industry kertas atau pabrik.

Ozon adalah oksigen yang berubah dari normal molekul diatomic menjadi

triatomik, reaksi kimia yang sederhana sebagai berikut:



44

Oksigen harus menyerap energy untuk membentuk ozon karena reaksi

pembentukan ozon dari oksigen adalah endotermik. Penyerapan energi inilah yangmenjadi jawaban kenapa ozon terbentuk ketika oksigen terkena percikan listrik atau

percikan api busi motor atau petir.

Gambar 2.1 Konsentrasi ozon pada variasi ketinggian

Pada Bab 1 kita telah mempelajari ozon yang ada di troposfer yang meningkat

akibat polusi dan konsentrasi maksimal dibatasi dengan adanya baku mutu kualitas

udara. Pada lapisan stratosfer, konsetrasi ozon meningkat dan berfungsi sebagai

penyaring sinar ultraviolet dari sinar matahari. konsentrasi ozon (90%) berada di

lapisan stratosfer, sehingga istilah lapisan ozon adalah daerah di stratosfer yang

memiliki konsentrasi maksimum. Gambar 2.1 menunjukkan konsentrasi ozon

maksimum berada pada lapisan stratosfer. Pada ketinggian dimana konsentrasi ozon

maksimum, apabila seluruh ozon dikumpulkan dan kondisinya disesuaikan dengan

tekanan dan temperature di permukaan bumi ( 1 atm dan 15⁰C) akan memiliki

ketebalan hanya kurang dari 0,5 cm atau 0,25 inch. Untuk ukuran global, lapisan ini

sangat tipis mengingat fungsinya yang sangat penting dalam melindungi bumi dari

sinar ultraviolet.

Informasi yang dapat dipercaya mengenai konsentrasi ozon di atmosfer dapat

membantu kita memahami perubahan yang mungkin terjadi. Jumlah total ozon pada

kolom udara yang diketahui volumenya dapat ditentukan dengan relatif mudah.

Penentuan ini dapat dilakukan dari permukaan Bumi dengan mengukur jumlah radiasi

UV yang mencapai detektor, semakin rendah intensitas radiasi, semakin besar jumlah

ozon di kolom. G.M.B Dobson, seorang ilmuwan dari Universitas Oxford, merintis

metode pengukuran ini . Pada tahun 1920, ia menemukan instrumen pertama yang

secara kuantitatif mengukur konsentrasi ozon di kolom atmosfer bumi. Oleh karena

itu, satuan pengukuran denga metode ini menggunakan namanya. Satu Dobson Unit

(DU) setara dengan 3× 1016 molekul ozon dalam kolom atmosfer dengan luas area 1

cm2.



45

Para ilmuwan terus mengukur dan mengevaluasi konsentrasi ozon dengan

menggunakan pengamatan dari permukaan bumi, balon cuaca, dan pesawat terbang.

Namun, sejak tahun 1970-an , pengukuran total konsentrasi ozon juga telah dilakukan

melalui bagian atas atmosfer . Detektor yang ada di satelit merekam intensitas radiasi

ultraviolet yang dipancarkan di atmosfer yang lebih tinggi.Proses di mana ozon melindungi kita dari radiasi matahari yang berbahaya

melibatkan interaksi antara materi dan energi matahari. Proses ini membutuhkan

pengetahuan tentang topik dasar, yaitu pemahaman tentang materi itu sendiri dan

interaksi antara materi dengan energy.

2.2 Struktur atom dan Periodik

Setiap atom memiliki inti yaitu bagian yang sangat kecil yang tersusun dari

proton dan neutron. Proton merupakan partikel yang bermuatan positif dan neutron

tidak memilik muatan. Baik proton maupun neutron memiliki massa yang sama.

Selaian memiliki inti atom, atom juga memiliki elektron, yaitu partikel yang bermuatan

negative dan jumlah sama dengan proton. Elektron memiliki massa yang lebih ringandibanding proton dan neutron. Ringkasan mengenai proton, neutron dan elektron

dapat dilihat pada Tabel 2.1

Masing – masing unsur memiliki jumlah proton yang khas. Istilah yang

digunakan untuk membedakan tiap-tiap unsur adalah nomor atom yaitu jumlah proton

yang ada di dalam masing-masing unsur. Massa atom adalah jumlah antara proton

dan neutron

Di dalam tabel periodic

unsur, atom disusun

berdasarkan nomor

atom. Susunan unsur

dalam table periodic

menujukkan kemiripan

sifat kimia dari masing-masing unsur dalam 1 kolom (golongan). Karena jumlah

proton merepresentasikan jumlah elektron dalam atom netral dan kemiripan sifat

suatu atom didasarkan pada jumlah elektron terluar dari inti atom, maka

penggolongan unsur dalam 1 golongan didasarkan jumlah elektron terluar. Elektron

terluar merupakan elektron yang jaraknya jauh dari inti dan sehingga tarikan elektron

terhadap inti atom kecil. Elektron terluar ini sering juga disebut sebagai elektron

valensi.

8

16.00

Atomic number (Z)

Mass number (A)



46

Pada Tabel 2.2 terlihat bahwa golongan 1A menujukkan bahwa elektron

terluar yang dimiliki oleh atom ada 1 elektron. Lithium memiliki jumlah elektron 3,

maka jumlah elektron terluarnya adalah 1 yang berasal dari jumlah elektron Li

dikurangi dengan jumlah elektron gas mulia pada periode sebelumnya, yaitu Helium

(He) yang memiliki jumlah elektron 2.

Selain eletron dan neutron yang digunakan untuk mengidentifikasi atom, neutron juga

digunakan untuk mengidetinfikasi atom. Sebagai contoh atom Hidrogen yang memiliki

1 elektron, 1 proton dan tidak memiliki neutron, atom hydrogen juga memiliki 1

elektron, 1 proton tapi 1 neutron. Atom hydrogen yang memiliki 1 neutron disebut juga

deuterium. Sedangkan tritium merupakan atom hydrogen yang memiliki 2 neutron. Atom yang memiliki jumlah proton sama tetapi memiliki jumlah neutron dan jumlah

massa yang berbeda disebut isotop. Oleh karena itu, isotop selalu dibedakan dari

nomor massa nya.

2.3 Molekul dan Model

Molekul merupakan gabungan dari 2 atau lebih atom yang berikatan kimia

dalam susunan tertentu dan memiliki muatan netral. Dalam hal ini kita akan mengkaji

tentang ikatan kovolen, yaitu sejenis ikatan kimia yang dikarakterisasikan oleh

pasangan elektron yang saling terbagi (kongsi elektron) di antara atom-atom yang

berikatan.



47

Sebagai contoh adalah molekul H2, yang terdiri dari 1 ikatan kovalen. Jika

masing-masing atom H dengan 1 eletron digambarkan dengan dot, maka

Kedua atom digabungkan akan menghasilkan

Gambaran sebuah atom atau molekul yang menunjukkan electron terluar disebut

Struktur Lewis. Berdasarkan contoh molekul H2, bagaimana struktur dari H2O?

Pertimbangkan struktur H dan O

Langkah yang harus dilakukan adalah:

1. Hitung jumlah semua electron valensi

satu atom O x 6 elektron per atom (electron valensi) = 6

dua atom H x 1 elektron per atom (electron valen) = 2

8 elektron valensi2. Susun electron berpasangan. Distribusikan pasangan electron yang diperlukan

untuk menghubungkan masing-masing atom. Distribusikan pasangan electron

sisanya sehingga aturan octet berlaku. Aturan octet adalah aturan dimana electron di

setiap atom dalam molekul memiliki jumlah 8 elektron (kecuali hydrogen yang hanya

2 elektron).

atau

Dari uraian diatas dapat disebutkan bahwa ikatan tunggal adalah penggunaan

bersama sepasangan electron. Penggunaan bersama 2 pasang electron disebutikatan rangkap 2, sedangkan penggunaan bersama 3 pasang electron disebut

ikatan rangkap 3.

Bagaimana dengan struktur molekul ozon? Mari cek lagi dengan aturan octet.

Masing-masing atom O memiliki 6 elektron valensi, sehingga total electron valensi

ada 18. Susunan electron pada molekul ozon bisa 2 macam yaitu :

Struktur a dan b menujukkan bahwa molekul ozon memiliki 1 ikatan tunggal dan

2 ikatan rangkap. Pada struktur a terlihat bahwa ikatan rangkap berada pada sisi

sebelah kiri dari atom tengah, sedangkan struktur b menujukkan ikatan rangkap

berada pada sisi sebelah kanan atom tengah. Kedua struktur ini secara ekperimen

menujukkan bahwa ikatan rangkap identik antara struktur a dan struktur b, sehingga

struktur a dan b merupakan bentuk resonansi, yaitu struktur Lewis yang

menggambarkan kondisi hipotetik susunan electron dalam suatu molekul. Sehingga

bentuk resonansi dari ozon sebagai berikut:

OH H



48

2.4 Gelombang CahayaSetelah kita mempelajari ozon, maka selanjutnya kita akan mempelajari energy

sinar matahari. Interaksi sinar matahari dengan materi penting dalam beberapa

proses kehidupan, misalnya adalah proses fotosintesa. Setiap detik, 5 juta ton materi

yang berasal dari matahari diubah menjadi energy dan dipancarkan ke luar angkasa.

Fakta bahwa mata kita hanya bisa mengeidentifikasi perubahan warna merupakan

bukti bahwa energy matahari yang di emisikan bukanlah identik sama. Prisma dan

tetesan air hujan mendispersi energy matahari menjadi spectrum warna. Masing-

masing warna merupakan nilai yang dapat diukur yaitu panjang gelombang

(wavelength). Panjang gelombang adalah jarak antara 2 puncak dan disimbolkan

dengan lambda (λ). Gelombang juga bisa ditentukan oleh frekuensi, jumlah panjang

gelombang yang melewati titik tertentu dalam 1 detik. Frekuensi disimbolkan dengannu (ν).

Gambar 2.2 Perbedaan 2 gelombang

Hubungan antara panjang gelombang dengan frekuensi sebagai berikut:

dimana c adalah kecepatan cahaya (3,00 x 108 m/s).

Persamaan diatas menunjukkan bahwa frekuensi berbanding terbalik dengan

panjang gelombang. Jika frekuensi tinggi, maka panjang gelombang akan kecil, dan

begitu juga sebaliknya. Satuan panjang gelombang adalah nanometer atau 10 -9 meter, dan frekuensi adalah Hz (1/s).

Peneliti telah menemukan detector untuk mendeteksi bermacam-macam

panjang gelombang, bahkan yang tidak bisa terdeteksi oleh mata manusia. Rentang

panjang gelombang yang luas disebut sebagai spectrum electromagnetik, yaitu

rentang panjang gelombang mulai dari panjang gelombang pendek dan energy tinggi

(sinar X dan sinar gamma) ke panjang gelombang panjang dan energy rendah

(gelombang radio). Energy radian adalah istilah yang digunakan untuk



49

menggambarkan energy masing-masing panjang gelombang. Dalam bab ini, kita

akan membahasa energy yang berada pada daerah ultraviolet, daerah yang memiliki

panjang gelombang lebih pendek dari panjang gelombang cahaya tampak, tapi

memiliki panjang gelombang lebih panjang dari sinar X.

Gambar 2.3 Spektrum Elektromagnetik

Sinar matahari mengemisikan energy radian tetapi tidak dalam intensitas yang

sama. Gambar 2.4 menunjukkan bahwa intensitas terbesar yang diemisikan oleh siar

matahari adalah energy pada panjang gelombang tampak. Sebanyak 53% energy

dari sinar matahari adalah radiasi infrared. Energy inilah yang merupakan sumber

panas untuk palnet bumi. Sebanyak 39% energy yang diemisikan adalah sebagai

sinar tampak dan hanya 8 % yang sebagai sinar ultraviolet. Meskipun memiliki

persentase yang paling kecil, sinar UV memiliki potensial kerusakan terhadap

mahkluk hidup paling besar.

Gambar 2.4 Distribusi panjang gelombang dari radiasi sinar matahari

2.5 Radiasi dan materi

Pada awal-awal abad 20, peneliti menemukan beberapa fenomena bahwa

distribusi energy tidak benar-benar kontinu, tetapi terdiri dari beberapa paket energy

atau yang disebut terkuantifikasi. Gambaran sederhan mengenai kuantifikasi energy

adalah energy seperti tangga dimana terdapat sejumlah anak tangga, tidak seperti

jalan pada lereng jalan. Albert Einsten (1879-1955) mengusulkan bahwa energy

dilihat sebagai paket-paket energy yang berdiri sendiri yang disebut foton. Foton

merupakan partikel cahaya, tetapi tidak seperti definisi partikel pada umumnya yang



50

memiliki massa. Foton tidak memiliki massa, dan detail mengenail ini dijelaskan

dalam teori mekanika kuantum.

() = ℎ

Dimana

=

Sehingga

=ℎ

Energi (E) menggambarkan energy untuk satu foton. Symbol h merupakan konstanta

Planck (h = 6.63 x 10-34 J.s) . Persamaan diatas menunjukkan bahwa semakin tinggi

energy untuk satu foton, semakin pendek panjang gelombangnya, dan begitu pula

sebaliknya. Sinar UV memiliki panjang gelombang yang lebih pendek dari cahaya

tampak, sehingga sinar UV memiliki energy yang lebih besar cahaya tampak. Sinar

UV cukup energy untuk mengakibatkan peningkatan konsentrasi pigmen kulit,

melanin. Produksi melamin oleh sinar UV melibatkan lompatan kuantum, yaitu transisi

elektronik yang memerlukan energy tinggi.

Gambar 2.5 radiasi UV dapat memcah sebagian ikatan kimia

Matahari memborbardir bumi dengan foton dengan jumlah yang tidak bisadihitung. Atmosfer, permukaan planet bumi dan mahkluk hidup di bumi menyerap

semua foton yang dipancarkan oleh sinar matahari. Radiasi dari sinar infra merah

menghangatkan bumi dan lautan yang menyebabkan molekul beggerak, berotasi dan

bervibrasi. Sel retina pada mata kita sensitive terhadap sinar pada panjang

gelombang cahaya tampak, sehingga kita bisa melihat ketika ada cahaya tampak

yang mengenai mata. Sedangkan tanaman yang memiliki kloropil menggunakan

foton pada panjang gelombang yang panjang di daerah cahaya tampak untuk

mengubah CO2 dan air menjadi makanan, bahan bakar, dan oksigen melalui proses

yang disebut fotosintesa.

Telah kita pelajari bahwa energy dengan panjang gelombang pendek memiliki

energy yang tinggi. Foton pada daerah UV memiliki cukup energy untukmengeluarkan electron pada molekul netral, dan mengubah menjadi molekul yang

bermuatan postif. Bahkan foton dengan panjang gelombang yang lebih pendek pada

daerah UV mampu memutuskan ikatan kimia pada suatu molekul. Jika foton ini

mengenai mahkluk hidup maka dapat mengakibatkan gangguan pada sel dan

mengakibatkan kemungkinan gangguan secara genetic dan kanker. Interaksi sinar

UV dengan molekul dapat dilihat pada Gambar 2.5. sekarang kita kembali dalam

pembahasan kenapa ozon dapat digunakan sebagai pelindung bumi terhadap

bahaya sinar ultraviolet.



51

2.6 Lapisan Ozon-Oksigen

Radiasi sinar UV dari sinar matahari yang mememasuki atmosfer bumi akan

dikurangi oleh oksigen dan ozon di stratosfer. Perbedaan panjang gelombang UV dan

energy mempengaruhi seberapa banyak sinar UV yang sampai ke bumi danseberapa besar kerusakan yang diakibatkan. Table 2.4 menujukkan karakteristik

sinar UV dari sinar matahari.

Telah kita pelajari di Bab 1 bahwa kurang lebih 21% atomosfer terdiri dari

oksigen, molekuk diatomic O2. Molekul ini mampu menyerap sinar UV karena memiliki

energy yang sama untuk digunakan memutus ikatan pada molekul O2. Foton yang

sesuai akan mengeksitasikan electron pada ikatan kovalen menuji tingkat energy

yang lebih tinggi yang menyebabkan atom dalam molekul dapat terpisah. Energy

yang sesuai untuk memutuskan ikatan kovalen pada oksigen hanya energy dengan

panjang gelombang 242 nm atau yang lebih kecil. Panjang gelombang ini dapat

ditemukan pada daerah UV-C.

Tabel 2.4 Jenis dan Karakteristik radiasi UV

Radiasi Rentang Panjang

Gelombang

Energy relative Keterangan

UV-A 320-400 nm Energy yang

paling kecil dari

ketiga jenis

radiasi UV

Dampak kerusakan

sedikit ketika

mencapai

permukaan bumi

UV-B 280-320 nm Energy lebihbesar dari UV-A

tapi lebih kecil dari

UV-C

Lebih merusakdibandingkan

dengan UV-A, tapi

lebih kurang

merusak jika

dibandingkan

denga UV-C,

kebanyakan

diabsorb oleh ozon

di stratosfer

UV-C 200-280 nm Memiliki energy

yang paling besardari ketiga jenis

radiasi UV

Paling merusak dari

ketiga jenis radiasisinar UV, tetapi

tidak menjadi

masalah karena

semua UV-C di

absorb oleh

oksigen dan ozon di

stratosfer.



52

Jika hanya O2 yang berperan sebagai penyerap sinar UV di atmosfer, maka

mahkluk hidup di permukaan bumi akan terpapar radiasi sinar UV pada rentang

panjang gelombang 242-320 nm. disinilah peran penting dari O3 dalam menyerap

sinar UV. Molekul O3 lebih mudah dipecah dari pada molekuk O2, karena molekul O2 memiliki satu ikatan rangkap 2, sedangkan molekul O3 memiliki 1 ikatan tunggal dan

2 ikatan rangkap 2. Inilah yang mengakibatkan energi yang digunakan untuk

memecah O3 lebih rendah dari O2 karena O3 memiliki 1 ikatan tunggal, sehingga foton

dengan energi yang lebih rendah dan sesuai dapat memecah ikatan O3. Energi yang

sesuai untuk memecah ikatan O3 adalah energi dengan panjang gelombang 320 nm

atau yang lebih kecil.

Reaksi pemecahan O2 dan O3 merupakan bagian alami dari siklus reaksi yang

terjadi di stratosfer. Setiap hari 3 x 108 ton O3 di stratosfer terbentuk dan terdisosiasi.

Tidak ada materi baru yang terbentuk selama siklus reaksi ini. Proses pembentukan

dan disosiasi O3 pada stratosfer merupakan salah satu contoh dari bentuk ajeg (stady

state), yaitu kondisi dimana system dinamis berjalan seimbang sehingga tiada ada

perubahan konsentrasi dari spesies utama yang terlibat dalam reaksi. Siklus reaksi

pada ozon juga disebut sebagai siklus Chapman, reaksi yang terjadi sebagai berikut:

Gambar 2.6 Siklus Chapman

Waktu tinggal molekul ozon di stratosfer sangat dipengaruhi oleh ketinggian,

mulai dari kisaran hari sampai tahunan. Pada pusat lapisan ozon, yaitu lapisan

dimana menghasilkan konsetrasi maksimum pada ketinggian tertentu di atmosfer,molekul O3 dapat tinggal hingga beberapa bulan seblum terdisosiasi menjadi O2 dan

O.

Pada subbab selanjutnya kita akan mempelajari apa yang terjadi ketika ada

sesuatu yang menggangu stady state dari siklus Chapman, yang berakibat pada

rusaknya lapisan ozon di stratosfer. Apa yang terjadi jika sinar UV yang berbahaya

dapat mengakibatkan dampak yang merusak pada mahkluk hidup di permukaan

bumi.



53

2.7. Efek Radiasi Sinar UV terhadap Biologi

Konsekuensi radiasi UV terhadap tumbuhan dan binatang tergantung pada 2

faktor utama, yaitu energi yang diterima dari radiasi sinar UV dan sensitivitas

organisme terhadap radiasi UV. Kita telah pelajari bahwa foton dengan energi tinggidapat mengakibatkan eksitasi electron dan memecah ikatan kimia dalam molekul

biologi, mengubah susunan kimia di dalam molekul biologi dan mengubah sifatnya.

Untungnya, radiasi sinar matahari dengan panjang gelombang < 320 nm diserap oleh

O3 di stratosfer, karena radiasi pada daerah ini memiliki dampak merusak terhadap

mahkluk hidup. Seperti terlihat pada gambar 2.7 yang menunjukkan pengaruh

sensitivitas biologi terhadap panjang gelombang. Sensitivitas biologi berdasarkan

hasil eksperimen dimana asam deoksikabonukleat (DNA) mengalami kerusakan

pada berbagai macam variasi panjang gelombang. Sensitivitas biologi pada 320 nm

kurang lebih 1 x 10-5, sedangkan pada saat 280 nm memiliki sensitivitas biologi 1 x

100. Hal ini berarti bahwa pada panjang gelombang 280 nm memiliki dampak merusak

lebih besar 100.000 kali dari pada saat panjang gelombang 320 nm. seperti yangsudah kita pelajari, hal ini terjadi karena pada panjang gelombang 280 nm memiliki

energi foton yang lebih besar dari foton dengan panjang gelombang 320 nm.

Gambar 2.7 Variasi Sensitivitas DNA Makhluk Hidup Terhadap Paparan Sinar UV

Bukti-bukti menunjukan bahwa konsentrasi ozon di stratofer menurun signifikan

20-30 tahun terakhir ini. Meskipun penurunan konsentrasi ozon terjadi di tempat yang

berbeda-beda, organisme masa sekarang mengalami intensitas paparan sinar UV

lebih besar jika dibandingkan dengan masa lalu. Ilmuwan telah membuat prediksi

secara matematika tentang persen penurunan konsentrasi ozon di stratosfer akan

mengakibatkan dampak terhadap buruk terhadap organism 2 kalinya. Sebagai

contoh, penurunan konsentrasi ozon di stratosfer sebanyak 6% berarti meningkatkan



54

penyakit kanker sebanyak 12% . kondisi ini lebih banyak terjadi pada orang-orang

berkulit putih dari orang-orang yang berkulit gelap seperti terlihat pada Gambar 2.8.

Gambar 2.8 Peningkatan peyakit kanker kulit melanoma di Amerika Serikat

Penggunaan tabir surya merupakan salah cara untuk mengurangi resiko

terkena penyakit kanker kulit. Produk tertentu mampu menyerap sinar UV-B sampai

batas tertentu dan sinar UV-A. Akademi Dermatologi Amerika menyarankan

penggunaan pelindung tabir surya dengan factor perlindungan Kulit (a Skin Protection

Factor/SPF) 15 sampai 30. Karena adanya kemungkinan kerusakan akibat dari

paparan sinar UV, Badan Iklim Nasional Amerika Serikat mengeluarkan prakiraan

Indeks Ultraviolet yang terjadi di seluruh nasional di media cetak, media elektronik

dan web. Nilai Indeks UV berkisar dari 0 sampai 15 dan berdasarkan pada berapa

lama kulit mengalami kerusakan ditunjukkan pada Tabel 2.5.

Tabel 2.5 Indeks Ultraviolet

Kategori

paparan

Indeks Keterangan

Low < 2 Gunakan kacamata saat cuaca cerah. Pada musim

dingin, pantulan sinar UV oleg salju dapat

meningkatkan kekuatan sinar UV hampir 2 kali lipat.

Jika tepapar sinar UV, gunakan tabir surya dengan

SPF 15+

Moderate 3-5 Hati-hati, jika ingin pergi keluar gunakan tabir surya

dengan SPF 15+. Berteduh dibawah naungan saat

matahari terik.

High 6-7 Perlu perlindungan terhadap sinar matahari. Kurang

aktivitas di luar ruangan yang mengakibatkan

terkena paparan sinar matahari antara pukul 10 –

16. Gunakan topi dan kacamata, dan tabir surya

dengan SPF 15+

Very High 8-10 Perlu lebih hati-hati. Kulit yang tidak dilindungi akan

mengakibatkan kulit terbakar. Kurang aktivitas di



55

luar ruangan yang mengakibatkan terkena paparan

sinar matahari antara pukul 10 – 16. Mencari tempat

berteduh, mengenakan topi dan kacamata, dan tabir

surya 15+

Extreme >11 Perlu lebih hati-hati. Pengunjung pantai seharusnyatahu bahwa pasir putih pantai dan barang yang lain

dengan permukaan cerah akan memantulkasinar

UV dan meningkatkan paparan sinar UV. Kulit yang

tidak dilindungi akan mengakibatkan kulit terbakar.

Kurang aktivitas di luar ruangan yang

mengakibatkan terkena paparan sinar matahari

antara pukul 10 – 16. Mencari tempat berteduh,

mengenakan topi dan kacamata, dan tabir surya 15+

Dampak sinar UV tidak hanya mengakibatkan kerusakan pada kulit, tapi juga

mengakibatkan kerusakan mata yaitu kerusakan retina dan katarak akibat paparansinar UV-B. hasil perhitungan menunjukkan bahwa penurunan lapisan ozon hingga

10% mengakibatkan 2 juta penderita baru mengalami katarak.

Selain manusia yang terkena dampak dari paparan sinar UV, organisme laut

juga terkena dampak dari sinar UV seperti mengambangnya telur ikan, larva ikan,

ikan muda, dan larva udang. Selain itu juga mengakibatkan kerusakan DNA pada

telur ikan. Paparan sinar UV-B juga mempengaruhi pergerakan fitoplanton di air

sehingga proses fotosintesis juga tepengaruh.

2.8 Kerusakan Ozon di Stratosfer: Observasi Global dan penyebabnya

Konsentransi ozon secara alami di stratosfer tidaklah seragam di seluruh

belahan bumi. Namun rata-rata konsentrasi ozon akan meningkat ketika mendekatikutub. Konsentrasi ozon juga bervariasi sesuai musim, konsentrasi maksimum (di

belahan bumi bagian utara) di bulan maret dan minimum di bulan oktober (dan

sebaliknya di bumi belahan selatan). Selain itu radiasi sinar UV dari matahari berubah

setiap 11-12 tahun sekali karena aktivitas bintik matahari. Konsetrasi ozon di

stratosfer juga dipengaruhi oleh angin.

Gambar 2.9 menunjukkan bahwa penurunan drastis konsentrasi ozon di benua

artartika (1979 – 2006). Area dengan konsetrasi ozon kurang dari 220 DU disebut

sebagai luang ozon. Terlihat bahwa di benua antartika sejak tahun 1979 sudah terjadi

lubang ozon dan mencapai puncaknya pada tahun 1994 dengan konsentrasi ozon

hanya 88 DU.

Sumber utama kerusakan ozon di alam merupakan rangkaian reaksi yangmelibatkan uap air dan produk degradasinya. Uap air di stratosfer ketika dikenai foton

menghasilkan radikal bebas hydrogen dan hidrosida. Radikal bebas adalah spesies

kimia yang sangat reaktif dengan satu atau lebih electron yang tidak berpasangan.

Electron yang tidak berpasangan dinotoasikan dengan dot. Senyawa radikal yang

dihasilkan kemudian bereaksi dengan senyawa lain, dalam hal ini O3 dan

menghasilkan O2. Mekanisme ini terjadi pada ketinggian 50 km dari permukaan bumi.



56

Gambar 2.9 Konsentrasi Ozon di Benua Antartica

O3 + H• O2 + •OH

O3 + •OH 2O2 + H•

Nitrogen monoksida (NO) atau biasa dikenal dengan oksida nitrat juga

bertanggung jawab dalam kerusakan ozon di atmosfer. Nitrogen monoksida

merupakan senyawa yang secara alami terbentuk. Dinitrogen oksida di alamdihasilkan oleh mikroorganisme. Reaksi yang terjadi sebagai berikut:

N2O + O 2NO

Selain berasal dari aktivitas mikroorganisme, NO juga bisa dihasilkan dari aktivitas

manusia, reaksi yang terjadi adalah:

2.9 Chlorofluorocarbon (CFC): Sifat, Penggunaan, dan Interaksi dengan Ozon.

Chlorofluorocarbon (CFC) merupakan senyawa yang terdiri dari unsur klorin,

fluorin, dan karbon. Senyawa ini tidak terjadi secara alami tetapi disintesis oleh

manusia. Senyawa CFC yang sering digunakan adalah Freon-11 dan Freon-12,secara umum berturut-turut dikenal dengan CFC-11 dan CFC-12.

CFC disintesis karena sebagai pengganti pendingin yang sebelum sudah di

ada dan bersifat toksik yaitu SO2 dan NH3. CFC disintesis karena sifatnya stabil, tidak

beracun, tidak mudah terbakar, memiliki titik didih yang rendah dan murah. Selain

digunakan sebagai pendingin, CFC banyak digunakan sebagai pelarut untuk chips

computer, pendorong dalam tabung penyemprot aerosol, Stryrofom, pelarut minyak

dan lemak, penyeteril alat-alat bedah.



57

CFC yang dilepaskan ke atmosfer akan bereaksi dengan UV-C di stratosfer

menghasilkan radikal klorin. Reaksi yang terjadi pada CFC-12

Radikal klorin yang terbentuk akibat pemecahan CFC-12 akan bereaksi dengan ozon

menghasilkan oksigen dan klorin monoksida

Klorin monoksida bergabung membentuk ClOOCl

ClOOCl yang terbentuk terdekomposisi menjadi radikal klorin, reaksi yang terjadi

Dari urutan reaksi yang terjadi diatas, terlihat bahwa 2 radikal klorin yang

bereaksi dengan ozon akan dihasilkan kembali setelah reaksi berakhir, sehingga

radikal klorin disebut katalis yaitu zat kimia yang terlibat dalam reaksi kimia dan

mempengaruhi kecepatan reaksi tanpa mengalami perubahan yang tetap. Radikal

klorin yang terbentuk akan menghancurkan kurang lebih 100.000 molekul O3 dan

mempengaruhi kesetimbangan siklus Chapman seperti yang disajikan pada Gambar

2.10 dimana konsentrasi klorin di stratosfer akan mengakibatkan penuruan ozon.

Radikal klorin di stratosfer akan terbawa oleh angin menuju ketinggian yang

lebih rendah dimana banyak senyawa lain yang dapat bereaksi dengan radikal klorin

membentuk senyawa yang aman untuk ozon, misal HCl dan ClONO2.

Sumber klorin di atmosfer disebabkan beberapa aktivitas baik aktivitas manusia

maupun alam. Kenaikan klorin di atmosfer 75-85% akibat dari aktivitas manusia

seperti penggunaan CFCs, bahan roket dari pesat ruang angkasa. Sebanyak 15-20%

berasal dari methyl klorida yang kebanyak akibat pembakaran biomasa dan sumber

alami. Sebanyak 2 % berasal dari letusan gunung berapi meningkatkan jumlah HCl

yang dapat diubah menjadi radikal klorin. Meskipun hanya sedikit gunung berapi yang

memiliki cukup energi untuk melemparkan material hingga ke startosfer.



58

Gambar 2.10 Hubungan Antara Konsentrasi Ozon dan Klorin di Stratosfer

2.10 Lubang Ozon di Antartika

Fenomena menarik dari lubang ozon adalah dimana lubang ozon terjadi didaerah kutub. Hal ini berkaitan dengan fakta bahwa stratosfer yang lebih rendah di

atas kutub selatan adalah titik yang paling dingin di bumi. Selama musim dingin di

antartika (Juni – September), angin kutub yang yang berputar dengan kuat terjadi di

daerah tengah hingga bagian bawah atmosfer. Angin ini mencegah angin yang lebih

hangat masuk daerah dingin. Temperature menjadi di bawah 90⁰C. Pada kondisi ini

uap air membeku dan membentuk awan stratosferik yang tipis yang disebut awan

stratosferik kutub (polar stratosferik clouds/PSCs). Awan ini juga mengandung ion

sulfat dan tetesan atau kristal asam nitrat. Reaksi kimia yang terjadi di permukaan

partikel awan mengubah senyawa yang tidak berbahaya bagi ozon menjadi senyawa

yang lebih reaktif, seperti ClONO2 dan HCl menjadi HOCl dan Cl2. Ketika sinar

matahari muncul pada akhir bulan September atau pertengahan bulan oktober, sinarmatahari memecah HOCl dan Cl2 menjadi atom-atom klorin. Kerusakan ozon yang

dikatalis oleh atom-atom ini berkontribusi terhadap hilangnya ozon.

Pada musim panas, sinar matahari menghangatkan atmosfer, sehingga Kristal-

kristal es tervaporasi yang berarti menghentikan reaksi pada PSCs. Udara dari

lintang yang lebih rendah berhembus menuju ke area kutub, mengisi ozon yang

sudah hilang.

2.11 Tanggapan Masalah Global

Penurunan ozon pertama kali dilaporkan pada tahun 1974 dimana produksi

CFCs saat mencapai hampir satu juta tons. Pada tahun 1978, penggunaan CFCs

untuk bahan penyemprot dilarang di Amerika utara, dan melarang CFCs sebagaiagen pengembang untuk plastic pada 1990. Pada tahun 1985, sejumlah pemerintah

Negara berpartisipasi dalam Konvensi Wina mengenai Perlindungan Lapisan Ozon.

Kesepakatan yang disepakati pada Konvensi Wina adalah masing-maing Negara

sepakat untuk melindung lapisan ozon dan melakukan penelitian untuk memahami

proses di atmofer lebih dalam. Dan puncaknya pada tahun 1987 dengan ditanda

tanganinya Protokol Montreal tentang Senyawa-Senyawa Yang Menurunkan Lapisan

Ozon.



59

Gambar 2.11 Produksi Dunia CFCs Tahun 1950 - 2002

"Ada beberapa hal yang benar-benar tak terbantahkan...: bahwa gas rumah kaca

terus meningkat, bahwa mereka meningkat karena aktivitas manusia, bahwa planet

ini sebenarnya semakin panas, dan bahwa beberapa bagian dari pemanasan ini

disebabkan oleh gas rumah kaca." Gavin Schmidt, Ilmuwan Iklim, Goddard Institute

for Space Studies



60

BAB 3 ASPEK KIMIA PEMANASAN GLOBAL

Pemanasan global adalah istilah populer yang digunakan untukmenggambarkan peningkatan suhu rata-rata global. Bukti ilmiah apakah yang

mendukung fenomena ini? Bagaimana peran kimia dalam memahami pemanasan

global? Efek apa yang terkait dengan peningkatan suhu rata-rata bumi? Bagaimana

pengaruh aktivitas manusia dalam peningkatan pemanasan global? Mengapa

perubahan suhu lebih besar terjadi di Antartika dan Arktik? Untuk menjawab

pertanyaan ini dan pertanyaan lainnya, kita perlu memahami sedikit tentang

bagaimana sistem iklim bumi diatur dan merespon perubahan. Ada banyak faktor

yang harus dipertimbangkan, termasuk radiasi matahari yang masuk dan keluar bumi,

arus angin dan air, peran gas atmosfer, awan, salju dan es, dan kabut atmosfer. Bab

ini akan membantu Anda untuk memahami dan menghubungkan semua pengaruh-

pengaruh ini.Karbon dioksida adalah pemain utama dalam perdebatan tentang pemanasan

global, namun alasannya masih belum begitu jelas. Karbon dioksida, CO2, adalah

komponen penting dari atmosfer, yaitu gas yang dikeluarkan ketika semua hewan

bernapas dan diserap oleh tanaman hijau. Fokus utama untuk memahami

pemanasan global adalah mempelajari bagaimana mekanisme molekul CO2 dan

senyawa lainnya dalam menyerap radiasi inframerah yang dipancarkan oleh planet

ini, yang membantu bumi untuk tetap hangat. Beberapa pengetahuan tentang struktur

dan bentuk molekul diperlukan untuk memahami mekanisme ini. Pemanasan global

memiliki komponen kuantitatif yang signifikan; sehingga kita perlu data-data yang

mendukung untuk membantu menilai tingkat keseriusan situasi ini. Menyadari bahwa

pemanasan global memiliki implikasi internasional, maka kita akan mencermati

secara paralel antara respon melindungi lapisan ozon (Protokol Montreal) dan respon

untuk memperlambat pemanasan global (Kyoto Conference Protokol). Kebijakan-

kebijakan saat ini untuk membatasi emisi CO2 dan gas lainnya yang terlibat dalam

pemanasan global juga akan diperiksa. Pengembangan pemahaman tentang isu-isu

ini akan membawa kita pada sebuah perjalanan ke dalam bidang pengetahuan kimia

dan hubungannya dengan kebijakan publik di seluruh dunia.

3.1 Dalam Rumah Kaca: Keseimbangan Energi Bumi

Benda yang dianggap oleh banyak orang sebagai benda yang paling terang

dan paling indah di langit malam, setelah bulan kita sendiri, adalah Venus (Gambar

3.1). Sungguh ironis, bahwa planet yang dinamai dengan dewi cinta itu, merupakan

tempat yang paling tidak disukai oleh standar duniawi. Pesawat ruang angkasa telah

mengungkapkan, bahwa permukaan Venus memiliki suhu rata-rata sekitar 450°C

(840°F). Bola biru-hijau indah dimana kita tinggal memiliki suhu tahunan rata-rata

15°C (59°F). Atmosfer di sekitar Venus memiliki tekanan 90 kali lebih besar daripada

Bumi, dan atmosfirnya terdiri dari 96% karbon dioksida, dengan awan asam sulfat.

Yang menarik dari penyimpangan kecil secara astronomi ini adalah bahwa

baik Venus dan Bumi ternyata lebih hangat daripada yang kita harapkan jika hanya

didasarkan pada jarak mereka dari Matahari dan jumlah radiasi matahari yang



61

mereka terima. Jika jarak mereka dari matahari merupakan satu-satunya faktor

penentu, maka suhu Venus akan rata-rata sekitar 100°C, yaitu suhu titik didih air.

Bumi, di sisi lain, akan memiliki suhu rata-rata? -18°C (0°F), dan lautan akan

membeku sepanjang tahun.

Gagasan bahwa gas atmosfer bumi, entah bagaimana, mungkin terlibat dalammenjebak sebagian panas matahari pertama kali diusulkan sekitar tahun 1800 oleh

matematikawan dan fisikawan Perancis, Jean - Baptiste Joseph Fourier (1768-1830).

Fourier membandingkan fungsi atmosfer dengan yang ada pada kaca dalam

“rumahpanas” (istilahnya), yaitu apa yang kita sebut saat ini sebagai sebuah rumah

kaca (a greenhouse). Meskipun ia tidak memahami mekanisme atau mengetahui

identitas dari gas yang bertanggung jawab pada efek ini, metaforanya tetap bertahan.

Sekitar 60 tahun kemudian, fisikawan Irlandia John Tyndall (1820-1893) secara

eksperimental menunjukkan bahwa karbon dioksida dan uap air menyerap radiasi

panas. Selain itu, ia juga menghitung efek pemanasan yang akan dihasilkan dari

adanya dua senyawa ini di atmosfer. Pada 1890-an, ilmuwan Swedia Svante

Arrhenius (1859-1927) mempertimbangkan potensi masalah yang dapat disebabkanoleh peningkatan CO2 di atmosfer. Pengamatan pemanasan suhu udara permukaan

antara tahun 1890 dan 1940 membuat beberapa ilmuwan menyarankan bahwa

American Dust Bowl merupakan tanda awal dari efek rumah kaca.

Ahli kelautan Amerika, Roger Revelle (1909-1991) menyarankan pada tahun

1957 bahwa semakin meningkatnya jumlah gas rumah kaca, yaitu gas-gas yang

mampu menyerap dan mengemisikan kembali radiasi inframerah ke atmosfer, bisa

menyebabkan kenaikan suhu. Sejak saat itu, telah terjadi peningkatan yang konstan

dalam jumlah dan kesahihan data yang dikumpulkan mengenai peran CO2 dan gas

lainnya dalam peningkatan pemanasan global. Kita tahu bahwa molekul CO2 dapat

menyerap panas. Kita tahu bahwa konsentrasi CO2 di atmosfer telah meningkat

selama 150 tahun terakhir, dan kita tahu bahwa suhu rata-rata bumi juga meningkat.Melalui bab ini, kita akan menyelidiki bagaimana pengamatan ini saling terkait dan

faktor-faktor lain apa saja yang ikut berperan.

Kita semua mungkin pernah mengalami ketika kita dari bangunan atau tempat

yang teduh kembali ke mobil yang sebelumnya telah terpapar sinar matahari

langsung. Jendela-jendela mobil memungkinkan radiasi cahaya tampak dan sejumlah

kecil sinar ultraviolet dari Matahari masuk ke dalam mobil. Energi matahari dapat

diserap oleh interior mobil, terutama oleh kain dan permukaan yang gelap. Beberapa

dari energi ini akan dipancarkan kembali dengan panjang gelombang () yang lebih

panjang sebagai radiasi inframerah (IR), tapi panjang gelombang ini t idak bisa lepas

kembali melalui jendela. Panas akan menumpuk di dalam mobil sampai, ketika Anda

kembali, sehingga arti dari istilah rumah kaca sangat jelas. Dalam hari yang cerah,suhu di dalam mobil tertutup dengan cepat dapat melebihi 49°C (120°F). Tidak ada

orang atau hewan peliharaan yang mau dibiarkan dalam mobil di bawah kondisi ini.

Apakah proses peningkatan panas dalam mobil Anda berbeda dengan

peningkatan panas dalam rumah kaca Bumi, yaitu atmosfer? Ada banyak persamaan

dan secara keseluruhan, pertukaran energi antara Bumi dan atmosfernya adalah

alami dan menguntungkan, yaitu membantu mempertahankan eksistensi kehidupan

di planet kita. Tanpa lapisan pelindung atmosfer kita, bumi akan menjadi sangat



62

panas jika menerima semua radiasi yang masuk dari Matahari. Namun demikian,

tanpa kemampuan atmosfer bumi untuk merefleksikan kembali panas ke permukaan

Bumi, maka bola indah kita ini bisa menjadi planet es karena panas langsung dibuang

ke ruang angkasa. Suhu rata-rata saat ini planet kita, sekitar 15°C (59°F), adalah

sekitar 33°C lebih hangat daripada apa yang akan diharapkan dari jarak Bumi dariMatahari. Suhu ini juga jauh lebih tinggi daripada -270°C suhu luar angkasa.

Akibatnya, Bumi secara keseluruhan bertindak seperti sebuah radiator global,

memancarkan panas kepada lingkungan dinginnya. Gambar 3.2 adalah representasi

skematik keseimbangan energi Bumi kita.

Beberapa hubungan penting ditunjukkan pada Gambar 3.2. Energi dari

matahari ke bumi diserap oleh atmosfer (23%) dan oleh daratan dan lautan Bumi

(46%), memanaskan atmosfir dan Bumi. Beberapa energi yang masuk (25%) akan

direfleksikan dari molekul, debu, dan partikel aerosol yang membentuk selimut udara,

atau dari permukaan bumi (6%). Proses ini mencapai 100% dari radiasi yang masuk

dari Matahari. Bumi, pada gilirannya, memancarkan kembali sebagian energi yang

diserapnya ke atmosfer (37%), di mana gas rumah kaca seperti H2O dan CO2 yangsangat efisien menyerap radiasi panjang gelombang IR ini. Sebagian dari panas ini

dibalikkan dan kembali ke Bumi, bukannya langsung hilang ke angkasa. Panas

ditransfer oleh tabrakan antara molekul yang berdekatan, dan molekul ini ditemukan

dalam kelimpahan yang lebih besar pada wilayah atmosfer yang lebih rendah.

Sebagian kecil dari radiasi yang diserap daratan dipancarkan langsung ke ruang

angkasa dari permukaan Bumi (9%).

Gambar 3.2 juga mengilustrasikan bahwa dari 46% dari energi matahari yang

diserap oleh bumi, 37% di antaranya akan diserap di atmosfer kembali saat Bumi

memancarkan energi panas pada panjang gelombang IR. Dengan membagi 37

dengan 46 dan mengubah ke persen, maka menjadi mudah untuk dihitung bahwa

sekitar 80% dari radiasi matahari yang masuk ke permukaan Bumi tetap berada diatmosfer dan tidak langsung hilang ke luar angkasa. Hal ini dikenal sebagai efek

rumah kaca, proses dimana molekul-molekul gas atmosfer menangkap dan

mengembalikan sebagian besar dari panas (radiasi inframerah) yang dipancarkan

oleh bumi. Karena hal ini terjadai secara terus-menerus, yaitu pertukaran dinamis

antara Bumi, atmosfer, dan ruang angkasa, sehingga terbentuklah suatu keadaan

yang stabil, yang menghasilkan rata-rata suhu daratan yang kurang lebih konstan.

Jelas, efek rumah kaca sangat penting dalam menjaga planet kita

untuk dapat dihuni. Namun, jika memiliki beberapa gas rumah kaca di atmosfer

adalah hal yang baik, memiliki lebih banyak lagi tidak selalu lebih baik. Istilah

peningkatan efek rumah kaca mengacu pada proses di mana gas-gas atmosfer

menangkap dan mengembalikan dari energi panas dipancarkan oleh bumi lebih dari80%. Peningkatan konsentrasi inframerah yang terabsorpsi sangat mungkin akan

berarti bahwa lebih dari 80% dari energi yang akan dipancarkan kembali ke

permukaan bumi, yang akan membawa kepada peningkatan suhu rata-rata Bumi.

Kembali ke tahun 1898, Arrhenius telah memperkirakan sampai sejauh mana efek ini

berlangsung. Dia menghitung bahwa penggandaan konsentrasi CO2 akan

mengakibatkan peningkatan suhu rata-rata permukaan planet sebesar 5-6°C. Ketika

menuliskannya di Majalah Filosofis London, Edinburgh, dan Dublin untuk

mengumumkan temuannya, Arrhenius secara dramatis menggambarkan fenomena



63

tersebut: “Kita menguapkan tambang batubara kita ke udara”. Pada akhir abad ke-

19, Revolusi Industri sudah berjalan dengan baik di Eropa dan Amerika, dan hal ini

telah “menambah uap air” (dan juga CO2).

Gambar 3.2

Keseimbangan energi bumi dalam persen. Warna kuning merepresentasikan

campuran panjang gelombang. Panjang gelombang lebih pendek dari radiasi

diperlihatkan dengan warna biru, sedangkan panjang gelombang yang lebihpanjang oleh warna merah.

3.2 Mengumpulkan Bukti: Kesaksian Waktu

Planet kita telah ada sejak 4,5 miliar tahun yang lalu, dan iklim dan atmosfirnya

telah berubah secara luas. Bukti dari komposisi gas-gas vulkanik menunjukkan

konsentrasi karbon dioksida di atmosfer awal Bumi itu mungkin 1000 kali lebih besar

dari saat ini. Sebagian besar CO2 yang terlarut dalam lautan menjadi tergabung dalam

batuan seperti batu gamping, yaitu kalsium karbonat, CaCO3. Konsentrasi tinggi

karbon dioksida bertahun-tahun lalu juga mungkin menjadi peristiwa penting dalam

sejarah planet kita--perkembangan hidup kita di Bumi. Meskipun pancaran energimatahari dulu sekitar25-30% lebih sedikit daripada sekarang ini, kemampuan CO2

untuk menjebak panas bumi dan membuat bumi cukup hangat untuk memungkinkan

berkembangnya kehidupan. Pada awal 3 miliar tahun lalu, lautan dipenuhi dengan

tanaman primitif seperti cyanobacteria (bakteri biru-hijau). Seperti keturunan mereka

yang lebih canggih, tanaman sederhana ini juga mampu fotosintesis. Mereka mampu

menggunakan klorofil untuk menangkap sinar matahari dan menggunakan energi ini

untuk menggabungkan gas karbon dioksida dan air, membentuk molekul yang lebih

kompleks seperti glukosa dan melepaskan oksigen (persamaan 3.1).



64

Fotosintesis secara dramatis mengurangi konsentrasi atmosfer CO2 dan

meningkatkan jumlah O2 yang dihasilkan. Para ahli mikrobiologi Lynn Margulis

menyebut ini “krisis polusi terbesar Bumi yang pernah dialaminya”. Kita, dan semua

generasi masa lalu dan masa depan, adalah penerima manfaat ketidaktahuan dari

krisis polusi panjang bertahun-tahun lalu ini. Peningkatan konsentrasi oksigen

membantu memungkinkan evolusi hewan. Tetapi bahkan 100 juta tahun yang lalu,

yaitu di zaman dinosaurus dan jauh sebelum manusia berjalan Bumi, suhu rata-rata

diperkirakan telah 10-15°C lebih hangat daripada sekarang ini, dan konsentrasi CO2

diasumsikan sudah jauh lebih tinggi.

Bagaimana kita tahu suhu rata-rata yang telah diperkirakan sebelumnya?

Pengeboran inti bumi dari dasar laut memberi kita beberapa informasi yang berkaitan

dengan waktu. Jumlah dan sifat dari mikroorganisme ada pada suatu tingkat tertentu

(dari potongan sampel pengeboran) memberikan indikasi suhu ketika mereka hidupwaktu itu. Melengkapi data ini, penyelarasan medan magnet partikel-partikel dalam

sedimen menyediakan ukuran waktu yang independen. Informasi yang relevan

lainnya berasal dari analisis inti es. Mulai tahun 1957, proyek pengeboran Federasi

Rusia di Stasiun Vostok di Antartika menghasilkan lebih dari satu mil inti es yang

diambil dari salju dari 160 ribu tahun yang lalu. Traktat Antartika (The Antarctic

Treaty), yang ditandatangani pada tahun 1959, mencanangkan daerah di luar 60°

lintang selatan untuk tujuan ilmiah yang damai dengan kerjasama internasional.

Ilmuwan Jepang mengumumkan pada tahun 2006 bahwa mereka telah mengebor

lebih dari 3 km ke dalam lapisan es Antartika, menghasilkan sampel inti es beusia

jutaan - tahun. Penelitian yang dilakukan di Antartika membawa kepada kesimpulan

bahwa konsentrasi karbon dioksida dan metana jauh lebih tinggi sekarang daripadapada saat 800.000 tahun yang lalu (Gambar 3.3).

Inti es menyediakan data untuk memperkirakan suhu masa lalu melalui isotop

hidrogen yang ditemukan dalam air beku. Molekul air yang mengandung atom

hidrogen, 1H, yang berlimpah. Atom hidrogen ini lebih ringan dibanding yang

mengandung deuterium, 2H. Molekul H2O yang mengandung hidrogen lebih ringan

menguap sedikit lebih mudah daripada yang lebih berat. Akibatnya, ada lebih banyak1H dan lebih sedikit 2H dalam uap air dari atmosfer, dibandingkan dengan jumlah di

lautan. Namun, molekul H2O yang lebih berat di atmosfer, akan mengembun sedikit

lebih mudah daripada yang lebih ringan. Oleh karena itu, salju yang mengembun dari

uap air di atmosfer akan diperkaya dengan 2H. Tingkat pengayaan tergantung pada

suhu. Rasio2

H terhadap1

H dalam inti es dapat diukur dan digunakan untukmemperkirakan suhu pada saat salju turun.

Kedua data karbon dioksida dan data temperatur diperlihatkan dalam Gambar

3.4. Bagian atas kurva, dengan skala konsentrasi di sebelah kiri, adalah plot bagian

per juta karbon dioksida di atmosfer terhadap waktu selama rentang waktu 160.000

tahun. Semakin rendah plot dan skala kiri menunjukkan bagaimana suhu rata-rata

global telah bervariasi selama periode yang sama. Sebagai contoh, angka

menunjukkan bahwa 20.000 tahun yang lalu, selama zaman es terakhir, suhu rata-



65

rata bumi adalah sekitar 9°C di bawah rata-rata 1950-1980. Namun di sisi lain, suhu

maksimum (lebih dari 16°C) terjadi sekitar 130.000 tahun yang lalu.

Terutama mencolok pada Gambar 3.4 adalah bahwa nilai suhu dan

konsentrasi CO2 mengikuti pola yang sama. Ketika CO2 konsentrasi tinggi, suhu juga

tinggi. Pengukuran lain menunjukkan bahwa periode suhu tinggi juga telah ditandaioleh konsentrasi metana (CH4) yang tinggi di atmosfer. Korelasi tersebut tidak selalu

membuktikan bahwa peningkatan konsentrasi CO2 dan CH4 atmosfer menyebabkan

peningkatan suhu. Agaknya, sebaliknya bisa terjadi. Namun demikian, kedua

senyawa ini diketahui dapat memerangkap panas, dan tanpa ragu, mereka juga bisa

dan berkontribusi pada pemanasan global.

Gambar 3.3

Para ilmuwan menggunakan data dari inti es untuk menentukan perubahan suhu

dan tingkat karbon dioksida dari waktu ke waktu.

Yang pasti, mekanisme lain juga terlibat dalam fluktuasi periodik suhu global.Beberapa mengusulkan bahwa iklim bumi kadang-kadang bisa bersikap “lebih seperti

sebuah saklar daripada dial (lempeng jam)”, dengan perubahan mendadak yang

terjadi selama periode yang relatif singkat. Suhu maximum tampaknya datang pada

interval sekitar 100.000 tahun, dengan diselingi mayor dan minor zaman es. Selama

jutaan tahun lalu, Bumi telah mengalami periode 10 kegiatan utama gletser dan 40

yang kecil. Beberapa variasi ini suhu mungkin disebabkan oleh perubahan kecil

dalam orbit Bumi yang mempengaruhi jarak dari Bumi ke Matahari dan sudut di mana

sinar matahari memasuki planet. Namun, hipotesis ini tidak dapat sepenuhnya

menjelaskan fluktuasi suhu yang diamati. Efek-efek orbital paling mungkin

digabungkan dengan peristiwa terestrial seperti perubahan reflektifitas, awan, debu,

dan konsentrasi CO2 dan CH4. Faktor-faktor ini dapat mengurangi atau meningkatkanperubahan iklim orbit-terinduksi. Mekanisme umpan balik ini lebih rumit dan tidak

dipahami dengan baik. Satu hal yang jelas: Bumi adalah tempat yang jauh berbeda

sekarang daripada pada saat suhu maksimum terakhir kita yaitu 130.000 tahun yang

lalu. Nenek moyang kita telah menemukan api pada saat itu, tetapi mereka tidak

pernah belajar memanfaatkan itu seperti yang kita miliki.

Masa lalu telah memberikan kesaksian, tetapi tren yang lebih baru terhadap

konsentrasi CO2 di atmosfer dan suhu rata-rata global adalah menjadi hal yang

penting untuk menilai status efek rumah kaca. Ada bukti kuat bahwa konsentrasi CO2



66

telah meningkat secara signifikan dalam satu abad terakhir. Data terbaik adalah data

konsentrasi CO2 yang diperoleh di Mauna Loa di Hawaii. Gambar 3.5 menyajikan data

dari inti es Antartika yang diambil dari tahun 1860 hingga tahun 1950, dan kemudian

menambahkan data Loa Mauna untuk menunjukkan kelanjutan tren tersebut.

Rangkaian garis vertikal dari tahun 1960 sampai dengan tahun 2005 menunjukkandata yang bervariasi musiman, namun peningkatan secara umum nilai rata-rata

tahunan dari 315 ppm pada 1960 menjadi sekitar 385 ppm pada tahun 2005 jelas

terlihat. Kemudian dalam bab ini kita akan membahas mengapa para ilmuwan

percaya bahwa banyak dari karbon dioksida ditambahkan ke atmosfir berasal dari

pembakaran bahan bakar fosil. Kami juga akan membahas proyeksi masa depan

perubahan dalam CO2 berdasarkan pemodelan komputer.

Gambar 3.4

Konsentrasi CO2 di atmosfer (merah) dan perubahan suhu rata-rata dari 1950-1980

(biru) selama lebih dari 160.000 tahun (data inti es).



67

Gambar 3.5

Kenaikan tingkat atmosfer karbon dioksida antara 1855 dan 2005.

Sumber: Dari “The Greenhouse Effect and Historical Emissions,” gambar 4. Diambil

dari http://clinton2.nara.gov/Initiatives/climate/greenhouse.html.

Pengukuran lain menunjukkan bahwa selama 120 tahun terakhir ini, suhu

rata-rata bumi telah meningkat antara 0,4 sampai 0,8°C. Gambar 3.6 menunjukkan

perubahan suhu udara di permukaan bumi dari 1855-2005. Beberapa ilmuwan benar

bahwa satu atau dua abad itu masa yang instan dibanding 4,5 - miliar - tahun sejarah

planet kita. Mereka mengingatkan menahan diri dalam membaca terlalu banyak ke

fluktuasi suhu jangka pendek. Sebenarnya, meskipun beberapa daerah seperti di

Alaska dan Eurasia utara telah menghangat hingga 6°C, pendinginan telah terjadi di

Atlantik Utara dan di tengah Pasifik Utara. Perubahan jangka pendek dalam pola

sirkulasi atmosfer diperkirakan menyebabkan beberapa anomali suhu yang diamati.

Gambar 3.6 juga menunjukkan variabilitas suhu dari tahun ke tahun, serta tren jangka panjang. Banyak ilmuwan menyimpulkan bahwa temperatur global naik ke

atas hanya sejak sekitar tahun 1970. Dari Gambar 3.6 kita melihat bahwa suhu rata-

rata bumi adalah sekitar 0,6°C sekarang lebih tinggi daripada tahun 1880. Apakah

kenaikan suhu ini adalah konsekuensi dari peningkatan konsentrasi CO2 tidak dapat

disimpulkan dengan kepastian yang mutlak. Namun demikian, bukti eksperimental

berimplikasi karbon dioksida dari sumber daya manusia yang terkait sebagai

penyebab pemanasan global baru-baru ini.



68

Gambar 3.6

Global permukaan perubahan suhu (1880-2005).

Sumber: http://www.data.giss.nasa.gov

Ketika pengukuran suhu diekstrapolasi ke masa depan, prediksi yang dibuat

oleh Arrhenius dari 5-6°C kenaikan suhu rata-rata permukaan planet mungkin perlu

direvisi. Perkiraan saat ini dari PBB memprediksi bahwa suhu rata-rata akan

meningkat di suatu tempat antara 1,4°C sampai 5,8°C (2.5°F sampai 10,4°F) pada

tahun 2100. Ilmuwan lain, melihat kemungkinan emisi CO2 di masa depan menjadi

dua kali lipat, memperkirakan kenaikan suhu antara 1,0°C dan 3,5°C (1.8°F dan

6,3°F). Perubahan suhu di masa depan dapat dipengaruhi, setidaknya hingga batas

tertentu, oleh manusia yang menghuni planet ini. Kita masih jauh dari efek rumah

kaca yang diluar kontrol seperti di Venus, tetapi kita menghadapi keputusan yang

sulit. Keputusan ini akan lebih baik diinformasikan dengan suatu pemahaman tentang

mekanisme bagaimana berinteraksi gas rumah kaca dengan radiasi untukmenciptakan efek rumah kaca. Untuk itu kita harus kembali mengambil pandangan

materi submikroskopik.

3.3 Molekul: Bagaimana Mereka Dibentuk

Karbon dioksida, air, dan metana adalah gas rumah kaca, nitrogen dan

oksigen tidak. Pertanyaan yang jelas adalah “mengapa?” Jawabannya tidak begitu

jelas harus dilakukan dengan struktur molekul dan bentuk. Ketika Anda mempelajari

struktur Lewis dalam Bab 2, geometri bukanlah pertimbangan utama. Aturan oktet

yang Anda pelajari menyediakan metode umumnya yang dapat diandalkan untuk

memprediksi ikatan dalam molekul, tetapi biasanya bukan memprediksi bentuknya.

Dalam molekul seperti O2 dan N2, bentuknya jelas, sebagai dua atom hanya dapatberada dalam garis lurus.

Bentuk yang berbeda menjadi mungkin dengan molekul lebih dari dua atom.

Untungnya, mengetahui di mana elektron terluar berada dalam molekul memberikan



69

wawasan tentang bentuk molekul. Oleh karena itu, langkah pertama dalam

memprediksi bentuk molekul adalah menulis struktur Lewis untuk molekul. Jika aturan

oktet dipatuhi seluruh molekul, setiap atom (kecuali hidrogen) akan terkait dengan

empat pasang elektron. Beberapa molekul termasuk pasangan elektron – sunyi

nonikatan (nonbonding lone-pair electrons), tetapi semua molekul mengandungbeberapa elektron ikatan atau mereka tidak akan menjadi molekul !

Elektron ikatan dapat dipasangkan untuk membentuk ikatan tunggal. Dalam

molekul lain, elektron ikatan yang terlibat dalam ikatan ganda yang terdiri dari dua

pasang elektron, atau ikatan rangkap tiga terdiri dari tiga pasang. Aturan dasar listrik

adalah bahwa muatan yang tidak sejenis akan saling tarik-menarik sedangkan

muatan yang sejenis akan saling tolak-menolak. Elektron bermuatan negatif tertarik

ke inti bermuatan positif dalam setiap kasus. Namun, semua elektron memiliki muatan

yang sama dan karena itu ditemukan saling menjauh antara satu dengan lainnya

dalam ruang, sementara tetap mempertahankan daya tarik mereka ke inti yang

bermuatan positif. Kelompok elektron bermuatan negatif akan menolak satu sama

lain. Pengaturan yang paling stabil adalah ketika di mana kelompok elektron yangsaling tolak-menolak terpisah sejauh mungkin. Pada gilirannya, ini menentukan

susunan atom dan bentuk molekul.

Kami menggambarkan prosedur bertahap untuk memprediksi struktur molekul

dengan metana, gas rumah kaca.

1. Tentukan jumlah elektron terluar yang terkait dengan setiap atom dalam

molekul. Atom karbon (Group 4A) memiliki empat elektron terluar, masing-

masing dari empat atom hidrogen memberikan kontribusi satu elektron. Hal

ini memberikan 4 + (4 x 1), atau 8 elektron terluar.

2. Susunlah elektron-elektron terluar di pasang untuk memenuhi aturan

oktet. Ini mungkin membutuhkan, ikatan rangkap, atau tiga tunggal. Untuk

molekul metana, menggunakan delapan elektron terluar untuk membentukempat ikatan tunggal (empat pasang elektron) sekitar atom karbon pusat. Ini

adalah struktur Lewis.

Meskipun struktur ini tampaknya menyiratkan bahwa CH4 molekul datar,

ternya tidak demikian. Bahkan, molekul metana tetrahedral, sebagaimana

akan kita lihat pada langkah berikutnya.

3. Asumsikan bahwa bentuk molekul paling stabil memiliki pasangan elektron ikatan terpisah sejauh mungkin. (Catatan: Dalam molekul lain kita perlu

mempertimbangkan elektron nonbonding juga, tapi CH4 tidak punya.)

Keempat pasangan elektron ikatan di sekitar atom karbon dalam CH4 menolak

satu sama lain, dan dalam pengaturan yang paling stabil, mereka saling

menjauh dari satu sama lain sejauh mungkin. Akibatnya, keempat atom

hidrogen juga menjauh satu sama lain sejauh mungkin. Bentuk ini tetrahedral,

karena atom hidrogen sesuai dengan sudut tetrahedron, sosok bersisi empat

dengan empat sisi segitiga sama.



70

Salah satu cara untuk menggambarkan bentuk molekul CH4 adalah dengan

analogi dasar sebuah folding music stand . Keempat obligasi C-to-H sesuai dengan

tiga kaki sejajar dan poros vertikal stand (Gambar 3.7). Sudut antara setiap pasangan

obligasi adalah 109,5°. Bentuk tetrahedral dari molekul CH4 secara eksperimentaltelah dikonfirmasi. Memang, itu adalah salah satu pengaturan atom yang paling

umum di alam, terutama molekul yang mengandung karbon.

Gambar 3.7

Kaki dan poros musik ini berdiri mengikuti susunan obligasi dalam molekul

tetrahedral seperti metana.

Kimiawan nerepresentasikan molekul dalam beberapa cara yang berbeda.

Yang paling sederhana, tentu saja, adalah rumus itu sendiri. Dalam kasus metana,

hanya CH4. Kita tahu bahwa struktur Lewis, tanpa interpretasi lebih lanjut,

memberikan informasi tentang ikatan tetapi hanya informasi dua dimensi untuk

sebagian besar molekul. Representasi lain dalam Gambar 3.8 menunjukkan

beberapa metode yang berlaku umum digunakan oleh ahli kimia untuk

menyampaikan struktur tiga dimensi metana. Sebagai contoh, struktur ketiga bagiandari Gambar 3.8 berisi garis tebal berbentuk baji yang merupakan ikatan yang keluar

dari kertas relatif terhadap pembaca. Garis tebal putus-putus pada rumus struktur

yang sama merupakan ikatan yang menjauh dari pembaca. Dua garis yang lain

terletak pada bidang kertas. Ini merupakan perbaikan atas struktur dua dimensi, tapi

cara yang lebih baik untuk memvisualisasikan molekul adalah dengan program

pemodelan molekul, seperti pada Gambar 3.8, bagian b dan c. Anda akan memiliki

kesempatan untuk melihat hasil dari program pemodelan dalam Pertimbangkan ini

3.12. Melihat dan memanipulasi model fisik, baik di kelas atau laboratorium, juga

dapat membantu Anda memvisualisasikan struktur molekul.

Gambar 3.8

Representasi dari CH4.

(a) struktur Lewis dan rumus struktur, (b) Model ruang-mengisi, (c) Model Charge-

density.



71

Model ruang-mengisi dan model densitas-muatan yang dihasilkan komputer

keduanya memvisualisasikan volume yang ditempati oleh elektron dalam molekul.

Model densitas-muatan menampilkan suatu model bola-dan - tongkat internal untuk

menunjukkan lokasi inti. Warna-warna dalam model densitas-muatan akan

membantu Anda memvisualisasikan bagaimana elektron tersusun dalam molekul.Secara keseluruhan, molekul netral. Dalam molekul, warna merah menunjukkan

daerah densitas elektron yang lebih tinggi. Di ujung lain spektrum, warna biru

mewakili kerapatan elektron rendah. Intensitas warna merefleksikan seberapa besar

elektron yang diambil dari wilayah molekul yang lain.

Tidak semua elektron terluar harus berada dalam ikatan berpasangan. Dalam

beberapa molekul, atom pusat memiliki pasangan elektron nonbonding, juga disebut

pasangan sunyi. Sebagai contoh, Gambar 3.9 menunjukkan molekul amonia dimana

nitrogen melengkapi oktet dengan tiga pasang ikatan dan satu pasang nonbonding.

Sepasang nonbonding secara efektif menempati ruang lebih besar daripada

pasangan elektron ikatan. Akibatnya, pasangan elektron nonbonding menolak

pasangan elektron ikatan agak lebih kuat daripada pasangan elektron ikatan menolaksatu sama lain. Kuatnya tolakan ini membuat pasangan elektron ikatan lebih dekat

satu sama lain, menciptakan sudut H -- N -- H sedikit lebih kecil dari prediksi

109,5°terkait dengan tetrahedron biasa. Nilai sudut secara eksperimental adalah

107,3° di dekat sudut tetrahedral, sekali lagi menunjukkan bahwa model kami cukup

handal.

Bentuk suatu molekul digambarkan dengan cara bagaimana cara pengaturan

atom-atomnya, bukan elektronnya. Atom hidrogen dari NH3 membentuk segitiga

dengan atom nitrogen di atas mereka di puncak piramida. Jadi, amonia dikatakan

piramida segitiga; amonia memiliki bentuk piramida trigonal. Kembali ke analogi kotak

musik lipat (lihat Gambar 3.7), Anda bisa mengharapkan untuk menemukan atom

hidrogen pada ujung setiap kaki dari kotak musik. Ini menempatkan atom nitrogen dipersimpangan kaki dengan poros, dengan pasangan elektron nonbonded

membentuk sekitar batang berdiri.

Figure 3.9

Representasi dari NH3.

(a) struktur Lewis dan rumus struktur, (b) model ruang-mengisi, (c) Model densitas-

muatan.

Molekul air memiliki bentuk lain. Ada delapan elektron terluar: salah satu dari

masing-masing dua atom hidrogen ditambah enam dari oksigen (Group 6A). Struktur

Lewis yang mengungkapkan bagaimana delapan elektron pada atom oksigen sentral

didistribusikan: dua pasang elektron ikatan dan dua pasangan elektron sunyi

(Gambar 3.10, bagian).

Jika empat pasang elektron disusun terpisah sejauh mungkin, kita bisa

memprediksi sudut ikatan H--O--H untuk menjadi sama dengan sudut ikatan H--C--H



72

dalam metana, yaitu, 109,5°. Namun, tidak seperti metana, air memiliki dua elektron

ikatan dan dua pasang elektron nonbonding. Tolakan antara dua pasang elektron

nonbonding dan, pada gilirannya, mereka juga menolak pasangan elektron ikatan dan

menyebabkan sudut ikatan menjadi kurang dari 109,5°. Percobaan menunjukkan nilai

sekitar 104,5°. Sebuah molekul air memiliki bentuk bengkok.

Figure 3.10

Representasi dari H2O.

(a) struktur Lewis dan rumus struktur, (b) model ruang-mengisi, (c) Model densitas-

muatan.

Kita telah melihat struktur beberapa molekul penting untuk memahami

mengenai kimia pemanasan global. Bagaimana struktur dari molekul karbon

dioksida? Ini memiliki 16 elektron terluar: Atom karbon menyumbang empat elektron

dan enam berasal dari masing-masing dua atom oksigen. Jika hanya ikatan tunggal

terlibat, tidak akan ada cukup elektron untuk menyediakan delapan elektron untuk

setiap atom. Itu akan membutuhkan 20 elektron. Namun, dengan 16 elektron aturan

oktet masih bisa dipatuhi jika atom karbon pusat membentuk ikatan rangkap dengan

masing-masing dua atom oksigen, sehingga berbagi empat elektron.

Apa bentuk molekul CO2? Sekali lagi, kelompok elektron menolak satu sama

lain, dan konfigurasi yang paling stabil memberikan pemisahan terjauh dari masing-

masing muatan negatif. Dalam hal ini, kelompok elektron ikatan ganda, dan muatan

negatif ini akan terpisah sejauh mungkin ketika sudut ikatan O -- C -- O adalah 180°.

Model memperkirakan bahwa ketiga atom dalam molekul CO2 akan berada di garis

lurus dan molekul akan linear. Hal ini, pada kenyataannya, seperti yang ditunjukkan

pada Gambar 3.11.

Kita telah menerapkan gagasan tolakan pasangan elektron untuk molekul di

mana terdapat empat kelompok elektron (CH4, NH3, dan H2O) dan dua kelompok

elektron (CO2). Tolakan pasangan elektron juga berlaku cukup baik untuk molekul

yang meliputi tiga, lima, atau enam kelompok pasangan elektron. Dalam kebanyakan

molekul, elektron dan atom masih diatur untuk menjaga pemisahan elektron pada

maksimal. Logika ini memberika bentuk bengkok untuk molekul ozon.

Gambar 3.11

Representasi dari CO2

(a) struktur Lewis dan rumus struktur, (b) Model ruang-terisi, (c) Model densitas-

muatan.



73

Gambar 3.12Representasi dari O3.

(a) struktur Lewis dan rumus struktur untuk satu bentuk resonansi, (b) Model ruang-

terisi, (c) Model densitas-muatan.

Molekul O3 (18 total elektron terluar) mengandung ikatan tunggal dan ikatan

rangkap, dan atom oksigen sentral membawa pasangan elektron bebas nonbonding.

Dengan demikian, ada tiga kelompok elektron pada atom pusat ini: pasangan yang

membentuk ikatan tunggal, dua pasangan yang merupakan ikatan rangkap, dan

pasangan elektron bebas. Ketiga kelompok elektron bermuatan negatif menolak satu

sama lain, dan energi minimum molekul sesuai dengan pemisahan terjauh darikelompok-kelompok elektron ini. Hal ini akan terjadi ketika kelompok elektron semua

pada bidang yang sama dan pada sudut sekitar 120° dari satu sama lain. Kitai

memprediksi, bahwa molekul O3 harus membungkuk, dan sudut yang dibuat oleh tiga

atom harus sekitar 120°. Percobaan menunjukkan sudut ikatan O -- O - - O adalah

117°, hanya sedikit lebih kecil dari prediksi (Gambar 3.12). Pasangan elektron

nonbonding pada atom oksigen sentral menempati volume yang efektif lebih besar

dari ikatan pasangan elektron, menyebabkan kekuatan tolakan besar bertanggung

jawab atas sudut ikatan yang sedikit lebih kecil.

3.4 Vibrating Molekul dan Efek Rumah Kaca

Anda telah pelajari dalam Bab2 bahwa jika foton adalah bagian dari wilayahspektrum UV, ia memiliki energi yang cukup untuk mengganggu susunan elektron

dalam beberapa molekul. Hal ini dapat menyebabkan pemutusan ikatan kovalen,

seperti dalam disosiasi O2 dan O3 oleh radiasi UV-B dan UV-C. Untungnya, hal ini

tidak terjadi dengan foton dalam rentang IR.

Gambar 3.13

Vibrasi molekul CO2.

Setiap spiral merupakan ikatan rangkap C-to-O. Vibrasi a dan b adalah vibrasi ulur,

c dan d adalah vibrasi tekuk.



74

Foton pada kisaran spektrum IR tidak cukup energik untuk memutuskan

ikatan. Namun, foton radiasi IR dapat menambah energi vibrasi dalam molekul.

Tergantung pada struktur molekul, hanya vibrasi tertentu yang mungkin. Energi dari

foton harus sesuai persis dengan energi vibrasi dari molekul agar foton dapat diserap.

Ini berarti bahwa molekul yang berbeda menyerap radiasi IR pada panjanggelombang yang berbeda dan dengan demikian bervibrasi pada energi yang berbeda.

Kami menggambarkan ide-ide ini dengan molekul CO2, mewakili atom

sebagai bola dan ikatan kovalen sebagai pegas. Sebuah molekul CO2 dapat

bervibrasi dalam empat cara digambarkan dalam Gambar 3.13. Tanda panah

menunjukkan arah gerakan dari setiap atom ketika molekul bervibrasi. Atom-atom

dapat bergerak maju dan mundur di sepanjang panah. Vibrasi a dan b disebut vibrasi

peregangan/ulur. Dalam vibrasi, atom karbon pusat stasioner dan atom oksigen

bergerak maju mundur (peregangan) dalam arah yang berlawanan jauh dari atom

pusat. Atau, atom oksigen dapat bergerak dalam arah yang sama dan atom karbon

dalam arah yang berlawanan (vibrasi b). Vibrasi c dan d tampak sangat mirip. Dalam

kedua kasus, molekul menekuk dari bentuk linier normal. Vibrasi tekuk ini dihitungsebagai dua vibrasi karena dapat terjadi pada salah satu dari dua bidang yang

mungkin. Vibrasi c ditunjukkan membungkuk dalam xy, atas dan bawah pada bidang

kertas. Vibrasi d bergerak dalam bidang xz, di depan dan di belakang bidang kertas.

Jika Anda memeriksa suatu pegas, Anda mungkin mengamati bahwa lebih

banyak energi yang dibutuhkan untuk meregangkan daripada menekuknya. Demikian

pula, lebih banyak energi yang dibutuhkan untuk meregangkan molekul CO2 daripada

menekuknya. Ini berarti bahwa foton lebih energik, mereka dengan panjang

gelombang lebih pendek, diperlukan untuk menambah energi untuk peregangan

vibrasi a atau b daripada untuk menambah tenaga vibrasi lentur c atau d. Ketika

molekul menyerap radiasi IR dengan panjang gelombang 15.00 mikrometer (pM),

gerakan lentur (c dan d) berlangsung. Peregangan vibrasi b akan terjadi hanya jikaradiasi panjang gelombang 4,26 m diserap. Bersama-sama, vibrasi b, c, dan d

menjelaskan sifat rumah kaca karbon dioksida.

Vibrasi peregangan tidak dapat dipicu oleh penyerapan langsung radiasi IR.

Dalam molekul CO2, konsentrasi rata-rata elektron lebih besar pada atom oksigen

dari pada atom karbon. Ini berarti bahwa atom oksigen membawa muatan parsial

negatif relatif terhadap atom karbon. Sebagai ikatan peregangan, posisi elektron

berubah, dan karena karenanya distribusi muatan dalam molekul juga berubah.

Karena bentuk CO2 linear dan simetri, perubahan distribusi muatan selama vibrasi

membatalkan satu sama lain dan tidak ada penyerapan inframerah terjadi.

Energi inframerah (panas) yang diserap atau dikirimkan oleh molekul dapat

diukur dengan alat yang disebut spektrometer inframerah. Radiasi panas dari filamenbersinar dilewatkan melalui sampel senyawa yang akan diteliti, dalam hal ini gas CO2.

Sebuah detektor mengukur jumlah radiasi, pada berbagai frekuensi, ditransmisikan

oleh sampel. Transmisi yang tinggi berarti absorbansi rendah, dan sebaliknya.

Informasi ini ditampilkan secara grafis, dimana intensitas relatif dari radiasi yang

ditransmisikan diplot terhadap panjang gelombang. Hasilnya disebut spektrum

inframerah senyawa. Gambar 3.14 menunjukkan spektrum inframerah dari CO2.



75

Gambar 3.14

Spektrum inframerah dari karbon dioksida.

(b), (c), dan (d) mengacu pada vibrasi molekul ditunjukkan pada Gambar 3.13.

Memahami spektrum ini dan spektrum lain seperti ini memerlukan sedikit lebihbanyak penjelasan. Satuan sumbu y adalah persen transmitansi, seperti yang

dijelaskan sebelumnya. Nilai-nilai sumbu x dinyatakan dalam unit yang disebut

bilangan gelombang (wavenumber ), suatu bilangan yang merupakan kebalikan yang

proporsional dari panjang gelombang. Meskipun mungkin tampak logis untuk

menggunakan unit panjang gelombang, kebanyakan spektrum IR dilaporkan

menggunakan satuan bilangan gelombang. Untungnya, hubungan sederhana

berkaitan panjang gelombang, dinyatakan dalam mikrometer, dengan bilangan

gelombang, dinyatakan dalam cm-1 sebagai berikut.

Spektrum inframerah ditunjukkan pada Gambar 3.14 ditentukan di

laboratorium, tetapi fenomena absorpsi yang sama terjadi di atmosfer. Molekul CO2

menyerap panjang gelombang tertentu dari energi inframerah, bervibrasi untuk

sementara waktu, dan kemudian mengemisikan kembali energi sebagai panas dan

kembali ke keadaan tereksitasi normal mereka, atau keadaan “dasar”nya. Dengan

cara inilah CO2 menangkap dan mengembalikan radiasi inframerah dari permukaan

bumi, mencegah planet kita menjadi terlalu dingin. Dengan cara ini pula yang

membuat CO2 menjadi gas rumah kaca.

Setiap molekul yang dapat bervibrasi dengan cara mengabsorpsi foton

tertentu dari radiasi IR dapat berperilaku sebagai gas rumah kaca. Ada banyak

molekul-molekul tersebut. CO2 dan H2O adalah yang paling penting dalam menjaga

suhu bumi. Gambar 3.15 menunjukkan spektrum IR molekul H2O menyerap radiasiIR. Namun, metana, nitrous oxide, ozon, dan klorofluorokarbon (seperti CCl3F) adalah

salah satu zat lain yang membantu mempertahankan panas planet.



76

Gambar 3.15

Spektrum inframerah uap air.

Gas diatomik, seperti N2 dan O2, bukanlah merupakan gas rumah kaca.

Meskipun molekulnya yang terdiri dari dua atom yang identik melakukan bervibrasi,

distribusi muatan listrik secara keseluruhan tidak berubah selama vibrasi tersebut.Oleh karena itu, molekul-molekul ini tidak bisa menjadi gas rumah kaca. Tadi kita

telah membahas kurangnya distribusi muatan listrik secara keseluruhan sebagai

alasan mengapa vibrasi peregangan pada Gambar 3.13 tidak bertanggung jawab

atas perilaku gas rumah kaca CO2.

Sejauh ini, Anda telah menemukan dua cara molekul merespon radiasi. Foton

yang sangat energik dengan frekuensi tinggi dan panjang gelombang pendek (seperti

radiasi UV) dapat memecah ikatan dalam molekul. Foton kurang energik (seperti

radiasi IR) menyebabkan banyak molekul bervibrasi. Kedua proses tersebut

digambarkan dalam Gambar 3.16, tetapi gambar tersebut juga mencakup respon lain

dari molekul terhadap energi radiasi. Panjang gelombang lebih panjang daripada

rentang IR (yaitu gelombang mikro) hanya memiliki energi yang cukup untukmenyebabkan molekul memutar atau berputar, tidak bervibrasi atau terpisah.

.

Gambar 3.16

Respon molekuler untuk jenis radiasi.

Misalnya, oven microwave menghasilkan radiasi yang menyebabkan molekul

air berputar. Radiasi yang dihasilkan dalam perangkat tersebut adalah panjang

gelombang yang relatif lebih panjang, sekitar satu sentimeter. Dengan demikian

energi per foton cukup rendah. Karena molekul H2O menyerap foton dan menjadi

berputar lebih cepat, sehingga dihasilkan gesekan yang akan memasak makanan



77

Anda, menghangatkan sisa makanan, atau memanaskan kopi Anda. Daerah yang

sama dari spektrum yang digunakan untuk radar. Sinar radiasi gelombang mikro

dikirim keluar dari sebuah generator. Ketika sinar mengenai sebuah objek seperti

pesawat terbang, gelombang mikro berbelok dan terdeteksi oleh sensor.

Konsekuensi praktis dari interaksi radiasi dan materi sangat besar. Interaksiini juga menyediakan sarana mempelajari struktur atom dan molekul. Energi

elektronik, energi vibrasi, dan energi rotasi semua terkuantisasi, yang berarti hanya

tingkat energi tertentu yang diizinkan. Tidak peduli pada daerah spektrum mana yang

digunakan, spektroskopi mengungkapkan perbedaan antara tingkat energi.

Menggunakan model matematika yang sesuai, para ilmuwan dapat menerjemahkan

perbedaan energi tersebut menjadi informasi tentang panjang ikatan, kekuatan

ikatan, dan sudut ikatan. Sebagai konsekuensi dari melihat melalui jendela

spektroskopi ke dalam atom dan molekul adalah bahwa ahli kimia dapat

menggambarkan dunia mikroskopis dengan keyakinan besar.

3.5 Karbon Siklus: Kontribusi dari Alam dan ManusiaDalam bukunya The Periodic Table, kimiawan akhir, penulis, dan survivor

kamp konsentrasi Perang Dunia II Primo Levi, menulis fasih tentang CO2.

“Gas ini yang merupakan bahan baku kehidupan, toko permanen dimana

semua yang tumbuh menarik, dan takdir akhir dari semua daging, bukanlah

salah satu komponen utama dari udara melainkan sisa konyol, sebuah

‘pengotor’ yang tiga puluh kali kurang melimpah dibanding argon, yang

bahkan tidak ada pemberitahuan.... [F ] rom pengotor udara yang selalu

diperbarui ini kita datang, hewan-hewan kita dan tanaman kita, dan kita

spesies manusia, dengan empat miliar pendapat sumbang kita, ribuan tahun

sejarah kita, perang dan malu kita, bangsawan dan kebanggaan.”

Dalam esai dimana kutipan ini diambil, Levi menelusuri sebagian singkat

riwayat hidup dari atom karbon dari sepotong batu kapur (kalsium karbonat, CaCO3),

di mana molekul itu terletak “dibekukan dalam suatu keadaan yang kekal”, menjadi

molekul CO2, ke molekul glukosa dalam daun, dan akhirnya ke otak penulis. Namun

itu bukan tujuan akhir. “Kematian atom, tidak seperti kita sendiri”, tulis Levi, “tidak

pernah ditarik kembali”. A atom karbon itu, sudah miliaran tahun, akan terus bertahan

ke masa depan yang tak terbayangkan.

Ini kontinuitas yang luar biasa dari materi, konsekuensi dari konservasinya,

indah digambarkan oleh siklus karbon. Bahkan tanpa dijelaskan dengan hadiah puitis

Primo Levi, ceritanya sudah menarik dan salah satu yang penting untuk difahami

adalah bahaya siklus yang sedang diubah oleh aktivitas manusia. Sudah pasti bahwatanpa berfungsinya siklus karbon, setiap aspek kehidupan di Bumi bisa mengalami

perubahan dramatis. Gambar 3.17 merupakan salah satu representasi dari siklus

penting ini.



78

Gambar 3.17

Siklus karbon global. Angka-angka menunjukkan jumlah karbon, dinyatakan dalam

gigaton (Gt), yang disimpan dalam berbagai reservoir karbon (nomor hitam) atau

bergerak melalui sistem per tahun (angka merah).

Sumber: Dari Purves, Orians, Heller dan Sadava, Life: The Science of Biology, 5th

edition, 1998 halaman 1186. Dicetak ulang dengan izin dari Sinauer Associates,

Inc

Siklus karbon adalah sistem yang dinamis. Semua proses yang terjadi secara

bersamaan diilustrasikan, tetapi pada tingkat yang jauh berbeda. Tanaman mati danmembusuk, melepaskan CO2. Tanaman lain masuk ke rantai makanan di mana

molekul kompleks mereka dipecah menjadi CO2, H2O, dan zat lain yang lebih

sederhana. Hewan menghembuskan CO2, batuan karbonat membusuk, dan karbon

dioksida keluar melalui ventilasi gunung berapi. Dan siklus berjalan terus. Michael B.

McElroy dari Harvard University memperkirakan, “rata-rata atom karbon telah

membuat siklus dari sedimen melalui kompartemen Bumi yang lebih mobile kembali

ke sedimen, sekitar20 kali selama sejarah bumi”. CO2 di udara saat ini mungkin

berasal dari api unggun lebih dari seribu tahun yang lalu.

Sebagai anggota kerajaan hewan, kita Homo sapiens berpartisipasi dalam

siklus karbon bersama dengan sesama makhluk hidup. Tapi kita melakukan lebih dari

bagian kita. Seperti yang terjadi pada binatang apapun, kita menghirup danmenghembuskan napas, menelan dan mengeluarkan, hidup dan mati. Tapi kita juga

telah mengembangkan proses yang memungkinkan kita untuk secara signifikan

mengusik sistem. Revolusi Industri, yang dimulai di Eropa pada akhir abad ke-18,

telah didorong secara besar-besaran oleh batubara. Batubara memberi tenaga mesin

uap di pertambangan, pabrik, lokomotif, kapal, dan kemudian, generator listrik.

Penemuan selanjutnya dan eksploitasi besar-besaran tambang minyak bumi

dimungkinkan pengembangan mobil dan jenis transportasi lainnya. Sampai batas

yang sangat besar, Revolusi Industri adalah sebuah revolusi dalam sumber energi



79

dan transfer energi. Tapi transfer lain berlangsung. Pembakaran bahan bakar fosil

mentransfer karbon dari salah satu cadangan karbon bawah tanah yang terbesar ke

atmosfer. Proses penghapusan secara alami mungkin tidak cukup cepat merespon

peningkatan jumlah CO2, yang menyebabkan akumulasi di atmosfer.

Gambar 3.18 US emisi karbon dioksida berdasarkan sektor, 1990-2005.

Sumber: EIA, US Emisi Karbon Dioksida dari Sumber Energi,2006.

Energy Information Administration (EIA) Amerika diperlukan oleh Undang-

Undang Kebijakan Energi 1992 untuk mempersiapkan laporan yang update setiap

tahun pada emisi gas rumah kaca. Sebelum tahun 2001, sumber emisi CO 2 daripenggunaan bahan bakar fosil yang dipecah menjadi lima kategori: pembangkit listrik,

transportasi, industri, komersial, dan emisi perumahan. Sebagai bagian dari review

terus-menerus informasi dan metodologi, EIA pada tahun2001 menghapus

pembangkit listrik sebagai kategori yang terpisah. EIA menjelaskan perubahan cara

ini. “Energi-terkait dengan emisi CO2 sekarang telah direvisi sebagai bagian dari

penyesuaian lembaga-lebar untuk data konsumsi energi dan alokasi sektoral”.

Secara praktis, ini berarti bahwa semua emisi dari pembangkit listrik dipindahkan

berdasarkan penggunaan akhir energi. Semua data sejak tahun 1990, ditetapkan

sebagai tahun indeks, telah dihitung ulang menggunakan pendekatan baru dan

ditampilkan pada Gambar 3.18.

Satu pengaruh lain manusia pada emisi CO2 adalah deforestasi denganpembakaran, sebuah praktek yang melepaskan 0,6-2,6 Gt karbon ke atmosfer setiap

tahun. Diperkirakan bahwa lahan hutan ukuran dua lapangan sepak bola hilang setiap

hari dari hutan hujan dunia. Meskipun jumlah perusahaan agak sulit dipahami, Brasil

terus sebagai negara dengan kerugian terbesar dari hujan areal hutan. Di Brasil

sendiri, lebih dari 5,4 juta hektar hutan hujan Amazon menghilang setiap tahun.

Pohon, mereka sangat efisien mengabsorp karbon dioksida, yang dikeluarkan dari

siklus melalui deforestasi. Jika kayu dibakar, sejumlah besar CO2 dihasilkan, jika



80

pohon dibiarkan membusuk, prosesnya juga melepaskan karbon dioksida, tapi lebih

lambat. Bahkan jika kayu yang dipanen untuk keperluan konstruksi dan tanah ditanam

kembali tanaman budidaya, hilangnya kapasitas CO2-diserap dapat mendekati 80%.

Deforestasi sistematis bukanlah sebuah fenomena baru, juga tidak terbatas

pada hutan tropis. Praktek pembalakan di seluruh dunia telah mengubahpemandangan alam. Sebenarnya ada lebih banyak pohon di Amerika Serikat

sekarang daripada yang ada di zaman kolonial dan di akhir 1800-an, meskipun sama

tidak dapat dikatakan untuk negara-negara Eropa. Fokus di abad 20 bergeser dari

daerah sangat gundul dari Eropa dan Amerika Utara ke hutan hujan tropis Amerika

Tengah dan Selatan, Afrika, dan Asia.

Jumlah total karbon yang dilepaskan oleh kegiatan manusia deforestasi dan

pembakaran bahan bakar fosil adalah 6,0-8,2 Gt per tahun. Sekitar setengah dari ini

didaur ulang ke dalam lautan dan biosfer, yang berfungsi sebagai bak penyerap

karbon, proses alami yang menghilangkan CO2 dari atmosfer. Proses ini tidak selalu

menghilangkan CO2 dengan kecepatan yang diperlukan oleh meningkatnya

konsentrasi CO2. Sebagian besar CO2 tetap dipancarkan di atmosfer, menambahkanantara 3,1 dan 3,5 Gt karbon per tahun ke dasar yang ada dari 750 Gt dicatat dalam

Gambar 3.17. Kita prihatin terutama dengan kenaikan karbon dioksida ini di atmosfer,

karena kelebihan CO2 berimplikasi pada pemanasan global. Oleh karena itu, akan

berguna untuk mengetahui massa (Gt) CO2 ditambahkan ke atmosfer setiap tahun.

Dengan kata lain, berapakah massa CO2 yang mengandung 3,3 Gt karbon, titik

tengah antara 3,1 Gt dan 3,5 Gt? Untuk menjawab pertanyaan ini akan membutuhkan

wisata pemandangan lain ke tanah kimia, yang Anda juga akan menemukan

kegunaan berikutnya dalam teks ini.

3.6 Konsep Kuantitatif: Massa

Untuk memecahkan masalah yang baru saja diajukan, kita perlu mengetahuibagaimana massa C berhubungan dengan massa CO2. Terlepas dari sumber CO2,

rumus kimianya tetap sama. Persen massa C di CO2 juga tetap dan oleh karena itu

kita harus menghitung persen massa C di CO2, berdasarkan rumus senyawa. Ketika

Anda bekerja melalui ini dan bagian berikutnya, perlu diingat bahwa kita sedang

mencari nilai persentase itu.

Pendekatan ini memerlukan penggunaan massa atom dari unsur yang terlibat.

Tapi ini menimbulkan pertanyaan penting: Berapa berat atom individu? Sebagian

besar massa atom disebabkan oleh neutron dan proton dalam inti. Dengan demikian,

unsur-unsur berbeda dalam massa atom karena atom berbeda dalam komposisi.

Daripada menggunakan massa mutlak atom individu, ahli kimia telah nyaman untuk

menggunakan massa atom relatif—dalam kata lain, untuk menghubungkan semuamassa atom kepada beberapa standar. Telah diterima secara internasional standar

massa atom karbon-12, isotop yang membentuk 98,90% dari seluruh atom karbon. C

- 12 memiliki nomor massa 12 karena setiap atom memiliki sebuah inti yang terdiri

dari 6 proton dan 6 neutron ditambah 6 elektron di luar nukleus. Massa satu atom ini

disepakati diberi nilai tepat 12 unit massa atom (amu). Kita bisa mendefinisikan

massa atom suatu unsur sebagai massa rata-rata atom unsur yang dibandingkan

dengan massa atom tepat 12 amu untuk C - 12. Atom begitu kecil bahwa satuan

massa atom merupakan massa yang sangat kecil: 1 amu = 1.66 x 10 -24 g.



81

Tabel periodik dalam teks menunjukkan bahwa massa atom karbon adalah

12,01, tidak 12,00. Ini bukan kesalahan, melainkan mencerminkan fakta bahwa

karbon ada secara alami sebagai tiga isotop. Meskipun C - 12 mendominasi, 1,10%

karbon adalah C - 13, isotop dengan enam proton dan tujuh neutron. Selain itu,

karbon alami mengandung jejak C - 14, isotop dengan enam proton dan delapanneutron. Perhitungan nilai massa atom 12.01 sering disebut dengan nama berat atom,

suatu rata-rata yang memperhitungkan massa dan persen kelimpahan alami semua

isotop alami karbon. Distribusi isotop ini dan massa atom rata-rata 12.01 ciri karbon

yang diperoleh dari sumber bahan kimia apapun - grafit (“lead”) pensil, satu tangki

bensin, roti, benjolan batu kapur, atau tubuh Anda.

Radioaktif isotop karbon - 14, meskipun hadir hanya dalam jumlah yang

sangat sedikit, memainkan peran kunci dalam menentukan asal dari meningkatnya

karbon dioksida di atmosfer. Dalam semua makhluk hidup, hanya satu dari 1012 atom

karbon adalah atom C - 14. Sebuah tanaman atau hewan terus pertukaran CO2

dengan lingkungan, dan ini mempertahankan konsentrasi C - 14 dalam organisme

pada tingkat yang konstan. Namun, ketika organisme mati, proses biokimia yangpertukaran C berhenti berfungsi dan C - 14 tidak lagi diisi ulang. Ini berarti bahwa

setelah kematian organisme, konsentrasi C - 14 menurun dengan waktu karena

mengalami peluruhan radioaktif untuk membentuk N - 14. Batubara dan minyak

adalah sisa-sisa fosil kehidupan tanaman yang mati jutaan tahun yang lalu. Oleh

karena itu, tingkat C - 14 sangat rendah dalam bahan bakar fosil, dan karbon dioksida

dilepaskan ketika bahan bakar fosil terbakar. Percobaan yang teliti menunjukkan

bahwa konsentrasi C - 14 di atmosfer CO2 baru-baru ini menurun. Hal ini sangat

menunjukkan bahwa asal menambahkan CO2 memang berasal dari pembakaran

bahan bakar fosil, yang jelas kegiatan manusia.

Setelah meninjau arti isotop dan massa atom, kita kembali ke masalah yang

sedang dihadapi - massa atom dan khususnya atom dalam CO2. Tidakmengherankan, adalah mustahil untuk menimbang atom tunggal karena massa yang

sangat kecil. Timbangan laboratorium umumnya dapat mendeteksi massa minimal

0,1 mg, yang sesuai dengan 5 x 1018 atom karbon, atau 5.000.000.000.000.000.000

atom karbon. Sebuah satuan massa atom terlalu kecil untuk diukur di laboratorium

kimia konvensional. Sebaliknya, gram adalah satuan massa pilihan ahli kimia. Oleh

karena itu, para ilmuwan menggunakan tepatnya 12 g karbon - 12 sebagai acuan

untuk massa atom dari semua unsur. Massa atom didefinisikan sebagai massa

(dalam gram) dari sejumlah atom yang sama yang tepat ditemukan dalam 12 g karbon

- 12. Jumlah atom ini, tentu saja, sangat besar. Bilangan penting kimia ini dinamai

dari seorang ilmuwan Italia dengan nama mengesankan Count Lorenzo Romano

Amadeo Avogadro Carlo di Quaregna e di Ceretto (1776-1856). (Teman-temannyamemanggilnya Amadeo.) Bilangan Avogadro adalah jumlah atom dalam tepat 12 g

C - 12. Bilangan Avogadro, jika ditulis, adalah 602.000.000.000.000.000.000.000. Hal

ini lebih kompak ditulis dalam notasi ilmiah 6.02 x 1023. Ini adalah jumlah yang luar

biasa dari atom dalam 12 g karbon, tidak lebih dari sesendok makan jelaga !

Bilangan Avogadro menghitung koleksi besar atom, sangat mirip dengan

istilah selusin untuk menghitung koleksi telur. Tidak masalah jika telur besar atau

kecil, coklat atau putih, “organik” atau tidak. Tidak peduli, karena jika ada 12 telur,

mereka masih dihitung sebagai selusin. Selusin telur burung unta akan memiliki



82

massa yang lebih besar dari selusin telur puyuh. Gambar 3.19 menggambarkan hal

ini dengan setengah lusin bola tenis dan setengah lusin bola golf. Seperti atom unsur

yang berbeda, massa bola tenis dan bola golf berbeda. Jumlah bola adalah sama -

enam di setiap tas, setengah lusin.

Gambar 3.19

Enam bola tenis memiliki massa yang lebih besar dari enam bola golf.

Pengetahuan tentang bilangan Avogadro dan massa atom dari setiap unsur

memungkinkan kita untuk menghitung massa rata-rata atom individu dari unsur.

Dengan demikian, massa 6,02x 1023 atom oksigen adalah 16,00 g, massa atom dari

tabel periodik. Untuk menemukan massa rata-rata hanya satu atom oksigen, kita

harus membagi massa koleksi besar atom dengan ukuran koleksi. Dalam istilah

kimia, ini berarti membagi massa atom dengan bilangan Avogadro. Untungnya,

kalkulator membantu membuat pekerjaan ini cepat dan mudah.

Massa yang sangat kecil ini menegaskan sekali lagi mengapa ahli kimia

umumnya tidak bekerja dengan sejumlah kecil atom. Kita memanipulasi triliunan pada

suatu waktu. Oleh karena itu, praktisi seni ini perlu untuk mengukur masalah dengan

semacam selusin kimiawan -yang sangat besar, memang. Untuk mempelajari tentang

hal ini, baca terus... tetapi hanya setelah berhenti untuk berlatih keterampilan baru

Anda.

3.7 Konsep Kuantitatif: Molekul dan Moles

Kimiawan memiliki cara lain untuk mengkomunikasikan jumlah atom, molekul,

atau partikel kecil lainnya yang ada. Cara ini adalah dengan menggunakan istilah mol

(mol), yang didefinisikan sebagai berisi sejumlah bilangan Avogadro dari objek

tersebut. Istilah ini berasal dari kata Latin “tumpukan” atau “menumpuk”. Jadi, 1 mol

atom karbon terdiri dari 6,02 x 1023 atom C, 1 mol gas oksigen terdiri dari 6,02 x 1023

molekul oksigen, dan 1 mol molekul karbon dioksida sesuai dengan 6,02 x 1023

molekul karbon dioksida.

Seperti yang Anda sudah tahu dari bab-bab sebelumnya, rumus kimia dan

persamaan ditulis dalam bentuk atom dan molekul. Sebagai contoh,

mempertimbangkan persamaan untuk pembakaran lengkap karbon oleh oksigen.



83

Persamaan ini memberitahu kita bahwa satu atom karbon bergabung dengan

satu molekul oksigen untuk menghasilkan satu molekul karbon dioksida dan

mencerminkan rasio di mana partikel-partikel berinteraksi. Dengan demikian, akan

sama-sama benar untuk mengatakan bahwa 10 atom C bereaksi dengan 10 molekul

O2 (20 O atom) untuk membentuk 10 molekul CO2. Atau, menempatkan reaksi pada

skala yang lebih besar dalam hal ini, kita bisa mengatakan 6,02 x 1023 atom C

menggabungkan dengan 6,02 x 1023 O2 molekul (12,04 x 1023 O atom) untuk

menghasilkan 6,02 x 1023 molekul CO2. Pernyataan terakhir adalah setara dengan

mengatakan: “Satu mol karbon ditambah satu mol oksigen menghasilkan satu mol

karbon dioksida”. Intinya adalah bahwa jumlah atom dan molekul yang mengambil

bagian dalam reaksi, sebanding dengan jumlah mol zat yang sama. Rasio dua atom

oksigen untuk satu atom karbon tetap sama terlepas dari berapa jumlah molekul

karbon dioksida yang terbentuk, seperti yang dirangkum dalam Tabel 3.1.

Di laboratorium dan di pabrik, kuantitas materi yang diperlukan untuk reaksi

sering diukur dengan massa. Mol adalah cara praktis untuk menghubungkan jumlahpartikel dengan jumlah massa yang lebih mudah terukur. Massa molar adalah massa

satu bilangan Avogadro, atau satu mol, partikel apa pun yang ditentukan. Misalnya,

massa satu mol atom karbon, dibulatkan ke sepersepuluh terdekat gram, adalah 12,0

g. Satu mol atom oksigen memiliki massa 16,0 g. Tapi kita juga bisa berbicara tentang

mol molekul O2. Karena ada dua atom oksigen dalam setiap molekul oksigen, ada

dua mol atom oksigen dalam setiap mol molekul oksigen, O2. Akibatnya, massa molar

O2 adalah 32,0 g, dua kali massa molar O. Beberapa lihat ini sebagai massa molekul

atau berat molekul O2, menekankan kesamaannya dengan massa atom atau berat

atom.

Logika yang sama untuk massa molar unsur O2 berlaku untuk senyawa, yang

membawa kita, pada akhirnya, dengan komposisi karbon dioksida. Rumus, CO2,mengungkapkan bahwa setiap molekul mengandung satu atom karbon dan dua atom

oksigen. Scaling up oleh 6.02 x 1023, kita dapat mengatakan bahwa setiap mol CO2

terdiri dari 1 mol C dan 2 mol atom O (lihat Tabel 3.1). Tapi ingat bahwa kita tertarik

dalam komposisi massa karbon dioksida - jumlah gram karbon per gram CO2. Hal ini

memerlukan massa molar karbon dioksida, yang kita peroleh dengan menambahkan

massa molar karbon dua kali massa molar oksigen:



84

Prosedur ini secara rutin digunakan dalam perhitungan kimia, di mana massa

molar merupakan suatu sifat penting. Beberapa contoh akan diperlihatkan dalam

aktivitas berikutnya. Dalam setiap kasus, Anda kalikan jumlah mol masing-masing

unsur dengan massa atom yang sesuai dalam gram terlebih dahulu baru kemudian

menambahkan masing-masing hasil perkalian tersebut.

Kami mulai menghitung massa CO2 yang dihasilkan dari pembakaran 3,3 Gt

karbon. Kita sekarang memiliki semua bagian yang diperlukan untuk memecahkan

masalah. Dari setiap 44,0 g CO2, 12,0 g adalah C. rasio massa ini berlaku untuk

semua sampel CO2, dan kita dapat menggunakannya untuk menghitung massa C

dalam setiap massa tertentu CO2. Lebih lanjut, kita dapat menggunakannya untukmenghitung massa CO2 yang dilepas oleh sejumlah massa tertentu karbon. Ini hanya

tergantung pada bagaimana kita mengatur rasio. rasio C terhadap CO2 adalah

2

12,0

44,0

g C

g CO, Tetapi juga benar bahwa rasio CO2 terhadap C adalah 2

44,0

12,0

g CO

g C .

Sebagai contoh, kita bisa menghitung jumlah gram C dalam 100,0 g CO2

dengan membuat hubungan seperti ini.

2

2

12,0100,0 27,3

44,0

g C g CO g C

g CO

Faktanya bahwa ada 27,3 g karbon dalam 100,0 g karbon dioksida yang

ekuivalen dengan mengatakan bahwa persen massa C dalam CO2 adalah 27,3%.

Perhatikan bahwa membawa bersama label “g CO2” dan “g C” membantu Anda

melakukan perhitungan dengan benar. Label label “g CO2” dapat dihilangkan, dan

Anda yang tersisa adalah yang diinginkan, label “g C”. Melacak label dan

menghilangkan mana yang sesuai merupakan strategi yang berguna dalam

memecahkan banyak masalah. Metode ini kadang-kadang disebut “analisis satuan”.

Untuk menemukan massa CO2 yang mengandung 3,3 gigaton (Gt) dari C, kita

menggunakan pendekatan yang sama. Kita bisa mengkonversi 3,3 Gt menjadi gram,

tapi itu tidak perlu. Selama kita menggunakan satuan massa yang sama untuk C dan

CO2, rasio numerik yang sama berlaku. Dibandingkan dengan perhitungan terakhir

kita, masalah ini memiliki satu perbedaan penting dalam bagaimana kita

menggunakan rasio. Kita menyelesaikan untuk massa CO2, bukan massa C.

Perhatikan baik-baik penghilangan label kali ini.

3,3 Gt C 244,0

12,0

Gt CO

Gt C

212 Gt CO

Sekali lagi label dapat dihilangkan dan jawaban yang keluar dengan label

yang diperlukan, Gt CO2.



85

Pertanyaan pembakaran kita, “Berapakah massa CO2 yang ditambahkan ke

atmosfer setiap tahun dari pembakaran bahan bakar fosil?” akhirnya terjawab: 12

gigaton. Tentu saja, agenda kita adalah untuk menunjukkan kekuatan pemecahan

masalah kimia dan memperkenalkan lima ide-ide yang paling penting: massa atom,

massa molekul, bilangan Avogadro, mol, dan massa molar. Beberapa kegiatanselanjutnya memberikan kesempatan untuk berlatih keterampilan Anda dengan

konsep-konsep tersebut.

Jika Anda tahu bagaimana menerapkan ide-ide ini, Anda telah mendapatkan

kemampuan secara kritis untuk mengevaluasi laporan media tentang pelepasa C

atau CO2 (dan zat lain juga) dan menilai keakurasian laporan tersebut. Seseorang

dapat membuat pernyataan berdasarkan keyakinan atau mengecek keakurasian

laporan tersebut dengan menerapkan matematika pada konsep kimia yang relevan.

Tentu saja, tidak cukup waktu untuk mengecek setiap pernyataan, tapi kami berharap

bahwa para pembaca mengembangkan sikap kritis dan bertanya terhadap semua

pernyataan tentang kimia dan masyarakat, termasuk yang ditemukan dalam buku ini.

3.8 Metana dan Gas Rumah Kaca Lainnya

Kekhawatiran tentang peningkatan efek rumah kaca telah menjadi hal yang

utama, tetapi tidak hanya pada peningkatan atmosfer CO2. Jumlah emisi gas rumah

kaca telah meningkat 16% sejak 1990-2005, dan gas yang dominan yang dilepaskan

adalah CO2, terutama dari pembakaran bahan bakar fosil. Namun, gas-gas lainnya

juga berperan. Metana, CH4, ada di atmosfer dalam konsentrasi yang lebih rendah

daripada CO2, tetapi metana setidaknya 20 kali lebih efektif daripada CO2 dalam

kemampuannya untuk menyerap energi inframerah. Metana memiliki waktu hidup

rata-rata atmosfir yang relatif singkat yaitu 12 tahun. Masa hidup atmosfer global

menunjukkan waktu yang dibutuhkan untuk suatu gas yang telah ditambahkan ke

atmosfir untuk dihilangkan. Hal ini juga disebut sebagai “waktu perputaran”. Dalamkasus CH4 yang baru ditambahkan ke udara pada tahun tertentu, gas tersebut akan

hilang dari atmosfer rata-rata 12 tahun kemudian. Untungnya, CH4 cukup mudah

dikonversi ke spesies kimia yang kurang berbahaya dengan cara berinteraksi dengan

•OH radikal bebas troposfer. Bandingkan situasi itu dengan CO2, gas dengan

mekanisme penghilangan yang jauh lebih lambat. Konsentrasi CH4 atmosfer saat ini

relatif rendah, namun konsentrasi saat ini diperkirakan lebih dari dua kali lipat

dibandingkan sebelum Revolusi Industri. Tabel 3.2 memberikan perbandingan

perubahan konsentrasi metana dibandingkan karbon dioksida dan gas rumah kaca

lain, nitrous oxide.



86

* Sebuah nilai tunggal untuk masa hidup atmosfer dari CO2 adalah tidak mungkin.

Mekanisme penghilangan yang berbeda berlangsung pada laju yang berbeda, yang

menyebabkan bervariasinya dalam masa hidup atmosferik CO2.

Metana berasal dari berbagai sumber. Meskipun siklus CH4 tidak dipahami

dengan baik sebagaimana siklus karbon yang telah dibahas sebelumnya, sekitar 40%

dari emisi CH4 dianggap berasal dari sumber alami. Beberapa sumber-sumber alami

telah diperbesar oleh aktivitas manusia. Misalnya, karena CH4 adalah komponen

utama gas alam, beberapa selalu bocor ke atmosfer dari celah batu. Namun

eksploitasi terhadap deposit ini dan proses pemurnian minyak bumi telah

menyebabkan meningkatnya emisi metana ke atmosfir. Secara bersamaan, CH4

selalu dilepas dari pembusukan materi tumbuh-tumbuhan di lahan basah. Nama

awalnya, “gas rawa”, berasal dari pembusukan ini. Dengan demikian, bahan organik

yang membusuk di tempat pembuangan sampah dan dari sisa pembersihan hutanmenghasilkan CH4. Metana yang terbentuk pada TPA New York City di Fresh Kills,

Staten Island terutama digunakan untuk pemanasan perumahan, dan pabrik-pabrik

seperti pabrik BMW di South Carolina secara teratur menggunakan gas TPA untuk

mengurangi pengeluaran energi mereka. Namun, pada sebagian besar tempat

pembuangan sampah yang ada, CH4 hanya dibuang ke atmosfer.

Sumber utama dari CH4 adalah pertanian, khususnya pada pembudidayaan

tanaman padi sawah. Padi ditanam dengan akar di bawah air di mana bakteri

anaerob, yaitu yang dapat berfungsi tanpa menggunakan molekul oksigen,

menghasilkan metana. Sebagian besar ini dilepaskan ke atmosfer. Penambahan CH4

dari pertanian juga berasal dari peningkatan jumlah sapi dan domba. Sistem

pencernaan ruminansia ini (hewan yang memamah biak) mengandung bakteri yangmemecah selulosa. Dalam prosesnya, metana terbentuk dan dirilis melalui sendawa

dan perut kembung - sekitar 500 L CH4 per ekor per hari. Hewan-hewan ruminansia

di Bumi secara mengejutkan melepas 73 juta ton CH4 setiap tahun. Mekanisme kimia

serupa juga terjadi di dalam perut rayap, membuat mereka menjadi sumber utama

CH4. Jumlah rayap yang ada sangat mengejutkan, jika dibagikan kepada semua

orang yang ada dibumi, diperkirakan lebih dari setengah ton untuk setiap pria, wanita,

dan anak di planet ini !



87

Ada kemungkinan bahwa pemanasan global semakin diperburuk dengan

pelepasan CH4 dari lumpur laut, rawa, lahan gambut, dan bahkan permafrost di

lintang utara. Di daerah ini, sejumlah besar metana tampaknya terjebak dalam

“kandang” yang terbuat dari molekul air. Deposit ini disebut sebagai hidrat metana.

Dengan meningkatnya suhu, lepasnya CH4 menjadi lebih mungkin. Australia’sCommonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) telah

mengambil serangkaian inti pengeboran laut untuk mengumpulkan bukti tentang

hidrat metana dan perannya dalam pemanasan global. Mereka menemukan

hubungan periode-periode sejarah pemanasan global dengan pelepasan metana

(Gambar 3.20).

Rincian kompleks generasi dan nasib metana di atmosfer membuat sulit untuk

membehas dengan pasti tentang efek metana di masa depan pada suhu rata-rata

bumi. Ada penurunan 10% dalam emisi CH4 di Amerika Serikat antara tahun 1990

dan 2005, meskipun konsentrasi atmosfer, yang biasanya tertinggal di belakang

perubahan emisi, belum menunjukkan penurunan yang sama. Secara global, efek

metana terhadap perubahan suhu menjadi kurang jelas dibandingkan perubahansuhu yang disebabkan oleh CO2, penambahannya mungkin hanya beberapa

persepuluh derajat dari suhu rata-rata bumi dalam 100 tahun ke depan. Hal ini kontras

dengan pengaruh besar diprediksi untuk CO2, kenaikan suhu minimal 1,0-3,5°C pada

akhir abad ini.

Gambar 3.20

The Ocean Drilling Program dari CSIRO diperoleh sampel beku metana hidrat ini

dari dasar permukaan di lepas pantai Florida.

Gas lain yang dipelajari karena kontribusinya kepada pemanasan global

adalah nitrogen oksida, yang juga dikenal sebagai, “gas tertawa”. Senyawa ini telah

digunakan sebagai anestesi hirup pada perlakuan medis dan kesehatan gigi. Sumber

dan menghilangnya senyawa ini tidak diketahui dengan baik sebagaimana untuk gas

rumah kaca lainnya. Mayoritas molekul N2O di atmosfer berasal dari pelepasan ion

nitrat (NO3-) dari tanah oleh bakteri, diikuti oleh proses penghilangan oksigen. Praktek

pertanian, sekali lagi terkait dengan tekanan populasi, dapat mempercepat pelepasan



88

senyawa reaktif nitrogen ini dari tanah. Sumber-sumber lain termasuk gas dari

upwelling laut, dan interaksi stratosferik senyawa nitrogen dengan atom oksigen -

energi tinggi. Sumber antropogenik utama, atau yang disebabkan manusia, senyawa

N2O adalah konverter katalitik mobil, pupuk amonia, pembakaran biomassa, dan

proses industri tertentu (produksi nilon dan asam nitrat). Dalam atmosfer, molekulN2O khas terus ada selama sekitar 114 tahun, menyerap dan memancarkan radiasi

inframerah. Selama dekade terakhir, konsentrasi atmosfer global N2O telah

menunjukkan peningkatan yang lambat tapi stabil. Ada sedikit penurunan emisi di AS

dari 1990 sampai 2005.

Ozon itu sendiri juga dapat bertindak seperti gas rumah kaca, tetapi

efisiensinya sangat tergantung pada ketinggian. Senyawa ini tampaknya memiliki

efek pemanasan maksimum di troposfer atas, sekitar 10 km di atas Bumi. Penipisan

ozon memiliki efek pendinginan sedikit di stratosfer dan juga dapat meningkatkan

sedikit pendinginan di permukaan Bumi. Meskipun ozon adalah bagian dari cerita

pemanasan global, penipisan lapisan ozon di stratosfer jelas bukan penyebab utama

perubahan iklim. Namun, penipisan ozon stratosfir dan perubahan iklim terkaitdengan cara penting yang lain, melalui zat perusak ozon. CFC, HCFC, dan Halons,

semua yang terlibat dalam perusakan ozon stratosfir, juga menyerap radiasi

inframerah dan gas rumah kaca. Emisi gas-gas sintetik telah meningkat sebesar 58%

dari tahun 1990-2005, meskipun konsentrasi mereka masih sangat rendah.

Selain bervariasi dalam masa hidup atmosfer antara gas rumah kaca, mereka

juga berbeda dalam efektivitas mereka dalam menyerap radiasi inframerah. Hal ini

diukur dengan potensi pemanasan global (GWP), suatu angka yang merupakan

kontribusi relatif dari molekul gas atmosfer pada pemanasan global . Angka ini

diberikan hanya untuk gas rumah kaca dengan masa hidup yang relatif panjang.

Karbon dioksida diberikan nilai referensi 1; semua gas rumah kaca lainnya yang

diindeks berdasarkan referensi ini. Gas dengan masa hidup yang relatif singkat,seperti uap air, ozon troposfer, aerosol troposfer, dan polutan udara ambien lainnya,

tidak merata di seluruh dunia. Sulit untuk mengukur efeknya, dan karenanya nilai-nilai

GWP biasanya tidak diberikan untuk gas-gas ini. Nilai-nilai potensi pemanasan global

untuk tiga gas rumah kaca paling umum dan konsentrasi rata-rata mereka di troposfer

diberikan dalam Tabel 3.3.

* Nilai GWP diberikan untuk estimasi dampak langsung dan tidak langsung selama

periode 100 tahun dan relatif terhadap nilai 1 yang diberikan untuk CO2.



89

Gas-gas efek rumah kaca antropogenik lainnya yang diberi nilai GWP

termasuk beberapa hidrofluorokarbon (HFC), dua perfluorokarbon (CF4 dan C2F6),

dan sulfur heksafluorida (SF6). Perfluorokarbon (PFC) diemisikan sebagai produk

sampingan dari peleburan aluminium dan digunakan dalam pembuatan

semikonduktor. Kedua CF4 dan C2F6 memiliki masa hidup yang lama dan memilikinilai-nilai GWP yang tinggi. Namun, konsentrasi mereka di atmosfer sangat rendah

saat ini, tapi terus naik. Sulfur hexafluoride (SF6), digunakan untuk isolasi listrik di

transformer dan gas penutup untuk operasi peleburan, memiliki masa hidup

troposferik 3200 tahun. Hal ini lebih dari 22.000 kali lebih kuat sebagai gas rumah

kaca dibanding CO2, namun konsentrasinya di atmosfer sangatlah rendah, diukur

dalam bagian per triliun.

3.9 Mengumpulkan Bukti: Memproyeksikan ke Masa Depan

Memahami bukti dari masa lalu adalah penting. Jadi membuat rasa tren

terbaru. Tantangan sesungguhnya, bagaimanapun, terletak dalam memahami

kompleksitas dengan cukup baik untuk memprediksi perubahan iklim. Dalam semuamodel komputer, diasumsikan bahwa meningkatnya konsentrasi gas rumah kaca

akan meningkatkan suhu global rata-rata (Gambar 3.21). Meningkatnya suhu, pada

gilirannya, dapat menghasilkan perubahan pola cuaca, penggunaan lahan,

kesehatan manusia, dan perubahan dalam ekosistem bumi. Untuk model iklim global

yang akurat, seseorang harus memasukkan sejumlah faktor-faktor yang sering tidak

sepenuhnya dipahami secara astronomi, meteorologi, geologi, dan biologi. Bahkan

program komputer yang paling canggih sekalipun hanya dapat berhasil jika faktor-

faktor penting telah diidentifikasi dan dipertimbangkan. Situasi ini sangat rumit karena

banyak variabel-variabel tersebut saling terkait dan tidak dapat dipelajari secara

mandiri. Dr Michael Schlesinger, yang memimpin penelitian iklim di University of

Illinois, mengatakan: “Jika Anda akan memilih planet untuk model ini, maka planet inimerupakan planet terakhir yang akan Anda pilih”. Meskipun dengan kesulitan-

kesulitan ini, pengambilan kebijakan haruslah didasarkan padakemungkinan model

terbaik. Kegunaan dan keterbatasan semua model harus dipahami dengan jelas dan

tingkat ketidakpastian di dalamnya juga diukur. Ini adalah tugas yang berat, untuk

memastikan, tapi yang penting untuk membuat penilaian yang informatif dari

perubahan iklim.

Penting dalam setiap model untuk perubahan iklim adalah peran lautan, di

mana lebih dari 97% air di bumi ditemukan. Sebagian dari panas yang dipancarkan

oleh gas rumah kaca dapat masuk ke lautan, yang bertindak sebagai buffer termal.

Meskipun lautan sangat penting dalam moderasi suhu planet ini, kapasitas mereka

untuk melakukannya terbatas. Kita tahu bahwa peningkatan suhu lautan akanmenurunkan kelarutan CO2, sehingga melepaskan gas-gas tersebut lebih banyak ke

atmosfir. Anda mungkin telah menyaksikan efek yang sama ketika segelas air soda

dingin atau soda menghangat sampai suhu kamar, menjadi “datar” karena gas yang

terlarut di dalamnya dilepaskan. Peningkatan suhu lautan dapat meningkatkan

pertumbuhan tanaman kecil fotosintesis yang disebut fitoplankton, dan karenanya

meningkatkan penyerapan CO2. Tapi hasilnya bisa saja sebaliknya. Air pada laut

yang lebih hangat tidak akan bersirkulasi sebaik sebagaimana sirkulasi saat ini, yang

dapat menghambat pertumbuhan plankton dan penangkapan CO2. Proses di laut



90

bervariasi menurut kedalaman, dengan laut dalam menjadi salah satu reservoir

karbon global yang terbesar. Waktu pergantian untuk karbon di laut dalam adalah di

kisaran 2000-5000 tahun, tetapi 0,1-1 tahun untuk biomassa laut. Laju faktor-faktor

ini dan faktor lain harus masuk ke dalam model komputer.

Gambar 3.21

Mempelajari simulasi komputer perubahan iklim di masa depan.

Asap dan kabut dari semua sumber dapat mengaburkan pandangan kita

tentang pemanasan global. Satu kelompok peneliti, yang dipimpin oleh Benjamin

Santer dari Lawrence Livermore National Laboratory, telah menemukan bahwa

prediksi akan semakin mendekati dengan hasil pengamatan jika model yang dibuat

termasuk efek pendinginan aerosol atmosfer. Aerosol adalah kelompok bahan

kompleks yang mencakup debu, garam laut, asap, karbon, dan senyawa yang

mengandung nitrogen dan sulfur. Salah satu aerosol yang paling umum terdiri daripartikel kecil dari amonium sulfat, (NH4)2SO4. Senyawa ini dapat terbentuk ketika

sulfur dioksida (SO2) bereaksi dengan amonia (NH3). Kedua senyawa bisa dilepaskan

oleh alam maupun oleh sumber-yang dipengaruhi manusia. Limbah pembakaran

tanaman, pohon hutan hujan, bahan bakar kelas rendah seperti arang, dan bahan

bakar fosil semua menghasilkan aerosol yang mampu menghalangi sinar matahari.

Banyak partikel dalam aerosol berdiameter lebih kecil dari sekitar 4 m dan

efisien pada hamburan radiasi matahari yang masuk dengan panjang gelombang

yang berdekatan dengan ukuran mereka. Radiasi termal yang berasal dari Bumi

memiliki panjang gelombang di bagian inframerah dari spektrum, mulai 4-20 m.

Partikel-partikel aerosol yang lebih kecil tidak efektif dalam hamburan panjang

gelombang ini, yang memungkinkan gas rumah kaca untuk terus menyerap radiasiterestrial tetapi pada tingkatan yang telah terkurangi karena radiasi matahari yang

mencapai permukaan menjadi dipancarkan kembali ke angkasa. Selain itu, partikel

aerosol berfungsi sebagai inti kondensasi untuk tetesan air dan pusat pembentukan

awan. Dengan demikian, aerosol melawan efek pemanasan gas rumah kaca.

Pada bulan Desember 2005, jurnal Nature melaporkan hasil dari penelitian

tim ilmiah internasional tentang konsekuensi konsentrasi aerosol untuk pemanasan

global. Mereka menegaskan penelitian sebelumnya bahwa aerosol telah membantu



91

secara dramatis untuk melawan efek pemanasan global. Kenaikan suhu yang diamati

dari 0,7 °C selama abad terakhir mungkin telah lebih dari 2°C jika tanpa konsentrasi

aerosol yang terus meningkat. Sudahkah kita meminimalisir pemanasan global

dengan meningkatnya jumlah emisis asap dan jelaga di atmosfer? Kami harus banyak

belajar, seperti memahami peran tetesan air sendiri dalam kabut yang mengandungaerosol. Dalam setiap kasus, perlindungan yang diberikan oleh aerosol antropogenik

mungkin hanya bersifat sementara, mengingat bahwa efek kesehatan dari berbagai

aerosol di troposfer akan tugas penurunan emisi.

Meskipun pengaruh aerosol tentang perubahan iklim telah banyak diteliti,

aerosol jauh dari satu-satunya faktor. Perubahan dalam penggunaan lahan adalah

penggerak utama lain dari perubahan iklim. Pengaruh deforestasi atau perubahan

tanaman pada konsentrasi CO2 dan CH4 atmosfer telah diakui, tetapi efek lain sedang

diteliti. Salah satu yang paling penting adalah efek pada Albedo, rasio radiasi

elektromagnetik yang direfleksikan relatif terhadap jumlah insiden radiasi di

permukaan. Jadi albedo adalah ukuran reflektifitas permukaan. Perubahan Albedo

dapat mengubah suhu daerah, curah hujan, vegetasi, dan variabel iklim lainnya. Jikamenghangatkan daerah yang tertutup salju dan salju mencair, albedo menurun, lebih

banyak sinar matahari diserap, dan suhu cenderung meningkat lebih lanjut. Efek ini

membantu menjelaskan peningkatan yang lebih besar dalam suhu rata-rata diamati

di Kutub Utara, misalnya, di mana jumlah es laut menurun. Demikian pula, jika suatu

kemunduran gletser meninggalkan batuan gelap yang terbuka, albedo berkurang dan

suhu permukaan meningkat.

Pengaruh suhu-albedo sebenarnya jauh lebih kuat di daerah tropis, meskipun

hampir tidak ada salju. Sinar matahari lebih konsisten di daerah tropis, dan perubahan

penggunaan lahan menghasilkan perubahan besar dalam albedo. Jika hamparan

pepohonan hijau tua hutan hujan tropis dihilangkan dan mengekspos tanah gelap,

maka albedo akan berkurang. Penelitian telah menunjukkan peningkatan suhu rata-rata di hutan hujan Brasil setelah diubah menjadi lahan pertanian sekitar 3°C (5°F)

sepanjang tahun, suatu perubahan yang signifikan.

Sebuah ketidakpastian yang signifikan dalam proyeksi tentang pemanasan

global adalah apakah laju pertumbuhan penduduk akan stabil selama 100 tahun ke

depan. Selama abad ke-20, populasi dunia meningkat dari 2 miliar orang menjadi

sekitar 6 miliar. Pada Januari 2006, sekitar 6,5 miliar orang telah menghuni dunia kita.

Karena meningkatnya jumlah orang yang juga membawa kepada peningkatan

penggunaan energi dan emisi gas rumah kaca yang lebih besar melalui pembakaran

bahan bakar fosil, skenario pemanasan global menggabungkan asumsi yang berbeda

tentang tingkat pertumbuhan penduduk dan pertumbuhan ekonomi. Proyeksi low-end

mengasumsikan populasi dunia pada tahun 2100 sebesar 6,4 miliar dan tingkatpertumbuhan ekonomi tahunan sebesar 1,2%. Skenario midrange didasarkan pada

11,3 miliar orang dengan tingkat pertumbuhan ekonomi tahunan 2,3%, hampir dua

kali lipat dari proyeksi low-end . Dalam proyeksi high-end , tahun 2100 populasi 11,3

miliar seperti perhitungan midrange, namun pertumbuhan ekonomi tahunan akan

terjadi pada 3,0%.

Para ilmuwan telah mengembangkan program komputer iklim Model bumi

yang semakin rinci. Dengan generasi baru dari komputer paralel, banyak peneliti yang

bekerja untuk meningkatkan model iklim dan menyelesaikan beberapa data yang



92

bertentangan dengan pengamatan. Mempelajari iklim merupakan hal sulit, bukan

hanya karena sistem itu sendiri sangat kompleks, tapi juga karena tidak ada

kemungkinan yang eksis untuk suatu percobaan yang terkontrol. Akan tetap ada

ketidakpastian dan ruang untuk perbedaan pendapat ilmiah, serta perbedaan dalam

penafsiran politik. Simulasi variasi suhu bumi dan membandingkan hasilnya denganperubahan yang teramati dapat memberikan wawasan tentang penyebab perubahan

besar. Ilmuwan cuaca menamakan kedua penyebab alami dan antropogenik dengan

istilah forcings, faktor yang mempengaruhi rata-rata global suhu permukaan tahunan

(Gambar 3.22).

Ratusan ilmuwan dari seluruh dunia berpartisipasi dalam menyusun laporan

IPCC 2001. Mereka menggunakan kata-kata untuk membantu para pembuat

kebijakan dan masyarakat luas lebih memahami ketidakpastian yang melekat dan

keandalan data. Tabel 3.4 memberikan istilah-istilah dan definisi para ilmuwan yang

terus digunakan dalam semua pembaruan setelah laporan ini.

Laporan IPCC tahun 2001 datang untuk kesimpulan yang memanfaatkan

istilah-istilah ini. Sebagai contoh, adalah sangat tidak mungkin bahwa semuapemanasan global yang diamati adalah karena variabilitas iklim alami. Sebaliknya,

bukti ilmiah sangat mendukung posisi bahwa aktivitas manusia merupakan faktor

signifikan yang menyebabkan peningkatan suhu global rata-rata yang diamati selama

abad terakhir. Laporan IPCC 2007 menyatakan bahwa bukti ilmiah pemanasan global

adalah tegas dan bahwa aktivitas manusia adalah pendorong utama. Beberapa

kesimpulan IPCC, bersama-sama dengan probabilitas mereka ditugaskan,

ditunjukkan pada Tabel 3.5.

Organisasi Meteorologi Dunia melaporkan bahwa 2004, 2005, dan 2006

adalah antara tahun terpanas dalam catatan, 1998 tetap terpanas. Sembilan dari 10

tahun terpanas dalam catatan terjadi di dekade 1995 hingga 2005. Enam tahun

terakhir termasuk di antara tujuh tahun rekor terpanas sejak data yang dapatdipercaya mulai dijaga pada tahun 1861. “Temperatur adalah pemanasan, dan

mereka telah panas selama abad yang lalu”, kata Jay Lawrimore, kepala cabang iklim

pemantauan di Pusat Data Iklim Nasional. “Ada cukup banyak konsensus bahwa

akan ada lanjutan pemanasan selama abad-abad berikutnya.”

Apa efek antisipasi pemanasan juga diproyeksi? Model terbaru memprediksi bahwa

puncak 11 ft permukaan lapisan es di Arktik bisa hilang pada tahun 2100. Perubahan

es laut, salju, dan gletser semua bisa berkontribusi untuk perubahan permukaan laut.

Permukaan laut global diproyeksikan akan meningkat sebesar 9-88 cm (3,5-34,6 inci)

antara 1990 dan 2100. Prediksi kenaikan permukaan laut yang disebabkan oleh

ekspansi termal air hangat serta dengan peleburan presipitasi beku. Naiknya

permukaan air laut sebesar ini akan membahayakan New York, New Orleans, Miami,London, Venice, Bangkok, Taipei, dan kota-kota pesisir lainnya. Jutaan orang

mungkin harus pindah, jutaan lagi yang bisa tenggelam. Dr Richard Williams dari AS

Geological Survey menyatakan: “Jika lapisan es di Greenland mencair, itu saja bisa

menaikkan permukaan laut sebesar 20 kaki”. Hal ini jauh dari pasti bahwa kenaikan

besar dalam permukaan laut akan terjadi. Bahkan jika hal itu terjadi, kenaikan ini akan

berlangsung selama bertahun-tahun, dan memberikan waktu yang cukup untuk

persiapan dan perlindungan.



93

Gambar 3.22

Simulasi tahunan suhu permukaan rata-rata global di Bumi.

Sumber: Panel Antarpemerintah tentang Perubahan Iklim (IPCC) Report,2001.

Sumber: Ringkasan untuk pembuat kebijakan, Laporan Kelompok Kerja 1 dari Panel

Antar pemerintah tentang Perubahan Iklim, Shanghai: IPCC 1 Januari 2001.

Beberapa ilmuan iklim juga merasa bahwa peningkatan suhu laut rata-rata

bisa menyebabkan lebih banyak cuaca ekstrem, termasuk badai, banjir, dan

kekeringan. Di belahan bumi utara, musim panas diperkirakan akan menjadi lebih

kering dan musim hujan menjadi lebih basah. Daerah-daerah produktivitas pertanian

terbesar bisa berubah. Kekeringan dan suhu tinggi dapat mengurangi hasil panen di

Midwest Amerika, namun mungkin dapat melebar lebih jauh ke Kanada. Perubahan



94

cuaca ekstrem juga mungkin mengakibatkan beberapa tempat yang sekarang gurun

bisa mendapatkan curah hujan yang memadai untuk menjadi subur. Hilangnya satu

wilayah mungkin akan menjadi keuntungan pada wilayah lain, tetapi terlalu dini untuk

mengatakannya.

Tabel 3.5 Kesimpulan IPCC

sangat Mungkin

• Emisi-yang disebabkan manusia adalah faktor utama dalam menyebabkan

pemanasan sejak tahun 1950.

• suhu maksimum yang lebih tinggi diamati selama hampir semua bidang tanah.

• Penutupam salju turun sekitar 10% sejak tahun 1960 (data satelit), dalam abad

ke-20 ada penurunan sekitar dua minggu di danau dan sungai es penutup di

lintang menengah dan tinggi belahan bumi utara (pengamatan didasarkan

independen).

• Peningkatan curah hujan telah diamati di sebagian besar benua belahan bumi

utara.mungkin

• Suhu di belahan bumi utara selama abad 20 telah menjadi tertinggi dari abad

manapun selama 1000 tahun terakhir.

• Ketebalan es laut Arktik menurun sekitar 40% pada akhir musim panas ke awal

musim gugur dalam beberapa dekade terakhir.

• Peningkatan curah hujan, mirip dengan yang di belahan bumi utara, telah

diamati di lahan tropis antara 108 N dan 108 S.

• Peningkatan kekeringan musim panas.

sangat Tidak mungkin

• Pemanasan diamati selama 100 tahun terakhir adalah karena variabilitas iklim

sendiri, memberikan bukti baru dan lebih kuat bahwa perubahan harusdilakukan untuk membendung pengaruh aktivitas manusia.

Pemanasan global sudah menunjukkan efek pada tanaman, serangga, dan

spesies hewan di seluruh dunia. Spesies yang beragam seperti bintang laut

California, tumbuhan Alpine, semut, dan kupu-kupu checkerspot semuanya

menunjukkan perubahan baik rentang mereka atau kebiasaan mereka. Dr Richard P.

Alley, seorang ahli Universitas Negeri Pennsylvania pada pergeseran iklim masa lalu,

melihat arti khusus dalam kenyataan bahwa hewan dan tumbuhan yang saling

mengandalkan tidak akan selalu mengubah rentang atau kebiasaan pada tingkat

yang sama. Mengacu pada spesies yang terkena, ia berkata,”Anda harus mengubah

apa yang Anda makan, atau bergantung pada hal-hal yang lebih sedikit untuk makan,atau melakukan perjalanan jauh untuk makan, yang semuanya memiliki biaya”.

Hasilnya pada dekade yang akan datang bisa menjadi gangguan ekologi yang

substansial, kerugian lokal satwa liar, dan kemungkinan kepunahan.

Dalam hal lain, kita semua mungkin menjadi pecundang di dunia yang lebih

hangat. Baru-baru ini, dokter dan epidemiologi telah berusaha untuk menilai biaya

pemanasan global dalam hal kesehatan masyarakat. Peningkatan suhu rata-rata

diduga akan meningkatkan jangkauan geografis nyamuk, lalat tsetse, dan serangga

lainnya. Hasilnya bisa menjadi peningkatan yang signifikan dalam penyakit seperti



95

malaria, demam kuning dan demam berdarah, dan penyakit tidur di daerah baru,

termasuk Asia, Eropa, dan Amerika Serikat. Sungguh, hal ini telah disarankan bahwa

wabah kolera mematikan 1991 di Amerika Selatan adalah disebabkan oleh Samudera

Pasifik yang lebih hangat. Bakteri yang menyebabkan kolera berkembang di plankton.

Pertumbuhan plankton dan bakteri keduanya dirangsang oleh suhu yang lebih tinggi.Kita bahkan dapat merasakan efek dari pemanasan global di halaman belakang kita

sendiri, jika prediksi untuk lebih banyak kutu, lebih banyak semut, lebih banyak

nyamuk, lebih banyak serbuk sari, dan lebih cepat tumbuh dan lebih kuat poison ivy

yang teramati adalah sudah benar.

Para pemimpin Kelompok negara Delapan (G8), mengadakan pertemuan di

Skotlandia pada musim panas 2005, mengeluarkan sebuah komunike pada

perubahan iklim, energi bersih, dan pembangunan berkelanjutan. Mereka

menyatakan “perubahan iklim merupakan tantangan serius dan jangka panjang yang

memiliki potensi untuk mempengaruhi setiap bagian dari dunia”. Mereka

menyimpulkan bahwa bukti ilmiah sekarang menjamin suatu rasa urgensi baru.

Bagian selanjutnya akan mempertimbangkan bagaimana kebijakan publik di seluruhdunia telah dan akan terus dipengaruhi oleh pengetahuan ilmiah kita.

Banyak perbedaan spesies kupu-kupu checkerspot ada. Yang satu ini ditemukan

di bagian Wisconsin.

3.10 Strategi untuk Perubahan

Perdebatan perubahan iklim telah bergeser dalam 15 tahun terakhir. Diskusi

tidak lagi tentang “apakah ada masalah” melainkan tentang “apa harus kita lakukan?”

Ada konsensus ilmiah yang berkembang bahwa pemanasan global sedang terjadi

dan bahwa manusia adalah penyebabnya. Fokusnya telah beralih untuk memahami

penyebab pemanasan dan cara memperlambat atau mencegah perubahan iklim yang

diproyeksikan. Ada dua pertanyaan terkait. Yang dapat kita lakukan dan apa yang

harus kita lakukan tentang kemungkinan perubahan iklim yang signifikan yang

disebabkan oleh pemanasan global? Satu hal yang jelas: Mengingat hasil terbaru dari

pemodelan iklim yang telah diperbarui, kita akan mulai melihat perubahan iklim

bahkan lebih definitif dalam satu dekade atau lebih. Tapi bisakah kita hati-hatimenunggu bahwa tindakan cepat panjang atau sangat penting? Apakah untuk

bertindak dan cara bertindak tidak hanya masalah ilmiah. Apa yang menentukan

respon kita merupakan campuran rumit ilmu pengetahuan, persepsi risiko, nilai-nilai

sosial, politik, dan ekonomi.

Secara total emisi dan pada basis per kapita, Amerika Serikat tertinggi dalam

emisi karbon. Rusia tertinggi dalam emisi berdasarkan output ekonomi. Oleh karena

itu kedua negara memiliki mandat untuk membantu memimpin jalan dalam



96

mengurangi emisi, tetapi untuk melakukannya tanpa mengorbankan perekonomian.

Perbandingan dari total emisi, emisi per kapita, dan emisi berdasarkan output

ekonomi ditemukan di Gambar 3.23.

Strategi yang paling jelas untuk menangani pemanasan global akan

mengurangi ketergantungan kita pada bahan bakar fosil. Tindakan tersebut akanmenjadi sangat sulit dalam waktu dekat. Tidak hanya merupakan sumber energi ini

sangat penting untuk perekonomian modern, tetapi juga memiliki implikasi bagi

kebijakan energi internasional. Meskipun banyak sumber energi alternatif yang

digunakan dan dalam pengembangan, realistis kita akan terus bergantung pada

bahan bakar fosil dalam waktu dekat mendatang. Saat ini, lebih dari 85% dari

kebutuhan energi dunia dipasok oleh bahan bakar fosil, sehingga sulit untuk

mengembangkan kapasitas teknologi alternatif yang cukup dalam waktu dekat untuk

mengurangi perubahan iklim. Distribusi sumber emisi di Amerika Serikat, ditunjukkan

pada Gambar 3.24.

Gambar 3.23

Negara-negara yang merupakan produsen terbesar gas rumah kaca dari

pembakaran bahan bakar fosil.

Catatan: Data belum termasuk emisi CO2 yang dihasilkan dari perubahan

penggunaan lahan dan deforestasi. Jika disertakan, jumlah mungkin akan

meningkat signifikan untuk Brasil. Sumber: Dari “Di Rusia, Polusi adalah Baik untuk

bisnis”. oleh Andrew E. Kramer, New York Times, 28 Desember2005. Copyright

©2005 The New York Times. Dicetak ulang dengan izin.



97

Untuk terus menggunakan bahan bakar fosil pada tingkat yang sama sampai

kita kehabisan bukanlah pendekatan yang masuk akal sehat. Bahkan, itu sudah

terlambat untuk ini menjadi pilihan yang layak. Kami melihat dalam Bab2 bahwa

meskipun CFC tidak lagi ditambahkan ke atmosfer, maka akan bertahun-tahun

sebelum konsentrasi mereka di stratosfer berkurang ke tingkat yang diinginkansebelumnya. Demikian pula, time lag yang signifikan terjadi dari produksi CO2,

sampai akumulasi di atmosfer, dan untuk akhirnya CO2 kembali ke dalam

penyimpanan lingkungan. Jadi, menunggu sampai kita kehabisan bahan bakar fosil

untuk mengambil tindakan tidak akan memecahkan masalah.

Beberapa advokat masih menunda tindakan mengenai pemanasan global,

percaya bahwa studi lebih lanjut diperlukan. Mereka berpendapat bahwa

ketidakpastian dalam kekuatan prediksi dan model iklim yang begitu besar bahwa

uang dan usaha akan sia-sia sekarang untuk melakukan tindakan preventif atau

bersifat memperbaiki. Laporan US National Research Council umumnya sepakat

dengan penilaian manusia menyebabkan perubahan iklim yang disajikan dalam

laporan tahun 2001 IPCC ilmiah, tetapi mengabaikan peringatan ini. “Karena adaketidakpastian yang cukup besar dalam pemahaman saat bagaimana sistem iklim

bervariasi secara alami dan bereaksi terhadap emisi gas rumah kaca dan aerosol,

perkiraan saat besarnya pemanasan masa depan harus dianggap sebagai tentatif

dan tunduk pada penyesuaian masa depan (baik ke atas atau ke bawah).”

Negara maju sering mengadopsi kebijakan yang bergantung pada “perbaikan

teknologi “ untuk masalah. Meningkatkan efisiensi pembangkit bahan bakar fosil

melalui teknologi batubara bersih merupakan salah satu pendekatan sukses.

Daripada menghentikan atau memperlambat emisi gas rumah kaca, beberapa

advokat menangkap dan mengisolasi gas setelah emisi mereka. Salah satu metode

tersebut adalah penyerapan, yang secara harfiah berarti menjaga sesuatu yang

terpisah. Jika CO2 benar diasingkan, tidak dapat mencapai troposfer danberkontribusi pada pemanasan global. Namun, skala untuk eksekusi semua CO2

yang dihasilkan dari pembangkit listrik berbahan bakar fosil cukup menakutkan, dan

kemungkinan besar tidak dapat dicapai.

Gambar 3.24

AS emisi CO2 dari bahan bakar fosil, berdasarkan sektor pengguna akhir 2004.

Sumber: EIA, Emisi Gas Rumah Kaca di AS, 2004.



98

Pendekatan yang berhasil meliputi menghubungkan kemajuan teknologi,

pembangunan ekonomi, dan kebutuhan lingkungan. Pada tahun 2005, proyek

Departemen Energi AS (DOE) di Kansas berhasil menunjukkan kelayakan “banjir”

ladang minyak dengan limbah CO2 yang dihasilkan dari fermentasi jagung untuk

memproduksi etanol. CO2 disuntikkan ke ladang minyak Hall Guerney di Kansas,yang memungkinkan pemulihan minyak yang lain mungkin tidak pernah diproduksi.

Manfaat dari mengintegrasikan produksi etanol, meningkatkan perolehan minyak,

dan penyerapan CO2 bisa menjadi model untuk jenis lain dari proyek.

Bentuk lain penyerapan karbon yang diusulkan didasarkan pada menangkap

CO2 dari pembangkit listrik atau dihiangkan dari gas alam. CO2 kemudian dapat

dicairkan dan dipompa ke dalam laut. Jenis penyerapan ini telah dilaksanakan di

lepas pantai Norwegia sejak tahun 1996 di bidang gas alam Sleipner. Di sini, CO 2

dipompa dengan ke dalaman lebih dari 100 m di bawah permukaan laut (Gambar

3.25). Proyek ini didorong oleh keprihatinan terhadap pemanasan global dan oleh

insentif keuangan. Norwegia Statoil, perusahaan minyak negara, diproyeksikan untuk

menghemat jutaan dolar dengan menggunakan penyerapan karbon. Perusahaanmembangun dolar $ 80.000.000 fasilitas di laut untuk memisahkan CO2 dari gas alam

karena dua alasan: pertama karena mereka tidak bisa menjual gas alam kepada

pelanggan di Eropa tanpa menghilangkan terlebih dahulu karbon dioksida dari gas

alam tersebut, dan kedua karena eksekusi CO2 menghindari “pajak karbon” kaku

yang dikenakan oleh Norwegia. Pajak ini akan membebani Statoil sekitar $ 50 untuk

setiap ton CO2 yang diemisikan, sehingga menghemat sekitar $ 50 juta per tahun

dalam bentuk pajak. Tempat suntikan sedang dipantau untuk kemungkinan efek

seismik. Sebuah proyek serupa sedang dipertimbangkan oleh sebuah konsorsium

yang melibatkan Exxon dan Perusahaan Minyak Negara Indonesia di lapangan gas

lepas pantai di Laut Cina Selatan.

Laju peningkatan penyerapan karbon dapat berarti penanaman pohonsebagai wadah lingkungan yang menyerap CO2. Sebagai contoh, para ilmuwan dan

relawan Inggris dan Malaysia menanam 120.000 pohon di bekas tebangan hutan

hujan di Borneo Malaysia tahun 2003. Ini adalah percobaan terbesar yang pernah

ada untuk mengeksplorasi bagaimana keragaman pohon dapat mempengaruhi, baik

produksi kayu maupun penyimpanan karbon. Meskipun reboisasi, menyelamatkan

pertumbuhan hutan-tua, dan perbaikan pengelolaan lahan yang baik bagi umat

manusia, mereka mungkin ternyata memiliki sedikit efek jangka panjang pada CO2 di

atmosfer. Hal ini karena banyak karbon yang terikat dalam hutan dan tanah bergerak

kembali ke dalam sirkulasi pada 30-60 tahun, demikian menurut Dale Simbeck, Wakil

Presiden Teknologi untuk firma konsultasi SFA Pasifik.



99

Gambar 3.25

Penyuntikan CO2 di bawah lantai Laut Utara. Kabel hijau membawa listrik, pipa biru

mengangkut CO2 ke situs injeksi, dan merah “haltenpipe” mengangkut gas alam

dari platform Heidrun lepas pantai ke pabrik metanol onshore di Tjeldbergodden.

Sumber: Gambar milik Statoil.

3.11 Melebihi Protokol Kyoto tentang Perubahan Iklim

Lebih dari satu abad yang lalu Arrhenius pertama kali mengajukan bahwa

emisi karbon dioksida bisa menumpuk di atmosfer dan menyebabkan pemanasan

global. Dunia mungkin telah lambat dalam menanggapi, tetapi beberapa dekadeterakhir telah terlihat kemajuan yang cukup berarti. Meningkatnya konsentrasi CO2

terdeteksi pada awal tahun 1960, dan data untuk konsentrasi gas rumah kaca lainnya

telah dikumpulkan di tahun 1970-an. Terutama hanya ilmuwan atmosfer yang tahu

tren ini sebelum pertengahan 1980-an, ketika lokakarya dan konferensi internasional

membawa situasi menjadi perhatian badan PBB, khususnya Program Lingkungan

PBB dan Organisasi Meteorologi Dunia (WMO). Pada tahun 1988, IPCC didirikan

untuk mengumpulkan penelitian ilmiah yang tersedia mengenai perubahan iklim dan

memberikan saran kepada pembuat kebijakan. Serangkaian konferensi internasional

telah membawa kepada “Earth Summit” di Rio de Janeiro, Brasil, pada bulan Juni

1992. Lebih dari 160 negara, termasuk Amerika Serikat, mengadopsi Konvensi

Kerangka Kerja Perubahan Iklim (FCCC) sebagai hasil dari pertemuan itu. Dokumenini menyajikan bukti ilmiah bahwa suhu meningkat merupakan kepedulian global dan

menyarankan cara-cara efektif untuk meresponnya.

Pada tahun 1997, hampir 10.000 peserta dari 161 negara berkumpul di Kyoto,

Jepang. Mereka membuat tujuan untuk menstabilkan dan mengurangi konsentrasi

gas rumah kaca di atmosfer ke tingkat yang lebih bertanggung jawab terhadap

lingkungan. Hasilnya adalah apa yang kemudian dikenal sebagai Protokol Kyoto pada

Konvensi Kerangka Kerja, atau hanya Protokol Kyoto. Konvensi Kerangka membagi

semua negara yang menandatangani menjadi tiga kelompok. Negara-negara Annex



100

I adalah negara industri. Negara-negara Annex II adalah negara-negara maju yang

membayar biaya negara berkembang. Negara-negara berkembang tidak memiliki

batasan langsung pada emisi dan berhak menerima uang dan teknologi dari negara-

negara Annex II.

Target emisi yang mengikat didasarkan pada lima tahun rata-rata yangditetapkan untuk 38 negara Annex I untuk mengurangi emisi enam gas rumah kaca

mereka dari tingkat tahun 1990. Untuk mencapai tujuan ini, antara tahun 2008-2012

diharapkan dapat menurunkan emisi dari negara-negara industri secara keseluruhan

sekitar 5%. Di bawah Protokol Kyoto, Amerika Serikat diharapkan untuk mengurangi

emisi sampai 7% di bawah tingkat 1990, negara Uni Eropa (UE) 8%, dan Kanada dan

Jepang 6%.

Tidak adanya target emisi yang mengikat yang dibuat untuk negara-negara

berkembang, menjadi isu perdebatan dulu dan sekarang. Negara-negara maju

diizinkan untuk menjual kredit emisi mereka untuk memenuhi target mereka. Artinya,

negara-negara yang memiliki emisi yang lebih rendah daripada target mereka dapat

menjual sejumlah residu ke negara-negara yang melebihi target mereka. Negara-negara maju juga dapat menerima kredit lebih lanjut untuk investasi dan proyek-

proyek untuk membantu negara-negara berkembang mengurangi emisi gas rumah

kaca mereka melalui teknologi yang lebih baik. Gas yang diatur termasuk karbon

dioksida, metan, nitrous oxide, hidrofluorokarbon (HFC), perfluorokarbon (PFC), dan

sulfur heksafluorida.

Untuk dapat berlaku, Protokol Kyoto harus diratifikasi oleh setidaknya 55

negara dan dengan sejumlah negara-negara Annex I untuk memperhitungkan 55%

dari total CO2 emisi mereka pada tahun 1990. Pada bulan Juni tahun 2003, 110

negara telah meratifikasi atau menerima protokol ini. Poin yang mengganjal adalah

bahwa negara-negara Annex I meratifikasi hanya menyumbang 44,2% dari total emisi

Annex I, bukannya 55%. Amerika Serikat dengan tegas menegaskan bahwa hal itutidak akan meratifikasi protokol, itu diserahkan kepada Rusia untuk membawa

protokol dapat berlaku. Uni Eropa mengumumkan pada pertengahan 2004 bahwa

Federasi Rusia akan kembali masuk ke dalam Organisasi Perdagangan Dunia

(WTO), merupakan langkah penting bagi pertumbuhan ekonomi Rusia. Negosiasi

bergantung pada janji Rusia untuk mendukung kebijakan lingkungan dari Uni Eropa,

khususnya setuju untuk meratifikasi Protokol Kyoto. “Rusia jelas memperdagangkan

dukungan mereka untuk Kyoto dalam pertukaran untuk beberapa konsesi pada istilah

masuk WTO”, kata Christopher Weafer, kepala strategi ekuitas dengan Alfa Bank di

Moskow. Kedua rumah Parlemen Rusia meratifikasi Protokol Kyoto pada akhir 2004,

dan protokol akhirnya mulai berlaku pada Februari 2005.

Tujuan menyeluruh dari Protokol Kyoto adalah untuk secara substansialmengurangi jumlah gas rumah kaca yang dilepaskan ke atmosfer. Namun, meskipun

pengurangan target Uni Eropa sebesar 8% di bawah tingkat 1990, emisi per

Desember 2005 adalah 6% di atas tingkat 1990. Ini menciptakan situasi di mana

mekanisme “cap-and –trade” diperbolehkan. Rusia di posisi yang sangat baik untuk

mengambil bagian dalam perdagangan tersebut, 1990 adalah tahun yang sangat

penting bagi Rusia. Tahun itu adalah tahun terakhir pabrik-pabrik beroperasi dengan

kapasitas penuh sebelum runtuhnya Uni Soviet. Sejak itu, emisi gas rumah kaca

mereka telah menurun sekitar 43%, meninggalkan Rusia dengan emisi kredit untuk



101

dijual. Banyak negara di Uni Eropa dan juga Jepang adalah pelanggan bersemangat

untuk”kredit karbon” ini. Kanada, Swiss, dan bahkan California tertarik menjadi bagian

dari sistem kredit karbon global.

Pada tahun 2007, Amerika Serikat telah terus memilih keluar dari Protokol

Kyoto. Presiden George W. Bush tidak mendukung kesepakatan yang dicapai diKyoto, menyebut mereka “cacat fatal”. Salah satu alasan adalah keyakinan bahwa

memenuhi pengurangan yang diperlukan oleh protokol akan menyebabkan

kerusakan serius pada perekonomian AS. Alasan lain untuk tidak meratifikasi protokol

adalah kekhawatiran tentang tidak adanya pembatasan untuk negara-negara

berkembang. Meskipun lebih dari 150 negara setuju pada akhir 2005 untuk membuat

perundingan formal wajib pasca 2012 dalam pengurangan gas rumah kaca, Amerika

Serikat hanya setuju untuk dialog yang tidak mengikat untuk menanggapi perubahan

iklim. Perjanjian antara negara-negara Kyoto yang sekarang terdiri dari sebagian

besar negara-negara paling berpengaruh di dunia, berkomitmen untuk bergerak

maju, dengan atau tanpa keterlibatan aktif dari Amerika Serikat. Dengan penundaan

panjang dalam ratifikasi dan implementasi Protokol Kyoto, target untuk 2012kemungkinan besar tidak dapat dipenuhi tanpa pembatasan lebih lanjut.

Pemerintahan Bush sedang mengejar beberapa alternatif untuk berpartisipasi

dalam Protokol Kyoto. Presiden Bush mengumumkan Global Change Climate

Initiative pada tahun 2002. Proposal tersebut menetapkan sasaran emisi gas rumah

kaca berdasarkan unit dari produk domestik bruto. Dari tahun 2002 sampai 2012,

penurunan sebesar 18% diprediksi berdasarkan pada ukuran ini, yang dicapai

dengan upaya yang benar-benar sukarela. Inisiatif ini dan amandemennya

selanjutnya juga menyediakan peningkatan pendanaan untuk perubahan teknologi,

seperti pengembangan ekonomi hidrogen.

Masing-masing negara telah mengambil masalah ke tangan mereka sendiri,

percaya bahwa mengurangi emisi mereka sendiri bisa memiliki dampak yangsignifikan terhadap emisi global. Salah satu contoh adalah Regional Greenhouse Gas

Initiative (RGGI). Sepuluh negara bagian timur laut dan pertengahan Atlantik

sekarang bekerja sama untuk mengembangkan program cap-and-trade untuk emisi

gas rumah kaca (Gambar 3.26). Selain itu, Pennsylvania, Maryland, District of

Columbia, dan Provinsi Kanada Timur adalah pengamat dalam proses. Fokus awal

adalah mengurangi emisi CO2 dari pembangkit listrik, dengan tetap menjaga harga

energi bagi konsumen. Pengembangan program-program yang berhasil dapat

dijadikan model untuk implementasi di tempat lain.

Mengikuti memimpin Timur laut, tiga negara Barat-California, Oregon, dan

Washington-bersatu untuk memerangi efek gas rumah kaca. Proposal di California

adalah paling berani dan karena itu yang paling kontroversial. Mereka mencari tidakhanya untuk mengurangi emisi gas rumah kaca dari pembangkit listrik, tetapi juga

merencanakan pengurangan dari mobil dan truk ringan. New York mengadopsi

peraturan baru California yang ambisius untuk mengurangi emisi otomotif juga.

Pengembangan sumber-sumber terbarukan, insentif pajak untuk tenaga surya dan

angin, dan hukum mempromosikan produksi etanol adalah bagian dari strategi yang

diperlukan. Pada akhir 2006, Perjanjian Perlindungan Iklim Walikota AS termasuk 227

kota berkomitmen untuk mengurangi emisi gas rumah kaca sampai 7% di bawah

tingkat 1990 pada tahun 2012. Kota-kota termasuk beberapa yang terbesar di Timur



102

Laut, wilayah Great Lakes, dan Pantai Barat dan walikota mereka mewakili sekitar 44

juta orang Amerika.

Gambar 3.26

Negara-negara yang setuju untuk berpartisipasi dalam Regional Greenhouse Gas

Initiative. Negara-negara peserta diperlihatkan dengan warna biru, sebuah negara

pengamat ditunjukkan dengan warna oranye.

Negara-negara maju adalah penghasil emisi gas rumah kaca terbesar dan

memiliki tanggung jawab sejarah untuk mengurangi emisi mereka. Namun, negara-

negara berkembang diperkirakan menjadi produsen utama karbon dioksida dan gas

rumah kaca lainnya dalam waktu yang tidak terlalu lama. Negara-negara maju

memiliki emisi gas rumah kaca yang luar biasa, tetapi tingkat emisi gas rumah kacanegara-negara berkembang meningkat lebih cepat dibandingkan dengan negara-

negara industri dan diperkirakan akan tumbuh lebih cepat di masa mendatang

(Gambar 3.27).

Laju pertumbuhan emisi dari negara berkembang pesat Cina dan India

diperkirakan 4,5% per tahun, jauh lebih tinggi dari laju pertumbuhan ekonomi yang

negara yang sudah mapan. Selain itu, Protokol Kyoto tidak menutup emisi dari

negara-negara berkembang.



103

Gambar 3.27

Jumlah emisi CO2 di dunia untuk tahun 1995 (6460000000 ton) dan 2035

(diproyeksikan menjadi 11710000000 ton). Kontribusi dari negara maju akan

ditampilkan dalam warna biru, negara berkembang warna kuning muda. Perhatikan

bahwa bagian Asia jatuh ke setiap kategori. Singkatan FSU singkatan bekas Uni

Soviet, sekarang disebut Federasi Rusia.

3.12 Pemanasan Global dan Penipisan Ozon

Pemanasan global dan penipisan ozon keduanya melibatkan atmosfer, dan

keduanya banyak diberitakan. Pembaca rekening koran mungkin dengan mudah

dapat mencampur mereka. Kadang-kadang, penulis artikel itu sendiri bingung ! Kami

ingin menghindari seperti campur-baur dan untuk alasan itu, akan menyimpulkan bab

ini dengan kembali ke salah satu kesalahpahaman umum. Pertanyaan yang seringmuncul adalah: Apakah penipisan lapisan ozon penyebab utama perubahan iklim?

Mungkin ini tampaknya logis karena jika ozon stratosfir hancur, lebih banyak

kemungkinan radiasi matahari yang bisa mencapai Bumi dan dan semakin

menghangatkan bumi. Namun demikian, hal ini tidak terjadi. Bahkan, hilangnya ozon

stratosfer menyebabkan efek negatif yang kecil, pendinginan Bumi. Ini kontras

dengan efek meningkatkan ozon troposfer, menunjukkan efek positif yang lebih

besar, meningkatkan suhu bumi. Efek negatif ini muncul dari penyerapan radiasi UV



104

oleh O3 selama destruksi ozon di stratosfer. Kedua efek ini adalah kecil dibandingkan

dengan efek yang diamati dari gas rumah kaca utama. Gambar 3.28 menunjukkan

kontribusi relatif, atau forcings, dari perubahan gas atmosfer.

Gambar 3.28

Forcing Radiatif perubahan iklim dari perubahan gas atmosfer (1750-2000).

Sumber: Penilaian Ilmiah Penipisan Ozon: 2002; Organisasi Meteorologi Dunia

(WMO), United Nations Environmental Programme (UNEP).

Meskipun ozon di stratosfer berkontribusi sedikit terhadap pemanasan global,

namun isu-isu penipisan lapisan ozon dan pemanasan global memang saling terkait.Kegiatan manusia telah menyebabkan akumulasi di atmosfer beberapa gas rumah

kaca yang berumur panjang. Daftar ini mencakup ozon dan banyak CFC yang telah

bertanggung jawab atas penipisan ozon stratosfer. Bahkan termasuk beberapa

senyawa yang digunakan untuk menggantikan CFC, seperti HFC. Kami mengakhiri

bab ini dengan meringkas dalam Tabel 3.6 beberapa perbedaan penting antara

pemanasan global dan perusakan ozon stratosfer. Tabulasi seperti mengundang

terlalu menyederhanakan, tetapi dapat menjadi ringkasan yang bermanfaat dari

beberapa aspek penting dari kedua masalah lingkungan dan tanggapan kepada

mereka oleh Amerika Serikat dan masyarakat internasional. Selanjutnya

Pertimbangkan Kegiatan ini memberikan kesempatan untuk mengekspresikan

pendapat Anda tentang informasi signifikansi relatif mereka.



105

Kesimpulan

Apakah pemanasan dunia kita membawa kepada efek iklim yang tidak

diinginkan? Untuk menilai dan membalikkan efek seperti itu, banyak akan tergantung

pada kualitas informasi yang dikumpulkan dan bagaimana ia digunakan untuk

membuat keputusan ekonomi dan lingkungan yang sehat. Perkembangan teknologi

untuk mengeksploitasi sumber daya energi BBM telah menjadi pedang bermata dua,

sisatu sisi untuk perbaikan dramatis dalam hidup kita dan sisi lain sebagai masalah

seluruh generasi baru. Selama abad ke-20, suasana yang eksistensi kita bergantung

menjadi sasaran serangan berulang. Fakta bahwa sebagian besar penghinaan

lingkungan yang tidak disengaja dan, dalam beberapa kasus, konsekuensi tak

terduga kemajuan sosial tidak mengubah masalah yang kita hadapi. Kami hanya

relatif baru-baru mengakui bahaya bahwa polusi udara, penipisan ozon stratosfir, dan

pemanasan global dapat membawa kepada masyarakat pribadi, regional, nasional,

dan global. Untuk membalikkan kerusakan sudah dilakukan dan untuk mencegah

lebih banyak, semua masyarakat ini harus merespon dengan kecerdasan, kasih

sayang, komitmen, dan kebijaksanaan. Banyak saran untuk perubahan akan

berkontribusi untuk pengelolaan suara, bijaksana, dan bertanggung jawab dari planet

kita.

Tema sentral untuk banyak isu yang dieksplorasi dalam Kimia Kontektual

adalah produksi listrik. Dalam sebuah komentar editorial di Science (4 April 2003),

Editor emeritus Philip Abelson mengingatkan kita akan pentingnya melihat gambaran

yang lebih besar dan waktu lebih lama dari ketergantungan kita pada bahan bakar

fosil.



106

“Amerika Serikat banyak memiliki sumber daya batubara yang sekarang

menyediakan energi selama lebih dari setengah dari kebutuhan listrik

Amerika. Energi nuklir melengkapi 20% energi lain, Pada prinsipnya,

kebutuhan masa depan AS untuk bahan bakar cair dan listrik dapat dipenuhi.

Namun,... efek rumah kaca akan menyebabkan tambahan masalah masadepan untuk penggunaan batu bara. Konstruksi dan pengujian tanaman

pembangkit listrik baru tidak dapat dicapai dengan cepat”.

Kami akan kembali ke tema energi dalam bab berikutnya, berjudul “Energi,

Kimia, dan Masyarakat”. Energi nuklir akan dibahas dalam Bab 7, dan sumber energi

alternatif seperti sel bahan bakar dan tenaga surya yang dieksplorasi dalam Bab 8.

Banyak tantangan yang berhubungan dengan energi dan ketidakpastian yang

dihadapi masyarakat modern kita yang menakutkan. Namun semua itu adalah upah

dari kemodernan kita.



107

BAB 4 ENERGI, KIMIA DAN MASYARAKAT

"Amerika Serikat tidak mampu untuk menunggu krisis energi berikutnya untukmengumpulkan sumber daya intelektual dan industri. . . . Ketergantungan kita tumbuh

semakin langka pada minyak Timur Tengah adalah bodoh game-tidak ada cara untuk

sisa dunia untuk menang. Kerugian kami mungkin datang tiba-tiba melalui perang,

terus melalui kenaikan harga, agonizingly karena kemiskinan berkembang-bangsa,

tanpa henti melalui perubahan iklim atau melalui semua hal di atas."

James Woolsey, Direktur AS Intelijen Pusat (1993-1995)

Dalam hal energi, Amerika Serikat adalah nomor satu : produsen terbesar,

konsumen terkemuka, dan importir terbesar di dunia. Warga negara ini menghasilkan

kebutuhan yang luar biasa untuk energi dan melakukannya dengan sikap hampir

santai tentang ketersediaan dan biaya. Kebutuhan itu terpenuhi terutama oleh bahan

bakar batu bara, minyak, dan gas alam fosil.Secara kolektif, mereka menyumbang sekitar 70% dari listrik AS dan hampir 85% dari

semua kebutuhan energi bangsa.

Gambaran awal ini mengingatkan kita berbagai aspek produksi dan

penggunaan energi, tetapi mungkin tidak membawa ke beberapa pikiran penting yang

menantang berkaitan dengan ketergantungan kita pada bahan bakar fosil. Salah satu

tantangan tersebut adalah mengamankan pasokan yang terus meningkat. Dipicu oleh

politik gejolak di Timur Tengah selama pertengahan 1970-an, Amerika Serikat

mengalami kekurangan bahan bakar minyak dan lonjakan harga yang menyertainya.

Pemerintah AS merespon dengan kebijakan yang difokuskan pada penurunan

ketergantungan AS pada minyak dari bagian dunia. Perubahan yang dihasilkan dari

kebijakan baru itu menghasilkan permintaan yang lebih rendah secara keseluruhan.

Namun, dalam dua dekade terakhir impor AS telah meningkat dari sekitar 35%

menjadi lebih dari 50%. Seperti kutipan pembukaan menunjukkan, memastikan terus

ketersediaan energi lebih dan lebih di tahun-tahun mendatang adalah masalah

keamanan nasional.

Jika menggunakan bahan bakar fosil saja, akan menciptakan tantangan

kedua. Pembakaran, tentu saja, merupakan cara melepaskan kandungan energi

besar dari molekul. Namun, pembakaran bahan bakar berbasis karbon juga

melepaskan karbon dioksida, air, dan sering pula diikuti jelaga, karbon monoksida,

dan oksida belerang dan oksida nitrogen. Hubungan antara produk-produk

pembakaran dan lingkungan menjadi masalah yang serius seperti pemanasan global,

hujan asam, dan penurunan kualitas udara yang tak terbantahkan.

Tantangan ketiga muncul dari kenyataan bahwa bahan bakar fosil terdapat

dalam persediaan yang terbatas. Baru perkiraan menunjukkan bahwa pada tingkat

konsumsi saat ini, cadangan minyak akan habis dalam kurang dari 50 tahun dan

batubara di atas setengah abad. Sumber energi terbarukan terus menarik perhatian

para pembuat kebijakan dan industri energi. Sebagai contoh, pemasok tradisional

bahan bakar fosil merupakan investor terbesar tenaga angin, listrik dihasilkan oleh

"pertanian " dari kincir angin. Jumlah Selanjutnya, peningkatan pertanian produk yang

menemukan cara mereka ke bahan bakar alternatif. Sebagai aditif bensin, etanol



108

yang dihasilkan dari fermentasi jagung mengurangi emisi berbahaya. Biodiesel

diproduksi dari minyak kedelai dapat digunakan dalam mesin diesel normal.

Mengingat tantangan ini, program aksi apa yang kita perlu

mempertimbangkan?. Meningkatkan ketergantungan kita pada sumber energi

terbarukan pasti akan memiliki hasil positif. Namun, transisi besar dalam cara kitamenggunakan bahan bakar dan cara-cara di mana mereka disediakan menimbulkan

pertanyaan tentang siapa yang bersedia dan mampu menanggung biaya.

Untuk lebih menjawab pertanyaan ini, kita perlu memahami kimia dasar yang

mendasari bahan bakar dan energi yang menyertainya. Kita mulai dengan definisi

beberapa istilah penting (energi, panas, dan kerja) dan hukum yang menyatakan

bahwa energi tidak pernah diciptakan atau dihancurkan, tetapi hanya mengalami

perubahan bentuk. Ketidak efisiensi menjadi masalah dalam kemampuan kita untuk

memanfaatkan energi atau menghasilkan sepenuhnya dalam bentuk yang kita

inginkan. Kita akan mengeksplorasi sifat bahan bakar, komposisi kimia, dan struktur

molekul yang dikandungnya. Kita akan belajar bagaimana molekul ini menyimpan

energi dan bagaimana menulis reaksi kimia yang menggambarkan pelepasan energiini. Setelah kita memahami prinsip-prinsip kimia, kita akan mengubah perhatian kita

pada konsumsi energi untuk dua bahan bakar fosil utama yaitu batu bara dan minyak

bumi - dan metode untuk memanipulasi mereka ke dalam bentuk yang berguna. Bab

ini diakhiri dengan diskusi tentang kebijakan energi dan kemungkinan untuk

konservasi.

4.1 Energi, Kerja, dan Panas

Energi adalah kata yang kita dengar setiap hari, tapi yang makna kimianya

yang tepat tidak baik dipahami oleh masyarakat. Definisi ilmiah energi, kapasitas

untuk melakukan pekerjaan. bagi ilmuwan, Kerja dilakukan ketika gerakan terjadi

melawan suatu gaya menahan. Secara matematis, kerja sama dengan gaya dikalikandengan jarak dimana gerakan terjadi. Jadi, ketika Anda mengangkat sebuah buku

melawan gaya gravitasi, berarti Anda melakukan kerja.

Banyak kerja yang dilakukan di planet kita berasal dari bentuk paling umum

dari kerja bahan kimia, gas mengembang seperti yang dihasilkan dalam sebuah

mesin pembakaran internal, atau dari bentuk lain energi panas. Definisi formal yang

terakhir terdengar sedikit aneh : panas/bahang (heat) adalah energi yang mengalir

dari panas ke objek dingin. Ketika kita ambil wajan panas di atas kompor, kita

langsung merasakan panas.

Suhu adalah properti panas, ia mendefinisikan derajat kepanasan (atau

dingin) pada skala spesifik. Definisi lain dari suhu terdengar canggung dan

membingungkan : Suhu adalah properti dari materi yang menentukan arah aliranpanas. Namun, kita tahu bahwa suhu dan panas bukan hal yang sama. Ketika dua

objek di kontakkan, panas selalu mengalir dari objek dengan suhu yang lebih tinggi

ke objek yang lebih rendah suhunya. Sebotol air dan Samudra Pasifik mungkin

berada pada suhu yang sama, tapi laut mengandung dan dapat mentransfer panas

jauh lebih banyak daripada sebotol air. memang, badan air dapat mempengaruhi iklim

seluruh wilayah sebagai konsekuensi dari kemampuan mereka untuk menyerap dan

mentransfer panas.



109

Dalam rangka untuk melanjutkan diskusi kita energi, kita perlu unit untuk

mengungkapkannya. Satu kalori didefinisikan sebagai jumlah panas yang diperlukan

untuk menaikkan suhu dari satu gram air tepat dengan satu derajat Celcius. Satu

kalori didefinisikan sebagai tepat 4,184 J. Untuk menempatkan unit ini dalam konteks,

satu joule (1 J) kira-kira sama dengan energi dibutuhkan untuk menaikkan setinggi 4in sebuah buku seberat 2 lb melawan gaya gravitasi. Secara sederhana, setiap

denyut jantung manusia membutuhkan sekitar 1 J energi. Dalam beberapa bagian

berikutnya, kita akan menggunakan satuan energi yang berkisar dari kilojoule (1 kJ =

1000 J) dalam diskusi tentang ikatan kimia untuk exajoules (1 EJ = 1018 J) ketika kita

mempertimbangkan produksi energi tahunan di seluruh dunia.

Kalori diperkenalkan sebagai ukuran panas dengan sistem metrik pada akhir

Abad ke-18. Kalori yang mungkin paling akrab bila digunakan untuk mengekspresikan

energi yang dilepaskan ketika makanan dimetabolisme. Nilai-nilai tabulasi pada label

kemasan dan dalam buku resep masakan, umumnya, dalam kilokalori (1 kkal = 1000

kal = 1 Kalori), ketika Kalori berawalan huruf kapital, secara umum berarti kilokalori

(Gambar 4.1). Dengan demikian, setara energi dari donat425 Cal (425 kkal, 425.000 kalori). Untuk sebagian besar tujuan kita akan

menggunakan joule dan kilojoule dalam bab ini, tapi ketika tampaknya lebih tepat atau

lebih mudah dimengerti, kita akan mengekspresikan energi kalori atau kilokalori.

Gambar 4.1 Kandungan energi dari makanan adalah biasanya tercantum dalam

Kalori.

4.2 Transformasi Energi

Kita memperkenalkan hukum kekekalan massa ketika menyeimbangkan

reaksi kimia dalam Bab 1. Di sini, kita memasukkan energi ke lain dari " hukum

kekekalan”. Hukum pertama termodinamika, juga disebut hukum kekekalan energi,

menyatakan bahwa energi tidak diciptakan atau dihancurkan. Tapi bagaimana bisa

kita pernah mengalami krisis energi jika energi alam semesta adalah konstan?Jawabannya terletak pada pemahaman energi yang dapat dikonversi menjadi

berbagai jenis. Ketika kita menggunakan energi, baik pembakaran kayu di perapian,

mengemudi mobil, atau menyalakan lampu, kita tidak membuat atau

menghancurkannya. Namun, kita mengubahnya dari satu jenis ke jenis yang lain,

terjadi kehilangan sedikit sepanjang jalan dengan masing-masing transformasi

tersebut.

Ada dua jenis energi yang utama. Energi potensial, seperti namanya yaitu

energi yang tersimpan atau energi yang muncul karena posisinya. Misalnya, energi



110

dapat disimpan dalam posisi buku yang diangkat melawan gaya gravitasi. Semakin

berat buku dan semakin tinggi Anda angkat, maka semakin banyak energi potensial

yang dimilikinya. Tipe lain dari energi disebut energi kinetik, yang didefinisikan

sebagai energi gerak. Makin berat suatu benda dan semakin cepat ia bergerak,

semakin besar kinetik energi yang dimilikinya. Mana yang Anda lebih suka jikaterkena, bisbol yang bergerak pada 90 mph atau bola ping -pong yang bergerak pada

90 mph? Bisbol memiliki energi kinetik yang jauh lebih besar karena memiliki massa

relatif yang lebih besar.

Untuk lebih memahami bagaimana energi berubah dari satu jenis yang lain,

pertimbangkan mainan meja yang dikenal sebagai Newton’s cradle yang ditunjukkan

pada Gambar 4.2. Untuk memulai, Anda harus melakukan kerja pada sistem dengan

mengangkat salah satu bola melawan gaya gravitasi. Karena posisinya relatif

terhadap bidang-bidang lain, Anda telah memberikan energi potensial untuk bola itu.

Ketika Anda melepaskan bola, jatuh kembali ke tempat awal. Energi potensial posisi

diubah menjadi energi kinetik gerak. Ketika bola bergerak bertumbukan, energi kinetik

ditransfer dari satu bola ke depan, dan satu di ujung lain mulai bergerak ke atas.Energi kinetik yang secara bertahap diubah menjadi energi potensial seperti naik dan

memperlambat. Ketika konversi yang lengkap, bola kedua mulai turun, dan proses

berulang. Namun, dengan setiap siklus berturut-turut bola tidak naik cukup tinggi.

Pada akhirnya, semua bola akan diam kembali di posisi semula.

Figure 4.2

Suatu Newton’s cradle.

Mengapa mereka berhenti? Apakah ini tidak melanggar hukum kekekalanenergi? Darimana energi pergi? Dalam setiap tabrakan, sebagian energi yang ada,

digunakan untuk membuat suara, dan beberapa digunakan untuk menghasilkan

panas. Jika kita bisa mengukur cukup tepat, kita akan mengamati bola memanas

sedikit, panas ini kemudian ditransfer ke atom sekitarnya dan molekul di udara.

Karena itu, ketika semua bola akhirnya diam kembali, energi alam semesta telah

dilestarikan, tetapi semua pekerjaan yang Anda awalnya dimasukkan ke dalam

sistem telah hilang sebagai gerakan acak dari atom dan molekul di udara sekitarnya.



111

Intinya, perangkat tersebut adalah cara yang menyenangkan untuk menghamburkan

sedikit kerja menjadi panas.

Sebaliknya, industrialisasi ekonomi dunia dimulai dengan penemuan

perangkat untuk mengubah panas menjadi kerja. Pada dasarnya semua energi dari

semua bahan bakar yang kita akan bahas dalam bab ini – yaitu batubara, minyak,alkohol, dan sampah - dikeluarkan melalui pembakaran. Setiap bahan bakar dibakar

untuk menghasilkan panas dan pada saat yang sama menghasilkan produk seperti

karbon dioksida dan air. Perangkat awal proses ini adalah mesin uap, yang

dikembangkan pada paruh kedua abad ke-18. Panas dari pembakaran kayu atau batu

bara digunakan untuk menguapkan air, yang pada gilirannya digunakan untuk

menggerakkan piston dan turbin. Kemudian dihasilkan energi mekanik yang dapat

digunakan untuk pompa listrik, pabrik, alat tenun, perahu, dan kereta api. Monster

mekanik berasap ini di Inggris segera menggantikan tanaga manusia dan kuda

sebagai sumber utama kekuatan gerak di dunia Barat.

Sebuah revolusi energi kedua terjadi di awal 1900-an dengan komersialisasi

daya listrik. Saat ini, sebagian besar energi listrik yang dihasilkan di Amerika Serikatadalah dihasilkan oleh keturunan mereka dari mesin uap awal. Gambar 4.3

mengilustrasikan pembangkit listrik modern. Panas dari pembakaran bahan bakar

yang digunakan untuk merebus air, biasanya di bawah tekanan tinggi. Tekanan tinggi

melayani dua tujuan : itu menimbulkan titik didih air dan kompres uap air. Panas, uap

tekanan tinggi diarahkan pada sirip turbin. Sebagai gas mengembang dan mendingin,

ia memberikan beberapa energi untuk turbin, menyebabkan turbin berputar seperti

kincir angin. Poros turbin dihubungkan ke kumparan kawat besar yang berputar

dalam medan magnet. Perputaran dari dinamo ini menghasilkan arus listrik, bentuk

energi yang sangat nyaman. Sementara itu, uap air daun turbin dan terus dalam siklus

tertutup. Ini melewati penukar panas di mana aliran air pendingin membawa pergi

sisa energi panas awalnya diperoleh dari bahan bakar. Air mengembun menjadiwujud cair kembali dan kembali mendidih, siap untuk melanjutkan siklus transfer

energi.

Proses transformasi energi yang menakjubkan ini diringkas dalam Gambar

4.4. molekul yang membuat suatu bahan bakar yang baik akan memiliki energi

potensial yang tinggi, sedangkan bahan bakar yang jelek akan memiliki energi

potensial yang lebih rendah. Proses pembakaran mengkonversi sebagian energi

potensial bahan bakar molekul menjadi panas, yang pada gilirannya diserap oleh air

dalam boiler. Ketika air molekul menyerap panas, mereka bergerak lebih cepat dan

lebih cepat ke segala arah ; energi kinetiknya telah meningkat. Kekacauan ini,

gerakan pada tingkat molekuler ini merupakan apa yang kita sebut panas, sedangkan

suhu adalah ukuran statistik dari kecepatan rata-rata gerakan tersebut. Oleh karenaitu, suhu meningkat sebagai jumlah energi kinetik dari molekul meningkat. Ketika air

menguap menjadi uap, molekul-molekul air memperoleh sejumlah besar energi

kinetik. Energi yang diubah menjadi energi mekanik dalam turbin berputar yang

mengubah generator yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.



112

Gambar 4.3

Diagram pembangkit listrik untuk konversi bahan bakar kimia ke listrik.

Gambar 4.4

Transformasi energi dalam pembangkit tenaga listrik bahan bakar fosil.

Sesuai dengan hukum pertama termodinamika, energi dilestarikan sepanjang

transformasi ini. Yang pasti, tidak ada energi baru dibuat, tetapi tidak juga ada yang

hilang. Kita mungkin tidak bisa menang, tapi setidaknya kita bisa impas... atau

bisakah kita? Pertanyaannya adalah tidak semudah kedengarannya. Pada

kenyataannya, kita tidak bisa impas. Tidak ada pembangkit listrik, tidak peduli

seberapa baik rancangannya, benar-benar dapat mengubah semua panas menjadi

kerja. Inefisiensi tidak bisa dihindari, terlepas dari insinyur terbaik dan lingkungan

yang paling baik. Selalu ada inefisiensi, tentu saja, kerugian energi akibat gesekan

dan kebocoran panas yang dapat diperbaiki, tetapi ini bukanlah masalah utama.

Kesulitan utama adalah sifat alamiah, lebih khusus, sifat panas dan kerja.

Tabel 4.1 daftar efisiensi sejumlah langkah dalam produksi listrik. Efisiensi

secara keseluruhan adalah produk dari efisiensi langkah-langkah individu. Hasil

akhirnya adalah bahwa pembangkit listrik paling canggih saat ini beroperasi padaefisiensi keseluruhan hanya sekitar 42%. Perhatikan, misalnya, kasus pemanas listrik

rumah, kadang-kadang diiklankan sebagai energi bersih dan berdayaguna. Kami

akan menganggap bahwa listrik yang dihasilkan oleh pembangkit listrik pembakaran

metana dengan efisiensi teoritis maksimum 60%. Efisiensi dari boiler, turbin,

pembangkit listrik, dan jaringan transmisi listrik diberikan dalam Tabel 4.1, mengubah

energi listrik menjadi panas kembali di rumah adalah 98% efisien.



113

Tabel 4.1 Efisiensi Khas dalam Produksi Listrik

Efisiensi teoritis maksimum

Efisiensi boiler

Efisiensi mekanik turbin

Efisiensi generator listrikEfisiensi transmisi daya

55-60%

90%

75%

95%90%

Untuk menemukan efisiensi keseluruhan pembangkit listrik untuk urutan

pemanas-rumah, kita kalikan efisiensi langkah-langkah individu, dinyatakan sebagai

setara desimal mereka. Perhatikan bahwa untuk pembangkit listrik pembakaran-

metana, kita menggunakan efisiensi teoritis maksimum, bukan efisiensi operasional

yang sebenarnya.

Efisiensi keseluruhan = efisiensi (pembangkit listrik) x (Boiler) x (Turbin) x

(Pembangkit listrik) x (Transmisi daya) x (pemanas

listrik Rumah)= 0.60 x 0.90 x 0.75 x 0.95 x 0.90 x 0.98

= 0.34

Efisiensi keseluruhan sama dengan 0,34 menunjukkan bahwa hanya 34% dari

energi panas total yang diperoleh dari pembakaran metana di pembangkit listrik yang

tersedia untuk memanaskan rumah. Jika rumah dipanaskan dengan listrik

membutuhkan 3,5 x 107 kJ (nilai khas untuk kota di bagian utara bumi di Januari),

berapa banyak metana (dalam gram) yang harus dibakar di pembangkit listrik?

Pembakaran 1 gram metana melepaskan 50,1 kJ. Ingatlah bahwa hanya 34% dari

energi dari metana terbakar tersedia untuk memanaskan rumah. Jadi, karena

inefisiensi, jauh lebih banyak jumlah metana harus dibakar untuk melepaskan 3,5 x

107

kJ. Kita sekarang menghitung jumlah total panas yang harus digunakan.panas yang digunakan x efisiensi = panas yang dibutuhkan

panas yang digunakan x 0.34 = 3.5 x 107 kJ

panas yang digunakan7

83,5 101, 0 10

0,34

kJ kJ

Karena setiap gram metana dibakar menghasilkan 50,1 kJ, 2.0 x 106 g metana

harus dibakar untuk memberikan 1.0 x 108 kJ.

8 64

4

11,0 10 2,0 10

50,1

g CH kJ g CH

kJ

Anda dapat membandingkan efisiensi pemanasan rumah dengan listrik

dibandingkan gas alam oleh menyelesaikan kegiatan berikut.

Pertimbangkan lagi Newton’s cradle. Anda tidak akan pernah berharap bola

yang mula-mula dalam keadaan diam mulai mengetuk ke satu sama lain sesama

mereka sendiri, kan? Untuk itu terjadi, semua panas energi yang hilang ketika bola

yang mengetuk ke satu sama lain harus berkumpul lagi. Ketidakmampuan

pembangkit listrik untuk mengubah panas menjadi kerja dengan 100% efisiensi, dan

ketidakmampuan Newton’s cradle untuk memulai dari keadaan diam merupakan hasil

dari pengaruh entropi. Kita mendefinisikan entropi sebagai keacakan dalam posisi



114

atau tingkat energi. Hukum kedua termodinamika memiliki banyak versi, yang

paling umum yaitu bahwa entropi alam semesta terus meningkat . Perubahan yang

terjadi secara alami selalu menghasilkan peningkatan gangguan, atau keacakan,

alam semesta. Konsekuensi penting adalah bahwa tidak mungkin untuk benar-benar

mengubah panas menjadi kerja tanpa membuat beberapa perubahan lain di alamsemesta.

Sebuah cara yang membantu untuk melihat peningkatan entropi universal

yang menjadi ciri khas semua perubahan adalah dalam hal probabilitas. Keadaan

yang tidak teratur adalah lebih mungkin daripada yang teratur, dan perubahan alam

selalu berproses dari kurang memungkinkan kepada yang lebih mungkin. Mari kita

misalkan Anda menentukan keteraturan yang sempurna sebagai kaus kaki dalam laci

yang indah terorganisir, semua kaus kaki yang cocok, dilipat, dan ditempatkan dalam

baris. Hal ini akan mewakili kondisi entropi rendah (sedikit keacakan). Jika Anda

seperti kebanyakan orang, ini mungkin pengaturan agak tidak mungkin. Itu pasti tidak

terjadi dengan sendirinya, butuh kerja (masukan energi) untuk mengatur kaus kaki.

Tanpa melanjutkan pekerjaan penataan ini, sangat mungkin bahwa, selamaseminggu, sebulan, atau satu semester, entropi dan gangguan itu laci kaus kaki akan

meningkat. Intinya adalah bahwa ada cara yang lebih banyak kaus kaki yang dapat

bercampur daripada ada cara untuk kaus kaki untuk dipasangkan, gangguan lebih

mungkin dibandingkan dengan urutan. Sebaliknya, sangat tidak mungkin bahwa

Anda akan membuka laci Anda pada suatu pagi dan menemukan bahwa kaus kaki

yang dicampur aduk sebelumnya berada dalam susunan yang rapi sempurna dan

entropi dalam bagian tertentu dari alam semesta tiba-tiba dan spontan menurun tanpa

intervensi eksternal.

Perubahan yang mustahil terjadi dari kekacauan menuju keteraturan dengan

sendirinya pada dasarnya juga berlaku dalam konversi panas menjadi kerja. Henry

Bent, seorang ahli kimia terkenal, memperkirakan bahwa kemungkinan konversilengkap satu kalori panas untuk pekerjaan adalah hampir sama dengan kemungkinan

sekelompok monyet mengetik lengkap karya Shakespeare 15 kali kuadriliun (15 x

1015) tanpa kesalahan. Jelas, kita tidak perlu menunggu untuk mengamati cradle

Newton berjalan dengan sendirinya ; sama, kita tidak bisa mengharapkan konversi

energi antara satu bentuk ke bentuk lain harus benar-benar efisien.

4.3 Mengukur Perubahan Energi

Apa yang membuat zat seperti batu bara, gas, minyak, atau kayu dapat

digunakan sebagai bahan bakar, sedangkan yang lain tidak? Untuk menjawab

pertanyaan ini mari kita perhatikan proses pembakaran, proses pembangkitan energi

yang paling umum. Pembakaran adalah proses kimia di mana bahan bakarbergabung cepat dengan oksigen untuk melepaskan energi dan membentuk produk,

biasanya karbon dioksida dan air. Dalam sebuah transformasi kimia, energi potensial

reaktan lebih besar daripada produk. Karena energi bersifat kekal, maka perbedaan

energi antara produk dan reaktan akan dilepaskan, terutama sebagai panas.

Misalnya proses pembakaran metana, CH4, komponen utama gas alam,

bahan bakar utama pemanasan-rumah. Produk utamanya adalah karbon dioksida

dan uap air. Dalam Bab 1, Kita telah menuliskan persamaan pembakaran.



115

4 2 2 22 2CH g O g CO g H O g energi [4,1]

Meskipun reaksi kimia sering ditulis tanpa termasuk "energi" di kedua sisi, di sini

kita melakukannya untuk menekankan perubahan energi yang terkait dengannya.

Reaksi ini eksotermis, istilah yang diterapkan pada setiap perubahan kimia atau fisikdisertai dengan pelepasan panas. Tidak mengherankan, jumlah panas yang

dihasilkan tergantung pada jumlah bahan bakar yang dibakar.

Jumlah energi panas dilepaskan dalam reaksi pembakaran dapat ditentukan

secara eksperimental dengan alat yang disebut kalorimeter (Gambar 4.5). Sejumlah

massa tertentu bahan bakar dan kelebihan oksigen dimasukkan ke dalam berdinding

berat stainless steel "bom." Bom tersebut kemudian disegel dan tenggelam dalam

seember air. Reaksi dimulai dengan arus listrik yang membakar melalui kawat

sekering. Panas berevolusi dengan reaksi eksotermis mengalir dari bom ke air dan

seluruh aparatus. Akibatnya, suhu sistem kalorimeter keseluruhan meningkat. Jumlah

panas yang dilepaskan oleh reaksi dapat dihitung dari suhu naik ini dan dikenal

menyerap panas properti dari kalorimeter dan air yang dikandungnya. Semakin besar

kenaikan suhu, semakin besar jumlah energi yang dilepaskan oleh reaksi.

Gambar 4.5

Gambar skematik dari kalorimeter bom.

Eksperimen pengukuran semacam ini merupakan sumber nilai yang sering

disebut dengan kalor pembakaran. Seperti namanya, panas pembakaran adalah

jumlah energi panas yang dilepaskan ketika jumlah tertentu zat terbakar dalam

oksigen. Kalor pembakaran biasanya dilaporkan sebagai nilai-nilai positif dalam

kilojoule per mol (kJ/mol), kilojoule per gram (kJ/g), kilokalori per mol (kkal/mol), atau

kilokalori per gram (kkal/g). Kesetaraan energi dari berbagai makanan juga biasanya

ditentukan dengan kalorimetri. Panas ditentukan secara eksperimental pembakaran

metana adalah 802,3 kJ. Ini berarti 802,3 kJ panas dilepaskan ketika 1 mol CH4 (g)

bereaksi dengan 2 mol O2 (g) untuk membentuk 1 mol CO2 (g) dan 2 mol H2O (g)

(lihat Persamaan 4.1). Kita juga dapat menghitung jumlah kilojoule dilepaskan ketika



116

satu gram metana dibakar. Molar massa CH4, dihitung dari massa atom karbon dan

hidrogen, adalah 16,0 g/mol. Panas pembakaran per gram metana (kJ/g) diperoleh

sebagai berikut:

4

802,3

1

kJ

molCH

41molCH

4

450,116,0 kJ g CH gCH

Panas yang dilepaskan menunjukkan penurunan energi dari sistem kimia selama

reaksi. Dengan kata lain, reaktan (metana dan oksigen) berada pada energi potensial

lebih tinggi dari produk (karbon dioksida dan uap air). Oleh karena itu, pembakaran

metana analog dengan air yang terjadi selama jatuh atau benda jatuh. Dalam semua

perubahan ini, energi potensial berkurang dan diubah menjadi bentuk energi lain

(panas, suara, cahaya, dll). Tanda negatif tradisional melekat pada perubahan energi

untuk semua reaksi eksotermis menandakan penurunan ini. Misalnya, perubahan

energi untuk pembakaran metana -802,3 kJ/mol.

Gambar 4.6 adalah representasi skematis dari proses ini. Panah bawah menunjukkan

bahwa energi yang berkaitan dengan 1 mol CO2 (g) dan 2 mol H2O (g) kurang darienergi yang berkaitan dengan 1 mol CH4 (g) dan 2 mol O2 (g). Perbedaan energi

antara produk dan reaktan yang demikian memiliki kuantitas negatif, seperti halnya

untuk semua reaksi eksotermis. Dalam pembakaran metana, perbedaan energi

adalah -802,3 kJ.

Gambar 4.6

Perbedaan energi dalam pembakaran metana, reaksi eksotermis.

Meskipun semua reaksi kimia digunakan untuk menghasilkan energi adalah

eksotermik, banyak reaksi alami, seperti fotosintesis, justru menyerap energi saat

reaksi ini terjadi. Anda telah menemui dua contoh penting dalam kimia atmosfer.

Salah satunya adalah dekomposisi O3 untuk menghasilkan O2 dan O, dan yang

lainnya adalah kombinasi dari N2 dan O2 untuk menghasilkan dua molekul NO. Kedua

reaksi membutuhkan energi yang bisa dalam bentuk pelepasan listrik, sebuah foton

energi tinggi, atau suhu tinggi. Reaksi-reaksi ini endotermik, istilah yang diterapkan



117

pada setiap perubahan kimia atau fisik yang menyerap energi. Situasi ini muncul

ketika energi potensial dari produk lebih tinggi dari energi potensial reaktan.

Perubahan energi untuk reaksi endotermik selalu positif.

Energi potensial dari setiap spesies kimia tertentu berhubungan dengan

ikatan kimia yang terlibat dalam molekulnya. Pada bagian berikut, kitamenggambarkan bagaimana pengetahuan struktur molekul dapat digunakan untuk

menghitung kalor pembakaran dan memungkinkan kita untuk memahami beberapa

perbedaan antara bahan bakar.

4.4 Perubahan Energi Pada Tingkat Molekul

Pada bagian sebelumnya, kita belajar kita bisa mengukur perubahan

eksperimental energi terkait dengan banyak reaksi, baik eksotermik atau endotermik.

Sekarang kita mengalihkan perhatian kita untuk menjelaskan asal-usul perubahan

energi. Reaksi kimia melibatkan penataan ulang atom, ikatan kimia yang putus dan

terbentuk. Energi yang dibutuhkan untuk memutuskan ikatan, seperti energi yang

dibutuhkan untuk memutus rantai atau merobek kertas. Sebaliknya, pembentukan

ikatan kimia adalah proses eksotermis di mana energi dilepaskan. Perubahan energi

keseluruhan yang terkait dengan reaksi kimia tergantung pada efek bersih dari

pemutusan dan pembentukan ikatan ini. Jika energi yang dibutuhkan untukmelepaskan ikatan pada reaktan (endotermik) lebih besar dari energi yang dilepaskan

(eksotermik) ketika membentuk produk, reaksi keseluruhan endotermik , energi akan

diserap. Sebaliknya, Jika, eksotermik energi ikatan-pembuatan produk lebih besar

dari pemecahan ikatan endotermik dalam reaktan, maka perubahan energi bersih

adalah eksotermis, energi dilepaskan oleh reaksi.

Sebagai contoh, perhatikan pembakaran hidrogen. Saat ini banyak diteliti

mengenai hidrogen sebagai bahan bakar karena besarnya jumlah energi per gram

yang dilepaskan bila terbakar. Kita bisa menghitung perubahan energi total yang

berkaitan dengan pembakaran hidrogen untuk membentuk uap air, yang diwakili oleh

persamaan 4.2.

2 2 22 2 H g O g H O g energi [4,2]Pendekatan yang akan kami mengambil adalah untuk menganggap bahwa semua

energi pada molekul reaktan yang rusak dan kemudian atom individu dipasang

kembali ke dalam molekul produk. Bahkan, reaksi tidak terjadi seperti itu. Tapi kita

tertarik hanya keseluruhan (netto) perubahan, bukan rinciannya. Oleh karena itu, kita

akan melanjutkan dengan rencana nyaman kita dan melihat seberapa baik hasil yang

kita dihitung sesuai dengan nilai eksperimental.



118

Angka-angka yang kita butuhkan untuk perhitungan diberikan dalam Tabel

4.2, daftar dari energi ikatan yang terkait dengan berbagai ikatan kovalen. Energi

ikatan adalah jumlah energi yang harus diserap untuk memecah ikatan kimia yang

spesifik. Dengan demikian, karena energi harus diserap, memecah ikatan merupakan

proses endoterm, dan semua energi ikatan dalam Tabel 4.2 positif. Jelas, jumlahenergi yang dibutuhkan tergantung pada jumlah ikatan yang dipurus: lebih banyak

pemutusan maka akan mengambil lebih banyak energi. Biasanya, energi ikatan

dinyatakan dalam kilojoule per mol. Perhatikan bahwa atom muncul baik di bagian

atas dan bawah sisi kiri Tabel 4.2. Jumlah di persimpangan setiap baris dan kolom

adalah energi (dalam kilojoule) diperlukan untuk memecah mol yang menghubungkan

dua atom. Sebagai contoh, energi ikatan H--H, seperti pada molekul H2, adalah 436

kJ/mol. Demikian pula, energi yang dibutuhkan untuk memecah 1 mol O--O ikatan

ganda adalah 498 kJ, seperti dicatat dari bagian bawah tabel. Energi ikatan untuk

ikatan rangkap lainnya, serta untuk beberapa ikatan rangkap tiga, juga diberikan

dalam tabel.

Sumber: Data dari Darrell D. surut, Kimia Umum, Edisi Keempat, 1993 Houghton

Mifflin Co. Data berasal dari Kimia Anorganik: Prinsip Struktur dan Reaktivitas, EdisiKetiga, oleh James E. Huheey, 1983, Addison Wesley Longman.

Kita perlu untuk melacak perubahan energi yang terlibat dalam setiap

pemutusan-ikatan atau proses pembuatan ikatan dan apakah energi yang diambil

atau dilepaskan. Untuk melakukan ini, kami mengasumsikan bahwa energi yang

diserap membawa tanda positif, seperti deposito untuk buku cek Anda. Di sisi lain,

energi yang dilepaskan adalah seperti uang yang dihabiskan, melainkan bertanda

negatif. Energi ikatan positif karena mereka mewakili energi yang diserap ketika



119

ikatan diputus. Namun pembentukan ikatan melepaskan energi, dan karenanya

terkait perubahan energi negatif. Misalnya, energi ikatan untuk ikatan ganda O-to-O

adalah 498 kJ/mol. Ini berarti bahwa ketika 1 mol O-to-O ikatan rangkap rusak,

perubahan energi +498 kJ, Sejalan, ketika 1 mol O-to-O ikatan rangkap terbentuk,

perubahan energi -498 kJ.Sekarang kita akhirnya siap untuk menerapkan konsep-konsep dan konvensi

untuk pembakaran gas hidrogen, H2. Pertama, kita perlu menentukan berapa banyak

mol ikatan yang rusak dan berapa banyak mol ikatan terbentuk. Kita dapat

melakukannya dengan menggambar struktur Lewis dari spesies seperti yang

ditunjukkan pada persamaan 4.3.

[4,3]

Ingat bahwa persamaan kimia dapat dibaca dalam hal mol. Kedua

persamaan

4.2 dan 4.3 menunjukkan "2 mol H2 (g) ditambah 1 mol O2 (g) menghasilkan 2 mol airgas (uap air)." Tapi untuk menggunakan energi ikatan, kita perlu menghitung jumlah

mol ikatan terlibat. Karena setiap molekul H2 berisi satu H--H ikatan, 1 mol H2 harus

berisi 1 mol ikatan H--H. Demikian pula, persamaan 4.3 menunjukkan bahwa 1 mol

O2 berisi 1 mol O--O ikatan ganda. Setiap mol air mengandung 2 mol ikatan H--O,

dengan demikian, 2 mol air mengandung 4 mol H--O ikatan. Oleh karena itu, kita

sekarang memiliki jumlah mol ikatan untuk putus (2 mol H--H dan 1 mol O--O rangkap)

dan mereka yang akan dibentuk (4 mol H--O). Jumlah ini ikatan ini kemudian dikalikan

dengan energi ikatan perwakilan, menggunakan konvensi tanda yang cocok (+ untuk

ikatan yang putus; - Untuk ikatan yang terbentuk). Akibatnya, perubahan energi

secara keseluruhan dalam pemutusan ikatan (872 kJ + 498 kJ = 1370 kJ) dan

membentuk yang baru (- 1868 kJ) adalah - 498 kJ.

Sebuah representasi skematis dari perhitungan ini disajikan pada Gambar

4.7. Energi dari reaktan, 2 H2 dan O2, ditetapkan sebesar nol. Panah hijau menunjuk

ke atas menandakan energi yang diserap untuk memutuskan ikatan dan mengubahmolekul reaktan menjadi atom individu : 4 H dan 2 O. panah merah di sebelah kanan

menunjuk ke bawah mewakili energi yang dilepaskan sebagai atom-atom ini

tersambung kembali dengan ikatan baru untuk membentuk molekul produk : 2 H2O.

Panah pendek merah sesuai dengan perubahan energi bersih -498 kJ menandakan

bahwa reaksi pembakaran secara keseluruhan sangat eksotermis. Pelepasan panas

sesuai dengan penurunan energi dari sistem kimia, yang menjelaskan mengapa

perubahan energi negatif. Hasil akhirnya adalah pelepasan energi, sebagian besar

dalam bentuk panas. Cara lain untuk melihat reaksi eksotermis tersebut sebagai



120

konversi reaktan dengan ikatan yang lemah untuk menghasilkan produk dengan

ikatan yang kuat. Secara umum, produknya lebih stabil dan kurang reaktif dari

substansi awal.

Kita juga bisa menggunakan energi ikatan dari Tabel 4.2 untuk menghitung

perubahan energi untuk pembakaran metana. Sekali lagi, hal ini berguna untukmenulis struktur Lewis untuk setiap spesies dalam reaksi seperti pada persamaan

4.4.

Gambar 4.7

Perubahan energi selama pembakaran hidrogen untuk membentuk air.

Satu mol metana berisi 4 mol ikatan C--H, masing-masing dengan energi

ikatan 416 kJ. Pemutusan 2 mol ikatan ganda O--O membutuhkan 996 kJ (2 x 498

kJ). untuk membentuk produk, 2 mol ikatan ganda C--O dalam 1 mol CO 2 (2 x 803

kJ), dan 4 mol ikatan H--O dalam 2 mol air (4 x 467 kJ) adalah diperlukan. Perhatikanlagi bahwa pembentukan ikatan adalah eksotermik, dan energi ikatan terkait memiliki

tanda minus.



121

Perubahan total energi dalam memecah ikatan= (+1664 kJ) + ( +996 kJ) = +2660 kJ

Perubahan total energi dalam membuat ikatan= ( -1606 kJ) + ( -1868 kJ) = -3474 kJ

Perubahan energi bersih = ( +2660 kJ) + ( -3474 kJ) = -814 kJ

Kalor pembakaran, dengan konvensi, terdaftar sebagai nilai-nilai positif. Dengan

demikian, panas pembakaran metana dihitung dengan menggunakan energi ikatanadalah +814 kJ.

Perubahan energi yang kita hitung hanya dari energi ikatan, -498 kJ untuk

pembakaran 1 mol hidrogen dan -814 kJ untuk pembakaran 1 mol metana, lebih

menguntungkan dibandingkan dengan ditentukan nilai eksperimental. Ini bukan apa

yang sebenarnya terjadi. Tapi perubahan energi yang menyertai reaksi kimia

tergantung pada perbedaan energi antara produk dan reaktan, bukan pada proses

tertentu, mekanisme, atau langkah-langkah individu yang menghubungkan dua. Ini

adalah ide yang sangat kuat ketika melakukan perhitungan terkait dengan perubahan

energi dalam reaksi.

Tidak semua perhitungan seperti yang telah kita lakukan. Untuk satu hal,energi ikatan Tabel 4.2 hanya berlaku untuk gas, sehingga perhitungan dengan

menggunakan nilai-nilai ini akan sesuai dengan eksperimen hanya jika semua

reaktan dan produk berada dalam keadaan gas. Selain itu, energi ikatan ditabulasikan

adalah nilai rata-rata. Kekuatan ikatan tergantung pada struktur keseluruhan dari

molekul yang ditemukan, dalam kata lain, pada bagaimana atom terikat. Dengan

demikian, kekuatan ikatan OH sedikit berbeda di HOH, HOOH, dan CH 3OH. Namun

demikian, prosedur digambarkan di sini adalah cara yang berguna untuk

memperkirakan perubahan energi dalam berbagai reaksi. Pendekatan ini juga

membantu menggambarkan hubungan antara kekuatan ikatan dan energi kimia.

Analisis ini juga membantu menjelaskan mengapa H2O atau CO2 yang

terbentuk dalam reaksi pembakaran tidak dapat digunakan sebagai bahan bakar.Tidak ada zat di mana senyawa ini dapat dikonversi yang memiliki ikatan kuat dan

lebih rendah dalam energi, kita tidak bisa menjalankan mobil pada knalpotnya.

4.5 Kebutuhan Kita akan BBM

Hampir mustahil untuk memahami luasnya jumlah bahan bakar fosil yang

telah kita bakar di seluruh dunia untuk menghasilkan energi. Apa mungkin jelas,

bagaimanapun, adalah bahwa energi tidak dikonsumsi sama di seluruh dunia.

Sebagai contoh, 5% dari populasi dunia hidup di Amerika Utara mengkonsumsi

sekitar 30% dari pasokan energi dunia. Gambar 4.8 menunjukkan tren dalam



122

konsumsi energi untuk beberapa dekade terakhir, serta tingkat yang diproyeksikan

untuk 20 tahun ke depan. Data dikelompokkan ke dalam pasar ekonomi maju

(Amerika Serikat, Kanada, dan Eropa Barat), negara-negara berkembang (India,

Cina, tetapi juga termasuk Afrika dan Amerika Tengah dan Selatan), dan ekonomi

transisi dari Eropa Timur dan bekas Uni Soviet. Energi merupakan pendorong utamakemajuan industri dan ekonomi, dan oleh karena itu tidak mengherankan bahwa

produk nasional bruto sangat berkorelasi dengan produksi dan penggunaan energi.

Selain itu, begitu juga harapan hidup, mortalitas bayi, dan kecerdasan. Perhatikan

juga bahwa meskipun penggunaan energi di masing-masing ekonomi sektor

diproyeksikan meningkat di masa depan, tingkat 4,5% dari kenaikan di negara

berkembang (didominasi oleh pertumbuhan yang luar biasa di China dan India) jauh

melebihi baik ekonomi mapan (1,2%) atau transisi (1,7%). Haus global untuk energi

tidak akan padam dalam waktu dekat.

Ledakan besar dalam konsumsi energi sebenarnya relatif baru. Dua juta tahun

yang lalu, sebelum nenek moyang kita belajar untuk menggunakan api, sumber-

sumber energi yang tersedia bagi seorang individu adalah dari tubuhnya sendiri ataudari Matahari. Hominid awal mungkin mengkonsumsi setara dari 2000 kkal per hari

dan dikeluarkan sebagian besar untuk mencari makanan. Ini menggunakan energi

harian sesuai dengan yang digunakan oleh 100-W (watt) lampu bohlam yang dipakai

selama 24 jam. Penemuan api dan pemeliharan binatang telah meningkatkan energi

yang tersedia untuk individu dengan sekitar enam kali. Oleh karena itu, kami

memperkirakan bahwa sekitar 2000 tahun yang lalu, seorang petani dengan seekor

lembu atau keledai memiliki sekitar 12.000 kkal tersedia setiap hari.

Revolusi Industri membawa lima atau enam kali lipat - peningkatan pasokan

energi, sebagian besar dari batubara melalui mesin uap. Namun lompatan energi lain

terjadi selama abad 20. Pada tahun 2000, total energi yang digunakan di Amerika

Serikat (dari semua sumber dan untuk semua tujuan) berhubungan dengan sekitar650.000 kkal per orang per hari. Ini berarti untuk tahunan kesetaraan 65 barel minyak

atau 16 ton batu bara untuk setiap orang Amerika. Dalam istilah manusia, energi yang

tersedia untuk setiap penduduk Amerika Serikat akan membutuhkan kerja fisik dari

130 pekerja. Namun, masih ada orang di planet yang energinya digunakan dan gaya

hidup sangat mendekati orang-orang dari 2.000 tahun yang lalu.

Sejarah meningkatkan konsumsi energi terkait erat dengan perubahan energi

sumber dan pengembangan perangkat untuk mengekstraksi dan mengubah energi

itu. Gambar 4.9 menampilkan rata-rata konsumsi energi Amerika dari berbagai

sumber sejak 1800. Grafik menunjukkan bahwa kayu awalnya merupakan sumber

energi utama di Amerika Serikat, dan terus begitu sampai akhir 1880-an ketika kayu

dikalahkan oleh batubara. Batubara menyediakan lebih dari 50% dari energi bangsasejak saat itu sampai sekitar tahun 1940. Pada tahun 1950, minyak dan gas adalah

sumber energi yang lebih dari setengah dari yang digunakan di negara ini. Fisi nuklir,

sangat dipuji sebagai sumber energi hampir tak terbatas, belum mencapai potensi

penuh untuk berbagai alasan. Air yang jatuh telah lama digunakan untuk daya pabrik

dan, baru-baru ini, untuk menghasilkan listrik, tetapi memberikan hanya sebagian

kecil dari total energi kita. Sampah, alkohol, panas bumi, angin, matahari dan sumber-

sumber lainnya "energi terbarukan" yang dikombinasikan hampir tidak akan terlihat

pada grafik ini, dan baru muncul hanya dalam 10 tahun terakhir.



123

Gambar 4.8

Sejarah (titik data) dan proyeksi (garis solid) masa depan konsumsi energi di

seluruh dunia. EE = Eropa Timur, FSU = bekas Uni Soviet.

Sumber: Tinjauan Energi Tahunan 2005, Departemen Energi/EIA.

Bagaimana kita memilih bahan bakar? Bahan seperti batu bara, minyak, dan

gas alam memiliki banyak sifat yang diperlukan dalam bahan bakar. Mereka berisi

konten energi yang besar, nilai untuk beberapa bahan bakar muncul dalam Tabel 4.3.

Jumlah besar tampaknya tersedia sebagai sumber daya "alami", yang akan habis

dipanen. Dari mana cadangan ini datang? Sesungguhnya, bahan bakar fosil ini

adalah sinar matahari yang berada dalam keadaan padat, cair, dan gas. Sebagianbesar energi yang mendorong mesin ekonomi kita berasal dari sisa-sisa masa lalu.

Sinar matahari ditangkap jutaan tahun yang lalu oleh tanaman hijau yang

berfotosintesis di planet prasejarah. Reaksi yang sama juga dilakukan oleh tanaman

saat ini.



124

Gambar 4.9

Sejarah konsumsi energi AS menurut sumber, 1800-2005 (1 EJ = 1018 J).

Sumber: Tinjauan Energi Tahunan 2005, Departemen Energi/EIA.

[4,5

]

Konversi karbon dioksida dan air menjadi glukosa dan oksigen ini adalahendotermik. Hal ini membutuhkan penyerapan 2800 kJ sinar matahari per mol

C6H12O6 atau 15,5 kJ/g glukosa terbentuk. Reaksi tidak bisa terjadi tanpa penyerapan

energi dan partisipasi molekul pigmen hijau yang disebut klorofil. Klorofil berinteraksi

dengan foton sinar matahari terlihat dan menggunakan energi mereka untuk

mendorong proses fotosintesis, suatu reaksi yang sangat cepat dan penuh energi.

Anda sudah menyadari peran penting dari fotosintesis pada generasi awal

oksigen di atmosfer bumi, dalam menjaga keseimbangan karbon dioksida planet, dan

menyediakan makanan dan bahan bakar untuk makhluk seperti kita. Selama

respirasi, proses dimana manusia dan hewan mempertukarkan oksigen yang

diperlukan untuk metabolisme dengan karbon dioksida yang dihasilkan oleh reaksi

itu, kita pada dasarnya menjalankan kebalikan fotosintesis.[4,6]

Kita mengekstrak 2800 kJ yang dilepas per mol glukosa " terbakar " dan

menggunakan energi itu untuk daya otot dan saraf kita, meskipun kita tidak

melakukannya dengan efisensi yang sempurna (lihat skeptis Chymist 4.3). Reaksi

keseluruhan yang sama terjadi ketika kita membakar kayu, yang terutama selulosa,

polimer yang terdiri dari pengulangan unit glukosa.



125

Ketika tanaman mati dan membusuk, mereka juga sebagian besar berubah

menjadi CO2 dan H2O. Namun, dalam kondisi tertentu, glukosa dan senyawa organik

lain yang membentuk tanaman hanya sebagian membusuk dan residunya masih

mengandung sejumlah besar karbon dan hidrogen. Kondisi tersebut muncul di

berbagai sungai di masa lalu prasejarah planet kita, ketika sejumlah besar tanamanhidup yang terkubur di bawah lapisan sedimen di rawa-rawa atau di dasar laut. Pada

kondisi ini, sisa-sisa materi sayuran dilindungi dari oksigen atmosfer, dan proses

dekomposisi dihentikan. Namun, transformasi kimia lainnya terjadi pada suhu tinggi

dan tekanan tinggi reaktor bumi. Selama jutaan tahun, tanaman yang menangkap

sinar dari matahari muda diubah menjadi fosil yang kita sebut batu bara dan minyak

bumi. Jacob Bronowski, dalam bukunya Biografi tentang Atom - Dan Semesta, tepat

menggambarkan siklus dengan mengatakan, "Kamu akan mati tapi karbon tidak

akan, karirnya tidak berakhir dengan Anda... itu akan kembali ke tanah, dan ada

tanaman mungkin mengambilnya kembali dalam waktu, mengirim sekali lagi pada

siklus tanaman dan kehidupan binatang". Jadi, dalam arti, bahan bakar fosil yang

terbarukan, tapi tidak berada dalam kerangka waktu yang membantu manusia.

4.6 Batubara

Eksploitasi besar bahan bakar fosil dimulai dengan Revolusi Industri, sekitar

dua abad yang lalu. Mesin uap yang baru dibangun dikonsumsi dalam jumlah besar

bahan bakar, tapi di Inggris, di mana revolusi dimulai, sebagian besar hutan sudah

telah ditebang. Batubara ternyata menjadi sumber energi yang lebih baik daripada

kayu karena menghasilkan lebih banyak panas per gram (lihat Tabel 4.3). Pada tahun

1960, sebagian besar batubara digunakan untuk menghasilkan listrik dan pada 2004,

sektor listrik menyumbang 92% dari seluruh konsumsi batubara.

Batubara merupakan campuran kompleks dari zat. Meski bukan satu senyawa

tunggal, batubara dapat didekati dengan rumus kimia C135H96O9NS. Formula ini

sesuai dengan kandungan karbon dari 85% massa. Karbon, hidrogen, oksigen,

nitrogen, dan atom belerang berasal dari bahan tanaman prasejarah asli. Selain itu,

beberapa sampel batubara biasanya mengandung sejumlah kecil silikon, natrium,

kalsium, aluminium, nikel, tembaga, seng, arsenik, timbal, dan merkuri.

Batubara terjadi dalam berbagai tingkatan kualitas, tapi tingkat apa pun,

batubara merupakan bahan bakar yang lebih baik daripada kayu karena mengandung



126

persentase yang lebih tinggi dari karbon dan persentase yang lebih rendah dari

oksigen dan air. Lignit lembut atau brown coal , adalah tingkatan terendah (Gambar

4.10). Bahan tumbuh-tumbuhan yang membuat jenis batubara ini telah mengalami

perubahan yang paling sedikit, dan komposisi kimianya masih mirip dengan kayu atau

gambut. Akibatnya, panas pembakaran lignit hanya sedikit lebih besar dari kayu(Tabel 4.4). Nilai yang lebih tinggi dari batubara, bitumen dan antrasit, telah terkena

tekanan yang lebih tinggi di Bumi. Dalam prosesnya, mereka kehilangan lebih banyak

oksigen dan kelembaban dan menjadi banyak lebih keras-lebih bermineral dari

tumbuhan asalnya (lihat Gambar 4.10). Persentase karbon tinggi seperti panas

pembakaran. Antrasit memiliki kandungan karbon yang sangat tinggi dan konsentrasi

rendah sulfur, yang membuat keduanya menjadi batubara dengan kualitas yang

paling diinginkan. Sayangnya, deposito antrasit relatif kecil, dan di Amerika Serikat

pasokannya hampir habis. Kita sekarang lebih mengandalkan bituminous dan

batubara subbituminous.

Gambar 4.10

Sampel antrasit (kiri) dan batubara lignit (kanan).

Secara umum, semakin sedikit oksigen senyawa yang ada, maka semakin

banyak energi per gram senyawa itu yang akan dilepaskan pada proses pembakaran.

Sebagai contoh spesifik, pembakaran 1 mol karbon untuk membentuk karbon

dioksida dihasil sekitar 40% lebih banyak energi daripada yang diperoleh dari

pembakaran 1 mol karbon monoksida. Yang pasti, batubara merupakan campuran,

bukan senyawa, tetapi prinsip yang sama berlaku. Batubara antrasit dan bituminus



127

terutama terdiri dari karbon. Panas dari pembakaran mereka, gram per gram, sekitar

dua kali lipat dari lignit, yang berisi persentase karbon yang lebih rendah.

Meskipun pasokan batubara global besar dan tetap menjadi bahan bakar

yang banyak digunakan, batubara memiliki beberapa kelemahan serius. Masih terjadi

kesulitan untuk memperoleh, dan penambangan bawah tanah adalah sangatberbahaya dan mahal. Sejak 1900, lebih dari 100.000 pekerja tewas di tambang batu

bara Amerika oleh kecelakaan, di dalam gua, kebakaran, ledakan, dan gas beracun.

Banyak lagi telah terluka atau lumpuh oleh penyakit pernapasan. Keselamatan

tambang telah secara dramatis meningkat di Amerika Serikat dalam beberapa tahun

terakhir, tetapi industri ini tetap masih berbahaya di negara-negara seperti China, di

mana lebih dari 4.700 kematian pertambangan dilaporkan di tahun 2006 saja.

Teknik pertambangan aman dapat digunakan jika deposit batubara berada

dekat dengan permukaan. Vegetasi yang ada di atas, tanah dan batuan akan dihapus

untuk mengambil lapisan batubara, yang kemudian dihapus oleh mesin-mesin berat.

"Strip pertambangan" ini harus dilakukan dengan hati-hati untuk mencegah

kerusakan lingkungan yang serius. Peraturan yang berlaku di Amerika Serikatmemerlukan penggantian bumi dan tanah dan penanaman pohon dan vegetasi di

bekas lokasi tambang. Di masa lalu, namun, peraturan ini tidak di tempat untuk

mencegah lubang besar di bumi dan tumpukan mengikis tanah yang masih ada

daerah strip tambang ditinggalkan. Setelah batubara yang keluar dari tanah,

transportasi adalah kesulitan kedua dan mahal karena batubara itu berwujud padat.

Tidak seperti minyak dan gas, batu bara tidak dapat dipompa kecuali halus dibagi dan

tergantung di sebuah bubur air.

Kerugian lain adalah bahwa batubara adalah bahan bakar kotor. Hal ini, tentu

saja, secara fisik kotor, tapi pembakaran produknya yang kotor adalah lebih serius.

Jelaga sisa pembakaran dari api batubara yang tak terhitung jumlahnya di abad ke-

20 ke-19 dan awal menghitam kedua bangunan dan paru-paru di banyak kota-kotaindustri. Kurang terlihat tetapi sama-sama merusak adalah oksida nitrogen

(konsekuensi dari suhu tinggi yang terlibat) dan oksida sulfur (yang timbul dari setiap

hadir sulfur dalam batu bara). Di Amerika Serikat, pembangkit listrik pembakaran batu

bara bertanggung jawab untuk dua pertiga emisi sulfur dioksida dan seperlima dari

emisi nitrogen oksida. Gas-gas ini adalah penyebab utama hujan asam. Meskipun

batubara mengandung hanya sejumlah kecil merkuri (50-200 ppb), merkuri

terkonsentrasi pada fly ash yang lolos sebagai materi partikulat ke atmosfer atau abu

"bawah" yang tersisa. Di Amerika Serikat, pembangkit listrik tenaga batu bara

memancarkan lebih dari 48 ton merkuri ke lingkungan setiap tahun. Batubara juga

memiliki kelemahan yang sama dari semua bahan bakar fosil, karbon dioksida gas

rumah kaca merupakan produk tak terhindarkan pembakarannya. Karena kandunganenergi yang lebih rendah per gram batubara dibandingkan dengan bahan bakar fosil

lainnya (lihat Tabel 4.3), lebih banyak karbon dioksida harus dibebaskan untuk

menghasilkan jumlah energi yang sama dengan pembakaran batu bara.

Karena sifat yang kurang diinginkan dan fakta bahwa cadangan batubara

relatif banyak di Amerika Serikat, upaya penelitian yang signifikan berlangsung

bertujuan untuk mengembangkan teknologi batubara baru. Walaupun mungkin

terdengar seperti sebuah ungkapan, "batu bara bersih" yang dipromosikan oleh para

pendukungnya sebagai salah satu langkah penting menuju penurunan



128

ketergantungan kita pada impor energi dan meminimalkan dampak lingkungan.

Alasam kedua penelitian teknologi batubara bersih adalah untuk meningkatkan

efisiensi dari pembangkit listrik berbahan bakar batu bara sembari mengurangi emisi

merusak lingkungan oksida sulfur dan nitrogen oksida. Misalnya, dalam pembangkit

listrik fluidized-bed, bubuk batubara dibakar dalam ledakan udara. Luas permukaanyang besar dari debu batu bara berkualitas baik berarti bahwa ia bereaksi dengan

cepat dan benar dengan oksigen. Pembakaran benar-benar terjadi pada suhu yang

lebih rendah dari yang dibutuhkan untuk menyalakan potongan yang lebih besar dari

batubara, sehingga generasi oksida nitrogen diminimalkan. Jika halus dibagi kapur

(kalsium karbonat) dicampur dengan bubuk batu bara, sulfur dioksida juga dihapus

dari gas buangan. Dengan demikian, jumlah polusi berkurang

sedangkan efisiensi pembakaran batu bara ditingkatkan.

Dengan cadangan batubara di Amerika Serikat jauh lebih tinggi daripada

semua bahan bakar fosil lainnya, penggunaan batubara hanya akan meningkat di

masa depan. Hal ini, bagaimanapun, mungkin bahwa batu bara tidak akan dibakar

dalam bentuk akrab, melainkan diubah menjadi lebih bersih dan lebih nyaman cairdan bahan bakar gas. Setelah kita membahas minyak bumi, kita akan mengalihkan

perhatian kita beberapa alternatif pemanfaatan batubara.

4.7 Petroleum

Kebanyakan orang di kota-kota di Amerika akan sulit untuk menemukan

bongkahan batubara dalam kehidupan sehari-hari. Memang, beberapa dari Anda

mungkin pernah melihat batubara, tapi pasti Anda semua pernah melihat bensin.

Sekitar tahun 1950, minyak bumi melampaui batubara sebagai sumber energi utama

di Amerika Serikat. Alasannya relatif mudah dipahami. Minyak, seperti batu bara,

berasal dari pembusukan bahan organik. Namun, ia memiliki keuntungan yang

berbeda karena berbentuk cairan, sehingga mudah dipompa ke permukaan darialam, kolam minyak yang di bawah tanah, diangkut melalui pipa, dan secara otomatis

ke titik penggunaan. Selain itu, minyak bumi merupakan sumber energi yang lebih

terkonsentrasi daripada batu bara, menghasilkan sekitar 40-60% lebih banyak energi

per gram. Energi yang khas adalah 48 kJ/g untuk minyak dan 30 kJ/g untuk batubara.

Komponen utama diekstrak dari minyak bumi (crude oil) adalah bensin.

Meskipun telah diekstrak sejak pertengahan 1800-an, bensin masih menjadi material

yang berharga dan penting hanya dengan munculnya mobil dan mesin pembakaran

internal pada awal abad ke-20. Pada tahun 2005, 117 miliar galon bensin dibakar di

lebih dari 220 juta mobil Amerika, SUV, dan truk ringan yang bepergian menempuh

sekitar 2,6 triliun kilometer. Di negara Amerika, kemampuan negara ini untuk

mengkonsumsi bensin telah jauh melampaui kemampuannya untuk memproduksinyadari minyak mentah. Dengan 5% dari populasi dunia, penduduk Amerika

mengkonsumsi 25% dari minyak yang diproduksi di seluruh dunia. Sebelum tahun

1950, Amerika hampir tidak mengimpor minyak. Pada pertengahan 1970-an, Amerika

Serikat telah memproduksi hanya sekitar dua pertiga dari minyak mentah yang

dibutuhkan untuk daya mobil dan pabrik-pabrik, menghangatkan rumah, serta

melumasi mesin nya (Gambar 4.11).

Ketergantungan Amerika pada minyak yang kuat dari luar negeri berlanjut hari

ini, meningkat dari 4,3 juta barel per hari pada 1985- menjadi 13000000 barel per hari



129

pada tahun 2004, dan sekarang menyumbang 60% dari total penggunaan minyak

Amerika. Pada tahun 2004, Amerika Serikat mengimpor minyak dari 89 negara yang

berbeda, 8 atas yang ditunjukkan pada Gambar 4.12. Sebuah fraksi yang signifikan

dari impor berasal dari wilayah politik stabil, termasuk Teluk Persia dan Venezuela.

Gambar 4.11

US petroleum penggunaan produk, produksi dalam negeri dan impor. Saat ini, lebih

dari 60% dari total minyak yang digunakan di Amerika Serikat diimpor, dan proyeksi

menunjukkan impor minyak akan terus meningkat.

Sumber: Departemen Energi, Administrasi Informasi Energi, Energi Ulasan

Tahunan 2005.

Gambar 4.12

Sumber minyak mentah dan produk minyak bumi yang diimpor oleh Amerika

Serikat pada tahun 2004. Sumber: EIA/DOE.

Sebagai bangsa, nafsu rakus Amerika untuk minyak tercermin dari konsumsi

rata-rata hampir 22 juta barel minyak setiap hari di tahun 2005, minyak cukup untukmenutupi lapangan sepak bola dengan tinggi kolom minyak lebih dari 2500 ft. Dua

pertiga dari ini adalah untuk transportasi. Tidak seperti batubara, bagaimanapun,

minyak mentah belum siap untuk segera digunakan ketika diekstrak dari tanah.

Minyak mentah pertama harus dimurnikan (disuling), sebuah proses yang telah

memberikan pekerjaan yang menguntungkan bagi banyak ahli kimia dan insinyur

kimia (dan beberapa orang lain). Hal ini juga telah menyediakan berbagai produk

yang menakjubkan.



130

Petroleum merupakan campuran kompleks ribuan senyawa yang berbeda.

Mayoritas adalah hidrokarbon, molekul yang terdiri dari hanya hidrogen dan atom

karbon. Hidrokarbon dalam minyak bumi dapat mengandung dari 1 sampai sebanyak

60 atom karbon per molekul. Satu set alkana, hidrokarbon dengan hanya ikatan

tunggal antara atom karbon, dapat dilihat pada Tabel 4.5. Konsentrasi sulfur danunsur pengotor lain umumnya cukup rendah, meminimalkan emisi gas yang merusak

lingkungan.

Kilang minyak telah menjadi ikon dari industri perminyakan (Gambar 4.13).

Selama satu langkah dalam proses penyulingan, minyak mentah dipisahkan menjadi

fraksi yang terdiri dari senyawa dengan sifat yang mirip. Sebuah proses fisik yang

disebut distilasi fraksinasi menyelesaikan ini. Distilasi adalah proses pemisahan

dimana suatu larutan dipanaskan sampai titik didih dan uap dikondensasikan dan

dikumpulkan. Untuk menyaring (fraksinasi) minyak mentah, itu dipompa ke dalam

wadah berukuran industri (besar) dan dipanaskan. Dengan meningkatnya suhu,

komponen dengan titik didih terendah adalah yang pertama untuk menguapkan.

Molekul-molekul dari komponen titik didih rendah melepaskan diri dari cairan danmenguap pada menara distilasi tinggi. Dengan peningkatan suhu lebih lanjut, fraksi

didih lebih tinggi dari campuran menguap, tetapi molekul mereka tidak melakukan

perjalanan sebagai tinggi menara. Pada tingkat yang berbeda dalam menara,

masing-masing fraksi terkondensasi kembali ke keadaan cair.

Gambar 4.14 mengilustrasikan menara distilasi dan daftar beberapa fraksi

yang diperoleh. Ini termasuk gas seperti metana, cairan seperti bensin dan minyak

tanah, dan padatan berlilin seperti parafin. Perhatikan bahwa titik didih meningkat

dengan meningkatnya jumlah atom karbon dalam molekul dan karenanya dengan

meningkatnya massa molekul dan ukuran.

Molekul yang lebih berat dan yang lebih besar tertarik satu sama lain lebih

kuat dibanding molekul yang lebih ringan, molekul yang lebih kecil. Pada gilirannya,suhu yang lebih tinggi diperlukan untuk menguapkan senyawa dengan massa

molekul yang lebih tinggi dan ukuran yang lebih besar.

Berbagai fraksi disuling dari minyak mentah memiliki sifat yang berbeda dan

penggunaan yang berbeda. Memang, keragaman yang besar dari produk yang

diperoleh telah membuat minyak bumi merupakan sumber yang sangat berharga

sebagai materi dan energi. Komponen yang paling volatile minyak bumi, gas kilang,

mendidih jauh di bawah suhu kamar. Gas kilang yang sering digunakan sebagai

bahan bakar untuk mengoperasikan menara distilasi. Mereka juga dapat dicairkan

menjari gas kilang cair (LRG) dan dijual untuk digunakan di rumah atau digunakan

untuk mensintesis molekul lain oleh produsen kimia. Fraksi bensin, mengandung

hidrokarbon dengan 5-12 atom karbon per molekul, sangat penting untuk peradabanotomotif kita. Upaya merancang dan memproduksi mobil massal sebagian besar tidak

berhasil sampai minyak disediakan bahan bakar cair yang mudah dan relatif aman.

Fraksi didih yang lebih tinggi digunakan untuk bahan bakar mesin diesel dan pesawat

jet. Masih fraksi didih lebih tinggi digunakan sebagai minyak pemanas industri dan

minyak pelumas.



131

Refining per barel minyak mentah memberikan jajaran produk, dengan bensin

merupakan fraksi terbesar (Gambar 4.15). Suatu hal yang mengejutkan bahwa

sebanyak 37 galon dari hampir 45 galon dalam satu barel minyak mentah khas olahan

hanya dibakar untuk pemanasan dan transportasi. Sisanya 7,6 galon digunakan

untuk tujuan non bahan bakar, termasuk hanya 1,25 galon disisihkan untuk melayani

sebagai bahan awal tidak terbarukan (reaktan, komersial disebut bahan baku) untuk

membuat berbagai plastik, farmasi, kain, dan produk industri lainnya berbasis karbon

begitu umum dalam masyarakat kita.Sebuah diskusi tentang minyak bumi juga harus mencakup gas alam. Bahan

bakar ini (biasanya mengandung 87-96% metana, 2-6% etana, dan jumlah yang lebih

kecil dari hidrokarbon yang lebih besar, nitrogen, karbon dioksida, dan oksigen) saat

ini menyediakan panas untuk dua pertiga dari rumah keluarga tunggal dan bangunan

apartemen di Amerika Serikat. Akhir-akhir ini, telah meningkat dalam menggunakan

gas alam sebagai sumber energi untuk menghasilkan listrik dan untuk menyalakan

mobil dan truk. Sebuah keuntungan yang berbeda dari gas alam adalah bahwa

pembakarannya jauh lebih sempurna dan bersih daripada bahan bakar fosil lainnya.

Karena kemurniannya, gas sisa pembakarannya tidak mengandung sulfur dioksida

ketika dibakar. Gas alam menghasilkan hidrokarbon volatile tidak terbakar dengan

tingkat yang sangat rendah, karbon monoksida, dan nitrogen oksida, dan tidakmeninggalkan residu abu atau logam beracun seperti merkuri. Selain itu, per joule

energi yang dihasilkan, pembakaran gas alam menghasilkan karbon dioksida 30%

kurang dari minyak dan karbon dioksida 43% kurang dari batubara.



132

Gambar 4.14

Diagram dari menara distilasi minyak mentah menunjukkan berbagai fraksi dan

beberapa penggunaan yang khas.

LRG=liquefied refinery gas = gas kilang cair.

Gambar 4.15

Produk (dalam gallon) dari pemurnian 1 barel minyak mentah.

Catatan: Satu barel minyak mentah mengandung 42 galon. Namun, proses

penyulingan menambahkan sedikit volume sehingga produk total lebih dari 42

galon.



133

4.8 Memanipulasi Molekul Membuat Bensin

Distribusi senyawa diperoleh dengan penyulingan minyak mentah tidak sesuai

dengan pola penggunaan komersial yang berlaku. Misalnya, permintaan untuk bensin

jauh lebih besar dari itu untuk fraksi didih yang lebih tinggi. Beberapa proses kimiadapat digunakan setelah fraksinasi untuk mengubah distribusi alam dan untuk

mendapatkan lebih banyak bensin dengan kualitas yang lebih tinggi. Ini termasuk

cracking , combining , dan re-forming (lihat Gambar 4.14).

Cracking adalah proses kimia dimana molekul besar yang rusak menjadi

lebih kecil yang cocok untuk digunakan dalam bensin. Misalnya, hidrokarbon dengan

16 karbon dapat di ckracking menjadi dua fragmen yang hampir sama,

C16H34 C8H18 + C8H16 [4,7]

atau ke yang berukuran berbeda.

C16H34 C11H22 + C5H12 [4,8]

Perhatikan bahwa jumlah karbon dan hidrogen atom tidak berubah dari pereaksi

untuk produk. Semakin besar molekul reaktan hanya telah terpecah menjadi lebihkecil, molekul lebih ekonomis dan penting. Mewakili Persamaan 4.8 dengan model

ruang-mengisi menunjukkan perbedaan ukuran yang lebih jelas. Model C11H22 juga

menunjukkan "tikungan" di mana ikatan rangkap C--C berada.

Secara historis, thermal cracking dicapai dengan memanaskan bahan mulai

suhu tinggi. Contoh ekstrim dari thermal cracking disebut kokas. Dalam proses ini,

fraksi yang sangat terberat yang dipanaskan sampai antara 400 dan 450 ° C.

Pemanasan mengubah minyak mentah fraksi terberat "dasar" menjadi bensin dan

solar yang berguna dan meninggalkan residu karbon hampir murni.Energi yang berharga disimpan ketika katalis digunakan untuk

mempromosikan pemutusan molekul pada suhu yang lebih rendah dalam operasi

yang disebut catalytic cracking . Catalytic cracking yang berguna telah

dikembangkan oleh ahli kimia di semua perusahaan minyak besar, dan peneliti terus

menemukan proses yang lebih selektif dan murah. Kita akan membahas bagaimana

katalis mempengaruhi tingkat reaksi kimia dalam Bagian 4.10.

Jika distilasi sederhana menghasilkan molekul yang lebih kecil dari yang

diperlukan tetapi tidak cukup yang berukuran menengah penting untuk bensin,

kombinasi katalitik dapat digunakan. Dalam proses ini, molekul yang lebih kecil

bergabung untuk membentuk molekul yang berukuran sedang yang berguna.

[ 4.10 ]

Di bagian lain dari proses pemurnian yang disebut re - forming maka atom

dalam molekul dapat diatur kembali. Ternyata bahwa tidak semua molekul dengan

rumus kimia yang sama yang selalu identik. Sebagai contoh, n - oktan, komponen

penting dari bensin, memiliki rumus C8H18. Analisis yang cermat mengungkapkan 18

senyawa yang berbeda dengan formula ini. Senyawa yang berbeda dengan rumus

kimia yang sama disebut isomer . Isomer berbeda dalam struktur molekulnya - cara



134

di mana atom konstituen diatur. Dalam n - oktan (octane normal) semua atom karbon

dalam bercabang (" straight ") garis seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.16a.

Dalam isooctane, rantai karbon memiliki beberapa poin cabang seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 4.16b. Meskipun sifat kimia dan fisik dari dua isomer yang

serupa, mereka tidak identik. Sebagai contoh, titik didih n - oktan 125 ° C,dibandingkan dengan 99 ° C untuk isooctane.

Memanas pembakaran untuk n - oktan dan isooctane juga hampir identik,

tetapi bentuk lebih kompak dari senyawa yang terakhir mengindikasikan pembakaran

lebih terkendali. Dalam mesin mobil dengan tuned-baik, uap bensin dan udara ditarik

ke dalam silinder, dikompresi oleh piston, dan dinyalakan oleh percikan api.

Pembakaran normal terjadi saat busi membakar campuran bahan bakar udara dan

api depan perjalanan di seluruh ruang pembakaran cepat dan lancar sampai bahan

bakar yang dikonsumsi. Namun, kompresi saja mungkin cukup sering untuk

menyalakan bahan bakar sebelum percikan terjadi. Istilah untuk pembakaran

prematur ini adalah preignition. Ini menghasilkan efisiensi mesin yang lebih rendah

dan konsumsi bahan bakar yang lebih tinggi karena piston tidak di lokasi yang optimalketika gas terbakar. Ketukan (knocking), tekanan kekerasan dan tidak terkendali yang

mungkin beberapa kali nilai biasa untuk mesin, terjadi setelah percikan membakar

bahan bakar, yang menyebabkan campuran terbakar untuk membakar dengan

kecepatan supersonik dengan kenaikan abnormal pada tekanan. Ketukan

menghasilkan suara gemeretak logam, kehilangan kekuatan, terlalu panas, dan

kerusakan mesin saat parah.

Gambar 4.16

Gambar garis dan ruang-mengisi representasi dari (a) n-oktan dan (b) isooctane.



135

Pada tahun 1920, ketukan terbukti tergantung pada komposisi kimia dari

bensin. "Nilai oktan" dikembangkan untuk menunjuk resistensi bensin tertentu untuk

ketukan. Isooctane melakukan sangat baik dalam mesin mobil dan telah ditetapkan

memiliki nilai oktan 100. Seperti n-oktan, n-heptana adalah hidrokarbon rantai lurus,tetapi dengan lebih sedikit gugus -CH2. Ini juga memiliki kecenderungan tinggi untuk

menyebabkan ketukan dan telah ditetapkan nilai oktan 0 (Tabel 4.6). Ketika Anda

pergi ke pompa bensin dan mengisi dengan oktan 87, Anda membeli bensin yang

memiliki karakteristik yang sama ketukan sebagai campuran 87% isooktana (bilangan

oktan 100) dan 13% heptana (bilangan oktan 0). Bensin kelas yang lebih tinggi juga

tersedia: 89 oktan (ditambah biasa) dan oktan 92 (premium), ini mengandung

persentase yang lebih besar dari senyawa dengan nilai oktan lebih tinggi (Gambar

4.17).

Meskipun n-oktan memiliki rating yang buruk, adalah mungkin untuk mengatur

ulang atau "re-form" n-oktan untuk isooctane, sehingga sangat meningkatkan

kinerjanya. Penataan ulang ini dilakukan dengan melewatkan n-oktan pada katalisyang terdiri dari unsur langka dan mahal seperti platinum (Pt), palladium (Pd),

rhodium (Rh), atau iridium (Ir). Reformasi isomer untuk meningkatkan nilai oktan

menjadi penting dimulai pada akhir tahun 1970 karena upaya nasional untuk

melarang penggunaan tetraethyllead (TEL) sebagai aditif antiknock. Bahan bakar

seperti metanol, etanol, dan MTBE mengandung oksigen dan memiliki peringkat

oktan yang lebih tinggi dari isooctane. Aditif ini topik bagian berikutnya.

Gambar 4.17

Bensin tersedia dalam bermacam-macam peringkat oktan.

4.9 Bensin beroksigen

Keberadaan mobil dalam budaya AS dan kebutuhan konsekuensial untuk

bensin telah menimbulkan beberapa masalah tambahan. Penghapusan TEL sebagaiaditif penambah oktan mengharuskan penemuan aditif pengganti yang murah, mudah

untuk diproduksi, dan ramah lingkungan. Beberapa yang digunakan, termasuk etanol

dan MTBE (metil tersier butil eter), masing-masing dengan nilai oktan lebih besar dari

100 (lihat Tabel 4.6).



136

Bahan bakar dengan aditif ini disebut sebagai bensin beroksigen, campuran

turunan hidrokarbon petroleum dengan tambahan oksigen yang mengandung

senyawa seperti MTBE, etanol, atau metanol (CH3OH). Karena mereka telah berisi

oksigen, bensin oksigen membakar lebih bersih dengan menghasilkan karbon

monoksida lebih sedikit dari rekan-rekan nonoxygenated mereka, sehingga

mengurangi emisi CO. The Winter Oxyfuel Program, awalnya dilaksanakan pada

tahun 1992 sebagai bagian dari Clean Air Act Amendments, kota ditargetkan dengan

emisi CO musim dingin yang berlebihan untuk menggunakan bensin yang

mengandung oksigen 2,7% oksigen berat. Etanol adalah oksigenat utama yang

digunakan dalam program ini. Sekitar 40 kota yang ikut berpartisipasi, namun pada2005 lebih dari dua pertiga tidak lagi melaksanakan The Winter Oxyfuel Program.

Sejak tahun 1995, sekitar 90 kota dan wilayah metropolitan dengan tingkat

permukaan ozon yang terburuk telah mengadopsi the Year-Round Reformulated

Gasoline Program yang diamanatkan oleh Clean Air Act Amendments Tahun 1990.

Program ini membutuhkan penggunaan bensin reformulasi (RFGs), yaitu bensin

beroksigen yang juga mengandung persentase yang lebih rendah dari hidrokarbon

lebih tidak stabil tertentu seperti benzena ditemukan dalam bensin konvensional

nonoxygenated. RFGs tidak boleh memiliki lebih dari 1% benzena (C6H6) dan harus

mengandung minimal 2% oksigenat. Karena komposisi mereka, bensin ini menguap

kurang mudah daripada bensin konvensional, dan menghasilkan emisi karbon

monoksida yang lebih sedikit. Hidrokarbon lebih tidak stabil dalam bensinkonvensional telah terlibat dalam ozon troposfer formasi, terutama di lalu lintas padat

di daerah metropolitan. Saat ini, sekitar 35% dari bensin AS dirumuskan (yaitu, RFG)

yang hampir 45% mengandung MTBE.

Penggunaan RFGs dan bensin beroksigen mencontohkan situasi risiko-

manfaat. Potensi manfaat cukup besar. Mengganti bensin konvensional dengan

RFGs telah menghasilkan keuntungan substansial. Dimulai dengan tahap kedua dari

program RFG pada bulan Januari 2000, EPA memperkirakan penurunan tahunan

minimal 100 ribu ton asap pembentuk polusi dan lebih dari 20 ribu ton bahan beracun

melalui penggunaan RFGs. Namun, bahan bakar ramah lingkungan ini mungkin tidak

bebas risiko, mereka belum digunakan cukup lama untuk kemungkinan efek

merugikan jangka panjang, jika ada. Keprihatinan kesehatan mengenai pusat MTBEpada kelarutan yang cukup dalam air. Sayangnya, MTBE telah bocor dari tangki

penyimpanan bawah tanah di pompa bensin, dilarutkan ke dalam air tanah dan telah

menemukan jalan ke pasokan air di seluruh negeri. Penasehat air minum EPA

menyatakan bahwa ada sedikit kemungkinan bahwa MTBE akan menimbulkan efek

buruk kesehatan pada konsentrasi sekitar 40 ppb atau lebih kecil, di atas tingkat ini

kebanyakan orang dapat mendeteksi keberadaannya dengan rasa atau bau. Pada

Januari 2004, Institut Nasional Ilmu Kesehatan Lingkungan melaporkan tidak

kelihatan efek kesehatan manusia dari paparan jangka pendek dalam jumlah besar



137

atau kecil MTBE. Penelitian pada hewan pada dosis tinggi (lebih tinggi dari eksposur

manusia) telah menunjukkan efek buruk pada sistem saraf mulai dari hiperaktif, dan

hilangnya koordinasi kejang-kejang dan pingsan dan juga telah menunjukkan

beberapa contoh kanker.

Mengingat taruhan keuangannya yang terlibat dan kemungkinan resikoterhadap kesehatan manusia, maka tidak terlalu mengejutkan bahwa penggunaan

bensin beroksigen senantiasa dilengkapi dengan konsekuensi politik dan hukum yang

signifikan. Pada tahun 2005, 140 tuntutan hukum yang tertunda terhadap industri

minyak untuk kerusakan lingkungan dan efek kesehatan yang merugikan yang

disebabkan oleh tumpahan dan rembesan MTBE. Undang-Undang Kebijakan Energi,

yang ditandatangani oleh Presiden George W. Bush pada tahun 2005, melarang

MTBE dalam bahan bakar dimulai pada tahun 2014. RUU ini juga menetapkan

"bantuan transisi" Program memberikan produsen MTBE $ 1750000000 dolar

bantuan federal untuk pindah ke bisnis lain. Pada tahun 2005, bagaimanapun, 25

negara telah melangkah masuk dan melewati larangan MBTE mereka sendiri atau

pembatasan yang ketat pada penggunaannya (Gambar 4.18). Karena litigasi yangsedang berjalan dan tekanan publik, banyak perusahaan minyak menghentikan

penggunaan MTBE pada tahun 2006, delapan tahun sebelum larangan federal

diberlakukan.

4.10 Bahan Bakar Baru, Sumber Baru

Pasokan batu bara dunia diperkirakan akan berlangsung selama setidaknya

150 tahun ke depan, lebih lama dari perkiraan saat ini dari sisa cadangan minyak

yang tersedia. Sayangnya, fakta bahwa batubara padat yang tidak nyaman untuk

banyak aplikasi, terutama transportasi, bahan bakar cair atau gas yang diperlukan

untuk mesin pembakaran internal. Oleh karena itu, proyek penelitian dan

pengembangan yang dilakukan bertujuan untuk mengubah batubara padat menjadibahan bakar dengan karakteristik yang mirip dengan produk minyak bumi.

Sebelum pasokan besar gas alam ditemukan dan dieksploitasi, kota yang

dinyalakan dengan gas air. Ini adalah campuran karbon monoksida dan hidrogen,

dibentuk oleh meniup uap atas kokas panas (karbon murni yang tersisa setelah

komponen volatil disuling dari batubara):

[4.11]

Reaksi yang sama adalah titik awal untuk proses Fischer-Tropsch untuk

memproduksi bensin sintetik. Kimiawan Jerman, Emil Fischer dan Hans Tropsch,

mengembangkan teknologi ini selama tahun 1920. Hal ini layak secara ekonomis

hanya apabila batubara berlimpah dan murah, dan minyak langka dan mahal. Iniadalah kasus di Afrika Selatan saat ini, dimana 40% bensin diperoleh dari batubara.

Faktor ekonomi tersebut dapat menjadi kenyataan di Amerika Serikat dalam waktu

dekat.

Proses Fischer-Tropsch dapat dijelaskan oleh reaksi umum ini.

[4.12]

Produk hidrokarbon dapat berkisar dari molekul gas kecil seperti metana, CH4

(n = 1)



138

hingga molekul menengah (n = 5-8) biasanya ditemukan dalam bensin. Reaksi [4.12]

dapat berhasil ketika karbon monoksida dan hidrogen dilewatkan melalui katalis yang

mengandung zat besi atau kobalt. Apa peran katalis logam ada dalam reaksi ini?

Tampaknya tidak di sisi reaktan, atau di sisi produk.

Gambar 4.19

Energi reaksi diagram jalur untuk reaksi tanpa katalis (jalur hijau) dan dengan

katalis (garis biru). Panah hijau dan biru mewakili energi aktivasi untuk reaksi tanpa

katalis dan dengan katali. Panah merah merupakan perubahan energi secara

keseluruhan untuk kedua jalur.

Untuk memahami proses ini, mempertimbangkan reaksi eksotermis yang

khas seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.19. Perhatikan bahwa energi potensial

reaktan (sisi kiri) lebih tinggi dari energi potensial dari produk (sisi kanan) karena itu

adalah reaksi eksotermis. Sekarang periksa jalur yang menghubungkan reaktan danproduk. Garis hijau menunjukkan perubahan energi selama reaksi dengan tidak

adanya katalis. Secara keseluruhan, reaksi ini mengeluarkan energi, tetapi energi

awalnya naik karena beberapa ikatan istirahat (atau mulai rusak) lebih dulu. Energi

yang diperlukan untuk memulai reaksi kimia disebut energi aktivasi dan ditunjukkan

oleh panah hijau. Meskipun energi harus dikeluarkan untuk dimulainya reaksi, energi

dilepaskan sebagai hasil proses ke keadaan energi potensial yang lebih rendah.

Umumnya, reaksi yang terjadi dengan cepat memiliki energi aktivasi rendah, reaksi

lambat memiliki energi aktivasi yang lebih tinggi. Namun, tidak ada hubungan

langsung antara ketinggian penghalang aktivasi dan perubahan energi bersih dalam

reaksi. Dengan kata lain, reaksi yang sangat eksotermis dapat memiliki energi aktivasi

yang kecil atau dapat pula besar.Peningkatan suhu sering menyebabkan peningkatan laju reaksi, ketika

molekul memiliki energi ekstra, lebih banyak tabrakan dapat mengatasi energi

aktivasi yang diperlukan. Kadang-kadang, bagaimanapun, meningkatkan suhu bukan

merupakan solusi praktis. Garis biru menunjukkan bagaimana katalis dapat

menyediakan jalur reaksi alternatif dan dengan demikian energi aktivasi yang lebih

rendah (diwakili oleh panah biru) tanpa meningkatkan suhu.

Untuk memahami bagaimana katalis dapat berfungsi, mempertimbangkan

reaksi diwakili oleh persamaan 4.12 pada tingkat molekuler. Molekul karbon



139

monoksida mengandung ikatan rangkap tiga C--O yang sangat kuat itu harus

diputuskan agar terbentuk produk. Memutuskan ikatan ini memerluka energi aktivasi

yang begitu besar sehingga reaksi tidak terjadi. Di sinilah katalis logam memasuki

reaksi. Molekul CO dapat membentuk ikatan dengan permukaan logam, dan ketika

hal ini terjadi, ikatan C--O melemah. Sebagai analogi, bayangkan seseorangtergantung oleh kedua tangan ke tepi tebing. Dalam rangka untuk diselamatkan, dia

harus melepaskan dengan satu tangan untuk berpegangan seseorang di bagian atas

dan ditarik ke tempat yang aman. Katalis logam memainkan peran pahlawan dalam

reaksi kimia. Molekul-molekul hidrogen juga menempel pada permukaan logam,

benar-benar memutuskan ikatan tunggal H--H. Sisa reaksi berlangsung secepat dua

atom hidrogen sangat reaktif mampu merobek atom oksigen jauh dari atom karbon,

membentuk air. Atom hidrogen lain kemudian membentuk ikatan dengan atom karbon

sisa. Jika ada atom karbon tambahan di permukaan, ikatan tunggal C--C dapat

terbentuk, memproduksi hidrokarbon dengan berat molekul tinggi.

Lonjakan harga gas baru-baru ini dapat memicu peningkatan penggunaan

proses Fischer -Tropsch di Amerika Serikat. Pada tahun 2005, gubernur dari duanegara yang kaya batu bara, Pennsylvania dan Montana, secara independen

mengumumkan usaha untuk membangun pembangkit batubara-untuk-cairan yang

akan mengkonversi disebut limbah batubara (sisa dari proses penambangan)

menjadi bahan bakar diesel rendah sulfur. Karya terbaru oleh National Renewable

Energy Laboratory , bagaimanapun, menunjukkan bahwa emisi gas rumah kaca

selama siklus bahan bakar keseluruhan untuk memproduksi bahan bakar berbasis

batubara hampir dua kali lebih tinggi dibanding berbasis minyak bumi.

Batubara, seperti minyak bumi, adalah sumber daya yang takterbarukan, dan

karena bahan bakar berbasis batubara hanyalah solusi sementara, sumber energi

berkelanjutan harus ditemukan. Sebuah solusi yang mungkin terletak pada konversi

biomassa, istilah umum untuk materi tanaman seperti pohon, rumput, tanamanpertanian, atau bahan biologis lainnya, menjadi berbagai bahan bakar yang dapat

digunakan. Jenis yang paling umum dari biomassa, kayu, adalah belum memadai

untuk memenuhi kebutuhan energi masyarakat modern kita. Menebang pohon untuk

bahan bakar juga menghancurkan penyerap efektif terhadap karbon dioksida dan gas

rumah kaca dan polutan lainnya ke atmosfer. Di Afrika dan di tempat lain, seluruh

ekosistem yang hilang akibat deforestasi besar-besaran karena orang harus terus-

menerus membakar kayu untuk memasak dan sumber panas. Daripada

mengandalkan pembakaran langsung dari produk alami, penelitian saat ini berfokus

pada menciptakan bahan bakar dari proses alam, termasuk etanol dibuat melalui

fermentasi dan biodiesel yang terbuat dari minyak tumbuhan yang berbeda.

Fermentasi pati dan gula dalam biji-bijian seperti jagung telah dikenal sejakzaman kuno. Pembuatan etanol dengan cara ini menciptakan bahan bakar yang,

seperti bensin, yang terbarukan karena tanaman dapat terus ditanam. Enzim

dilepaskan oleh sel ragi mengkatalisis reaksi jenis ini dengan persamaan.

[ 4.13 ]



140

Etanol dapat juga dibuat secara komersial dalam jumlah besar oleh reaksi air (uap

air) dengan etilena, C2H4 (H2C=CH2).

CH2CH2(g) + H2O(g) CH3CH2OH(l) [ 4.14 ]

Ketika metode kedua digunakan untuk menghasilkan ethanol untuk bahan bakar

beroksigen, air sisa harus secara berhati-hati dihilangkan sehingga tidak akanmenimbulkan masalah di dalam mesin mobil.

Pembakaran etanol melepaskan 1367 kJ/mol C 2 H 5 OH, atau 29,7 kJ/g.

C2H5OH(l) + 3 O2(g) 2 CO2(g) + 3 H2O(l) + 1.367 kJ [ 4,15 ]

Nilai ini kurang dari 47,8 kJ/g dihasilkan oleh pembakaran C8H18, karena etanol sudah

berisi beberapa oksigen. Namun demikian, etanol dicampur dengan bensin untuk

membentuk "gasohol". Pada konsentrasi biasa etanol 10%, gasohol dapat digunakan

tanpa memodifikasi mesin mobil standar. Baik di Amerika Serikat dan di tempat lain,

ada keuntungan yang signifikan dan investasi dalam memproduksi mobil dan truk

yang menggunakan persentase yang lebih tinggi dari etanol. Dari 13 juta kendaraan

di Brazil, lebih dari 4 juta penggunaan ethanol murni (dibuat dari fermentasi tebu),

dan sisanya dari mobil beroperasi pada campuran etanol dan bensin. Lebih dari 3 jutakendaraan berbahan bakar fleksibel (flexible fuel vehicles = FFVs) sudah dijual di

Amerika Serikat dapat menggunakan E-85 (etanol 85% dan 15% bensin), bensin atau

campuran keduanya. Sangat mungkin bahwa pembeli banyak dari mereka 3 juta

FFVs, yang meliputi sedan, minivan, SUV, dan truk pickup, tetap tidak menyadari

bahwa mereka dapat bahan bakar dengan E-85. Sebuah catatan 3,9 miliar galon

etanol yang diproduksi di Amerika Serikat pada tahun 2005. Industri ini jelas

mengantisipasi pergeseran yang lebih besar penggunaan etanol sebagai bahan

bakar, konstruksi pabrik tambahan akan membawa kapasitas produksi tahunan lebih

dari 6 juta galon pada tahun 2008.

Namun, sumber bahan bakar terbarukan ini bukan tanpa kritik. Masalah utama

adalah bahwa matahari bukanlah satu-satunya sumber energi yang terlibat dalametanol manufaktur. Energi yang dibutuhkan untuk menanam, menumbuhkan, dan

memanen jagung, untuk memproduksi dan menerapkan pupuk; untuk menyaring

alkohol dari mash fermentasi, dan untuk memproduksi traktor dan peralatan pertanian

lainnya yang diperlukan. Karena banyak asumsi yang terlibat, saldo energi akurat sulit

untuk dihitung. Beberapa penelitian memperkirakan bahwa untuk setiap joule

dimasukkan ke dalam etanol produksi 1.2 J dipulihkan, tetapi yang lain menyimpulkan

bahwa input energi gabungan lebih besar daripada energi yang terkandung dalam

etanol yang dihasilkan.

Dalam hal apapun, semua input energi membuat galon etanol lebih murah

untuk menghasilkan daripada satu galon bensin. Setiap tahun, pemerintah federal

menyediakan lebih dari $ 2B subsidi kepada produsen etanol, yang sebagian besardiperoleh oleh perusahaan pertanian besar bukannya kepada petani kecil. Selain itu,

satu gram etanol tidak menghasilkan energi sebanyak satu gram bensin, sehingga

sementara nilai oktan gasohol lebih tinggi dari bensin bebas timbel biasa, jarak

tempuh sedikit lebih rendah dengan alkohol campuran.

Selain itu, mereka yang menentang etanol sebagai bahan bakar

mempertanyakan apakah lahan pertanian yang berharga, yang biasanya digunakan

untuk menanam tanaman seperti jagung bahwauntuk makanan manusia dan hewan,

harus digunakan untuk memproduksi gandum untuk etanol. Saat ini, Amerika Serikat



141

menghasilkan surplus yang signifikan jagung dan biji-bijian lain yang bisa diubah

menjadi etanol, tetapi menggunakan kelebihan itu untuk etanol menurunkan jumlah

biji-bijian untuk ekspor. Sebuah titik akhir yang kontroversi terletak pada sifat

menanam jagung itu sendiri. Memproduksi jagung membutuhkan penggunaan berat

pupuk, herbisida, dan pestisida, yang semuanya mengakibatkan kerusakan tanahdan kualitas air.

Batasan persaingan mengenai penggunaan etanol sebagai bahan bakar,

sebagian besar didasarkan pada kepentingan pribadi. Pendukung terbesar

penggunaan etanol adalah EPA, Archer Daniels Midland (ADM, agribisnis), dan lebih

dari 20 kelompok tani, termasuk Petani Jagung Nasional Asosiasi (Gambar 4.20).

Pada sisi yang berseberangan adalah American Petroleum Institute, penyuling

minyak dan perusahaan bensin, dan Sierra Club. Tergantung pada apakah mereka

berasal dari negara-negara pertanian atau yang berkaitan erat dengan minyak,

senator dan perwakilan AS berperan dalam masalah ini. Ada banyak hal lain yang

dipertaruhkan-antara, 100-200 juta gantang jagung per tahun.

Produksi biodiesel sebagai bahan bakar alternatif telah tumbuh secaradramatis selama beberapa tahun terakhir (Gambar 4.21). Biodiesel dibuat dari alam,

sumber daya terbarukan seperti minyak nabati baru dan bekas dan lemak hewani.

Hal ini dapat dibakar sebagai bahan bakar murni atau dicampur dengan produk

minyak bumi dan digunakan dalam mesin diesel yang tidak memerlukan modifikasi

utama. Penggunaan bahan bakar ini secara signifikan akan mengurangi emisi dan

tidak beracun serta biodegradable.

Khususnya, biodiesel melepaskan lebih banyak energi ketika dibakar

daripada biaya untuk memproduksi. Pada tahun 1998, Departemen Energi AS dan

Departemen Pertanian AS melakukan studi siklus hidup yang berlaku keseimbangan

energi (energi yang diperlukan dibandingkan energi keluar) dari biodiesel. Studi ini

menyimpulkan bahwa untuk setiap satu unit energi fosil yang digunakan di seluruhsiklus produksi biodiesel, 3,2 unit energi yang diperoleh ketika bahan bakar dibakar,

keseimbangan energi positif dari 320%. Kebijakan Energi Act of 2005 (EPACT) berisi

ketentuan yang mengharuskan proses pemurnian untuk menghasilkan 4 miliar galon

bahan bakar terbarukan per tahun pada tahun 2006 dan dua kali lipat jumlah itu pada

tahun 2012, yang akan dibuat oleh kombinasi etanol dan biodiesel.

Namun sumber energi lain yang potensial adalah komoditas yang murah,

selalu hadir dalam pasokan berlimpah, dan selalu dibaharui adalah sampah. Selain

dalam film, kemungkinan tidak ada keinginan untuk merancang mobil yang akan

berjalan pada kulit jeruk dan bubuk kopi, tapi sekitar 140 pembangkit listrik di Amerika

Serikat melakukan hal itu. Salah satunya, terlihat pada Gambar 4.22, adalah

Hennepin Sumber Daya Perusahaan Energi (Herc) di Minneapolis, Minnesota.Hennepin County memproduksi sekitar 1 juta ton sampah setiap tahun. Salah satu

truk sampah (sekitar 27.000 lb) menghasilkan jumlah energi yang sama dengan 21

barel minyak. Herc mengkonversi 365.000 ton sampah per tahun menjadi cukup

untuk memberikan tenaga setara dengan 25.000 rumah. Selain itu, lebih dari 11.000

ton logam yang mengandung besi dapat diambil dari sampah dan di daur ulang. Elk

River Sumber Daya Pemulihan Fasilitas, yang kedua di Hennepin County, mengubah

lain 235.000 ton sampah menjadi listrik. Emisi pada kedua situs secara signifikan di

bawah standar negara bagian dan federal.



142

Pendekatan pemulihan sumber daya ini, seperti yang kadang-kadang disebut,

secara bersamaan membahas dua masalah utama: meningkatnya kebutuhan energi

dan gunung yang tumbuh dari limbah. Sebagian besar sampah diubah menjadi

karbon dioksida dan air, dan tidak ada bahan bakar tambahan yang dibutuhkan.

Residu terbakar dibuang di tempat pembuangan sampah, tetapi hanya mewakilisekitar 10% dari volume sampah yang asli. Meskipun beberapa warga telah

menyatakan keprihatinan tentang emisi gas dari insinerator sampah, tumpukan

insinerator limbah yang dimonitor secara seksama dan harus dipertahankan dalam

batas yang ditetapkan. Jepang dan Jerman telah memanfaatkan jauh lebih besar

dalam hal teknologi limbah - ke-energi dibanding Amerika Serikat.

Generator Metana memberikan contoh yang baik menggunakan limbah

sebagai sumber energi. Pedesaan Cina dan India memiliki lebih dari satu juta reaktor

di mana limbah hewani dan nabati difermentasi untuk membentuk biogas. Gas ini,

yaitu sekitar 60% CH4, dapat digunakan untuk memasak, pemanas, lampu,

pendingin, dan pembangkit listrik. Teknologi ini sendiri sangat baik untuk

diaplikasikan pada skala kecil. Kotoran setiap hari dari satu atau dua ekor sapi dapatmenghasilkan cukup metana untuk memenuhi sebagian besar kebutuhan memasak

dan penerangan dari sebuah keluarga petani. Dua pertiga dari keluarga pedesaan

China menggunakan biogas sebagai bahan bakar utama mereka.

4.11 Kasus untuk Konservasi

Sebuah fitur mendasar dari alam semesta adalah bahwa energi dan materi

dilestarikan. Sebagaimana telah kita lihat, bagaimanapun, proses pembakaran

mengubah materi dan energi ke dalam bentuk yang kurang berguna. Sebagai contoh,

ketika kita membakar molekul hidrokarbon, kita akhirnya menghilangkan energi

mereka sebagai panas. Produk-produk dari pembakaran karbon dioksida dan air

yang tidak dapat digunakan sebagai bahan bakar, dan peningkatan konsentrasi CO2 di atmosfer yang terkait dengan perubahan iklim global berpotensi semakin parah.

Selain itu, pasokan bahan bakar fosil sendiri terbatas dan tidak terbarukan. Mengingat

kendala yang mendasarinya, akan terlihat bahwa perubahan dalam kebijakan energi

kita yang tak terelakkan. Kapan dan bagaimana perubahan ini terjadi terserah kita.

Dalam State of the Union address-nya pada tahun 2006, Presiden George W. Bush

mengamati bahwa Amerika Serikat adalah "kecanduan minyak". Bahkan, faktanya

hal ini adalah juga ketergantungan global. The U.S. Energy Information

Administration memproyeksikan kenaikan 60% dalam permintaan global untuk

minyak yaitu 4.0 x 1010 barel per tahun pada tahun 2020. Tidak mengherankan,

peningkatan terbesar akan terjadi di negara-negara berkembang di mana

pertumbuhan populasi, migrasi ke kota, dan industrialisasi akan menaikkanpermintaan energi ke tertinggi belum pernah terjadi sebelumnya. Pada tahun 2010,

negara-negara berkembang akan mencapai lebih dari setengah dari energi yang

dikonsumsi.

Tuntutan pembangkit listrik konvensional untuk batu bara, minyak, dan gas

alam yang luar biasa, tetapi bahan bakar fosil juga bahan baku penting untuk sintesis

kimia. Di akhir abad ke-19, Dmitri Mendeleev, kimiawan besar Rusia yang

mengusulkan tabel periodik unsur, mengunjungi ladang minyak of Pennsylvania dan

Azerbaijan. Dia dikatakan telah mengatakan bahwa minyak terbakar sebagai bahan



143

bakar "akan mirip dengan menembakkan sebuah kompor dapur dengan catatan

bank". Mendeleev mengakui bahwa minyak bisa menjadi bahan awal yang berharga

untuk berbagai macam bahan kimia dan produk yang terbuat darinya. Dia, tidak

diragukan lagi, tertarik pada serat, plastik, karet, pewarna, obat-obatan, dan obat-

obatan saat ini diproduksi dari minyak bumi. Namun, kami terus mengabaikanperingatan Mendeleev dan membakar hampir 85% dari minyak yang dipompa dari

tanah.

Meskipun kita tidak tahu dengan pasti seberapa besar jumlah minyak yang

tersisa di Bumi, tetapi kita tahu bahwa jumlah itu terbatas. Pada pertengahan 1950-

an, konsumsi minyak global tahunan mencapai 4 miliar barel, dan lebih dari 30 miliar

barel deposito baru yang ditemukan setiap tahunnya. Hari ini, angka-angka itu hampir

terbalik. Para ahli memprediksi bahwa karena dalam waktu dekat, produksi minyak

akan mencapai puncaknya dan kemudian menurun seperti kita menguras deposito

paling mudah diperoleh. Bahkan, ini sudah terjadi di Amerika Serikat di mana produksi

minyak telah perlahan tapi pasti menurun sejak tahun 1970. Dengan asumsi

konsumsi meningkat 2% per tahun, Badan Informasi Energi (EIA) mengembangkantiga kemungkinan skenario "puncak minyak". Gambar 4.23 menampilkan

meramalkan tingkat masa depan dengan asumsi produksi minyak rendah, rata-rata,

dan nilai tinggi untuk cadangan dipulihkan di seluruh dunia. Bahkan perkiraan yang

paling optimis memprediksi produksi minyak maksimum sebelum 2050. Organisasi

lain mengadopsi nilai-nilai lebih pesimis dari cadangan yang tersedia mengklaim

bahwa "puncak minyak" akan terjadi dalam beberapa tahun mendatang. Perhatikan

bahwa kita tidak akan tiba-tiba "kehabisan" minyak, namun harga lebih tinggi secara

dramatis dan meningkatkan kelangkaan akan mencirikan era sebelum puncak.

Jalan ke depan jelas. Sebagai komunitas global, kita harus menemukan cara

untuk menggunakan sedikit minyak. Negara-negara di seluruh dunia sedang

menghadapi tantangan yang tak terelakkan dalam berbagai cara. Pembangunanbesar dan kontroversial Three Gorges Dam dan pembangkit listrik tenaga air di Cina

merupakan salah satu upaya negara itu untuk memenuhi ledakan kebutuhan energi

listrik mereka. Denmark sangat maju dalam tenaga angin (Gambar 4.24). Banyak

negara mengeksplorasi, sumber energi bersih lain terbarukan termasuk energi panas

bumi, pasang surut, dan solar. Tentu saja membuat teknologi ini kompetitif akan

memerlukan investasi yang cukup signifikan. Sebuah keprihatinan besar di negeri ini

adalah penurunan sumber daya yang dialokasikan untuk penelitian energi. Dari tahun

1980 sampai 2005, pengeluaran penelitian pada topik yang berhubungan dengan

energi di Amerika Serikat turun lima kali lipat, dari 10% menjadi hanya 2% dari total.



144

Gambar 4.23

Produksi minyak di seluruh dunia sejak tahun 1900 (hitam) dan tiga skenario

minyak mungkin puncak. Biru, garis merah, dan hijau sesuai dengan perkiraan

rendah, rata-rata, dan tinggi minyak dipulihkan, masing-masing.

Sumber: EIA/DOE.

Selain mengeksplorasi sumber energi baru, penting untuk meningkatkan

efisiensi energi yang kita miliki. Penghematan telah menyadari baik di sisi produksi

dan di sisi konsumsi dengan meningkatkan efisiensi dari transformasi energi.

Produksi listrik oleh pembangkit listrik adalah penggunaan utama energi di Amerika

Serikat, yang membentuk 38% dari total. Hukum kedua termodinamika membatasi

konversi panas untuk bekerja, tetapi pembangkit listrik saat ini beroperasi jauh di

bawah efisiensi maksimum termodinamika.Pada tahun 1999, Departemen Energi AS mengumumkan penelitian baru

yang agresif dan program pembangunan, Visi 21, yang tujuan mulia termasuk secara

dramatis meningkatkan efisiensi pembangkit listrik dengan dasarnya nol emisi. Visi

21 kegiatan yang berorientasi pencapaian revolusioner daripada evolusioner

perbaikan yang akan siap untuk penyebaran pada tahun 2015, melalui upaya kerja

sama antara industri, universitas dan laboratorium nasional. Salah satu dorongan

utama dari Vision 21 adalah penciptaan FutureGen, prototipe untuk generasi

berikutnya dari batu bara pembangkit tenaga listrik. Ketika operasional, tanaman

akan menggunakan batu bara yang dibentuk gas (lihat persamaan 4.10) untuk

menghasilkan listrik dan hidrogen. Selain NOx-dan SO2-mengurangi prosedur yang

tercantum dalam Bagian 4.6, FutureGen berusaha untuk menghilangkan (atausetidaknya meminimalkan) emisi CO2. Rencana saat ini memfokuskan untuk

mencairkan karbon dioksida dan memompa di bawah tekanan tinggi ke dalam formasi

geologi bawah tanah, pada dasarnya menghilangkan emisi ke atmosfer. Teknologi

transisi seperti yang menggunakan batubara mungkin adalah solusi terbaik jangka

pendek untuk mengurangi ketergantungan kita pada minyak asing, serta melindungi

lingkungan kita.



145

Gambar 4.24

Sebuah tampilan satelit Three Gorges Dam (kiri) yang mulai memasok Cina

dengan pembangkit listrik tenaga air yang signifikan pada tahun 2003, dan sebuah

peternakan angin lepas pantai Denmark (kanan).

Meningkatkan efisiensi penggunaan akhir mungkin adalah cara terbaik untuk

menghemat energi dan energi sumber daya. Perkiraan penghematan teknis layak

dalam rentang listrik 10-75%. Dalam sebuah artikel yang diterbitkan Scientific

American pada bulan September 2005, Amory Lovins B. menegaskan, "Dengan

bantuan peningkatan efisiensi dan sumber energi terbarukan yang kompetitif, AS

dapat secara bertahap mengurangi penggunaan minyak pada tahun 2050". Dorongan

untuk efisiensi merupakan ekonomi sederhana, seperti individu dan perusahaan

menyadari bahwa Mendeleev benar, itu jauh lebih murah untuk menghemat bahan

bakar fosil daripada untuk membakar mereka. Kemajuan terbaru dalam desain

bangunan, teknologi informasi, dan pengolahan data membuat penghematan energi

yang cukup besar menjadi mungkin. "Smart" gedung kantor atau rumah memiliki

sistem yang rumit dari sensor, komputer, dan kontrol yang menjaga temperatur, aliran

udara, dan pencahayaan pada tingkat optimal untuk kenyamanan dan konservasi

energi. Demikian pula, optimasi komputerisasi aliran energi dan otomatisasi proses

manufaktur telah membawa transformasi besar dalam industri. Selama 20 tahun

terakhir, produksi industri di Amerika Serikat telah meningkat secara substansial,

tetapi konsumsi energi yang berkaitan telah benar-benar turun. Dalam satu contoh

yang luar biasa, produsen karpet telah mengembangkan prosedur pencelupan

berbasis enzim yang memungkinkan mereka untuk serat warna pada suhu kamar

bukan normalnya 100-140 °C, menghemat sekitar 90% biaya listrik.

Konservasi juga berlaku pad hasil dari bahan daur ulang, terutama aluminium.

Karena penggalian logam aluminium dari bijih sangat memerluan energi yang besar,

daur ulang logam menghasilkan penghematan energi sekitar 70%. Untukmenempatkan hal dalam perspektif, Anda bisa menonton televisi selama 3 jam pada

energi disimpan dengan daur ulang hanya satu kaleng aluminium.

Sekarang konservasi dan peningkatan efisiensi memiliki pengaruh yang lebih

besar dalam transportasi. Lebih dari 70% produksi minyak AS pergi ke kendaraan

bermotor listrik, dan menyumbang sekitar sepertiga dari emisi karbon dioksida kita.

Dalam menanggapi krisis energi pada awal tahun 1970, mobil, di bawah tekanan dari

pemerintah federal dan masyarakat mengkonsumsi, secara signifikan meningkatkan



146

ekonomi bahan bakar semua jenis kendaraan. Dari pertengahan 1970-an hingga

awal 1990-an, konsumsi bensin di Amerika Serikat turun satu setengah ekonomi

bahan bakar rata-rata meningkat secara dramatis. Namun tren ramah lingkungan ini

berada di bawah serangan sebagai abad ke-21 dimulai. Sejak tahun 1988, telah

terjadi penurunan secara keseluruhan dalam ekonomi bahan bakar kendaraan(Gambar 4.25). Saat berdiri di 24,6 mil per galon (mpg), kurang dari nilai tertinggi 25,9

mpg diperoleh pada tahun 1988.

Faktor utama untuk penurunan ekonomi bahan bakar di Amerika Serikat telah

menjadi peningkatan proporsi kendaraan diklasifikasikan sebagai kendaraan ringan

truk - sport utility (SUV), van, dan truk pickup - yang sekarang hampir setengah dari

tradisional pasar mobil. Meskipun produsen mobil harus memenuhi federal

diamanatkan 27,5 mpg rata konsumsi bahan bakar untuk mobil, kebutuhan hanya

20,7 mpg untuk truk ringan. SUV diklasifikasikan sebagai truk ringan, tidak seperti

mobil, dan karena itu tidak perlu memenuhi persyaratan mpg tinggi untuk mobil.

Meskipun Amerika Serikat adalah pemimpin dalam banyak aspek energi, ekonomi

bahan bakar bukanlah salah satu dari mereka. Rata-rata mobil Eropa mendapatsekitar 40 mpg, dan orang-orang di Jepang mendapatkan sekitar 45 mpg.

Gambar 4.25

Tren ekonomi bahan bakar untuk mobil AS dan truk ringan sejak tahun 1975.

Sumber: US EPA. Diambil dari www.epa.gov/otag/cert/mpg/retrends.

Pertempuran politik dan hukum atas standar gas baru mulai. Baik Senat

maupun versi Rumah RUU yang akan menjadi UU Kebijakan Energi disahkan pada

bulan Juli 2005 terdapat setiap kenaikan bisa signifikan dalam standar efisiensi

bensin untuk mobil Amerika. Namun, masing-masing negara melangkah masuk Pada

tahun 2003, California mengeluarkan peraturan pembatasan tidak boleh

menempatkan secara signifikan pada emisi gas rumah kaca dari mobil. Efek praktisadalah untuk meminta perbaikan bisa signifikan dalam gas selama dekade

berikutnya. Perlu dicatat bahwa jika peraturan ketat baru di California sepenuhnya

dilaksanakan (tahun 2016), mereka masih akan berada di bawah rata-rata jarak

tempuh mobil dan truk di Cina. Bahkan langkah-langkah yang relatif moderat memicu

gugatan yang dibawa oleh industri otomotif terhadap Negara Bagian California. Para

penggugat berpendapat bahwa hanya pemerintah federal, negara bukan individual,

memiliki kewenangan untuk mengatur ekonomi bahan bakar.



147

Pada tahun 2006, National Highway Traffic Safety Administration Nasional

(NHTSA) untuk pertama kalinya mengumumkan standar ekonomi bahan bakar yang

berlaku untuk semua truk. Standar tersebut diharapkan mulai berlaku pada tahun

2008 (22,5 mpg) dan meningkat menjadi sekitar 24 mpg di 2011. Meskipun ini

menandai tahun pertama bahwa SUV berat seperti Hummer H2 akan dimasukkandalam standar jarak tempuh, beberapa negara percaya peraturan baru tidak cukup

tangguh. Massachusetts, bergabung oleh pengacara umum dari 11 negara lain dan

beberapa kelompok lingkungan, mengajukan gugatan terhadap pemerintah federal.

Negara-negara mengklaim bahwa NHTSA gagal untuk mengatasi dampak bahwa

emisi mobil terhadap pemanasan global dan lingkungan. Pusat-pusat kontroversi

pada sikap pemerintahan Bush bahwa CO2 tidak polutan, dan karena itu tidak dapat

diatur oleh Badan Perlindungan Lingkungan di bawah Clean Air Act. Posisi itu

mendapat hantaman pada bulan April 2007 ketika Mahkamah Agung memutuskan 5-

4 bahwa EPA harus mempertimbangkan kembali posisinya dan bahwa dalam

kenyataannya EPA memiliki kewenangan untuk mengatur emisi CO2. Konsekuensi

dari putusan akan tersebar luas, standar ekonomi bahan bakar dan emisi pembangkitlistrik kemungkinan target pertama.

Faktanya bahwa mobil akan tetap menjadi sarana transportasi energi-intensif.

Sebuah sistem transportasi massal jauh lebih ekonomis, asalkan itu sering

digunakan. Di Jepang, 47% perjalanan adalah dengan transportasi umum,

dibandingkan dengan hanya 6% di Amerika Serikat. Tentu saja, Jepang adalah

negara kompak dengan kepadatan penduduk yang tinggi. Hamparan besar Amerika

Utara tidak cocok untuk angkutan massal, meskipun beberapa daerah, seperti Timur

Laut populasi padat berada. Kita juga harus memperhitungkan hubungan cinta antara

Amerika dan mobil mereka.

KesimpulanBaik tubuh kita maupun kehidupan soial kita memerlukan pasokan terus-

menerus energi untuk bertahan hidup. Sebagian besar makanan yang kita makan

adalah sumber daya terbarukan, tapi cara industri hidup kita, bahkan eksistensi kita,

saat ini bergantung pada konsumsi bahan bakar fosil yang tak terbarukan. Selama

1970-an, serangkaian krisis energi terjadi karena peningkatan yang dramatis dalam

biaya impor minyak mentah, terutama dari Timur Tengah. Krisis energi berikutnya,

ketika datang, akan fundamental berbeda dari masa lalu. Ada sedikit keraguan bahwa

mengatasi tantangan itu akan membawa dan memerlukan langkah-langkah lebih

drastis.

Pada tingkat yang paling dasar, kita tidak punya pilihan. Sumber alternatif

seperti etanol, biodiesel, angin, dan tenaga air harus menjadi lebih umum. Kita akanmembahas energi nuklir dalam Bab 7 dan energi surya dalam Bab 8 sebagai cara

lain yang mungkin untuk memuaskan selera yang selalu meningkat untuk energi.

Sebagai individu dan sebagai masyarakat, kita harus memutuskan pengorbanan apa

yang mau kita lakukan untuk menurangi dalam kecepatan, kenyamanan, dan

kemudahan bagi kepentingan kita, karena pasokan bahan bakar semakin menipis

dan demi kebaikan planet. Satu hal yang jelas: semakin cepat kita jujur memeriksa

pilihan, prioritas, dan keinginan kita, semakin baik. Energi, kimia, dan masyarakat



148

berhubungan erat, dan bab ini merupakan upaya untuk menjelaskan hubungan

keduanya.



149

BAB 5 AIR UNTUK KEHIDUPAN

Dapat diperdebatkan apakah air merupakan senyawa kimia yang palingpenting di muka bumi. Kenyataannya, air mencakup sekitar 70% dari permukaan

bumi, memberikan planet warna biru yang indah yang terkenal dengan sebutan

"marmer biru" foto yang diambil dari luar angkasa. Air sangat penting untuk semua

makhluk hidup. Tubuh anak sekitar 75% adalah air, dan tubuh orang dewasa sekitar

50-65% adalah air. Otak manusia 75% adalah air, darah 83% adalah air, dan paru-

paru sekitar 90% air. Bahkan tulang kita, tampaknya begitu padat, 22% adalah air.

Air sangat penting untuk kehidupan sehingga spekulasi kita tentang kehidupan di

planet lain terutama tergantung pada apakah terdapat air atau tidak. Air menyegarkan

dan menjaga keberlangsungan kita, mengatur cuaca, dan memberi kita kesenangan

santai serta rekreasi.

Dalam bab ini, kita akan mempertimbangkan air dari perspektif orang yangmeminumnya. Namun ada lebih banyak hal yang yang harus diketahu tentang air,

lebih dari yang dapat dilihat atau dirasakan. Kotoran yang tak terlihat dalam air,

tergantung pada identitas dan jumlahnya, dapat memberikan rasa renyah, rasa segar

atau menghasilkan penyakit yang menyenangkan. Air sangat serbaguna, melarutkan

banyak zat dan mensuspensikan yang lain. Untuk lebih menghargai bagaimana air

bekerja secara magis, kita akan menggunakan konsep-konsep kimia seperti

elektronegativitas, polaritas, dan ikatan hidrogen untuk memahami sifat-sifat molekul

air.

Beberapa pertanyaan yang paling penting tentang minum air menyangkut

keamanan dan bagaimana keamanan itu dapat dijamin. The Safe Drinking Water Act,

sebagaimana telah diubah pada tahun 1996, mengamanatkan bahwa setiap

pemasok air memberikan laporan hak-untuk-tahu setahun sekali untuk konsumen

dari setiap sistem air masyarakat, publik atau swasta. Laporan-laporan ini, juga

disebut Consumer Reports Confidence, dapat didistribusikan dengan tagihan air atau

dibuat tersedia secara online. Sebagai orang yang belajar kimia, Anda berada dalam

posisi yang baik untuk memahami arti dari pengukuran yang dilaporkan dan standar

kualitas yang harus dipenuhi. Mengetahui kualitas air keran kemudian dapat

membantu konsumen untuk membuat pilihan yang bijak tentang pembelian botol atau

air yang disaring sebagai alternatif. Anda akan memiliki kesempatan untuk

mengeksplorasi kualitas air di perguruan tinggi atau di kota asal Anda, setelah kita

telah mempertimbangkan banyak pertanyaan kimia dan kebijakan publik yang terlibat

dalam air minum yang aman. Tapi pertama-tama, kita mengundang Anda untuk

mengangkat segelas air keran Anda, air kemasan, atau air keran disaring dan

mempersiapkan diri untuk "meminum."

5.1 Air dari keran atau Botol

Bab 1 dimulai dengan undangan untuk "Ambil napas dari udara." Tanpa

berpikir, kita melakukannya otomatis sekitar 15 kali per menit. Kita akan cepat mati

tanpa udara dan oksigen sebagai pendukung kehidupan. Kita umumnya tidak punya

pilihan tentang udara apa yang akan kita hirup, kita harus bergantung pada yang



150

mengelilingi kita. Di sisi lain, kita umumnya memiliki pilihan dengan air. Kita bisa

membuat keputusan tentang seberapa sering kita minum, berapa banyak kita minum,

dan tentang sumber air yang kita minum. Air keran kota dapat dikonsumsi dengan

atau tanpa penyaringan lanjut. Beberapa orang mungkin memiliki akses ke air sumur.

Kita dapat memilih air kemasan atau minuman yang mengandung air. Jika di daerahtanpa jaringan air, kita dapat memurnikan air dari sungai terdekat atau

mengumpulkan air hujan. Jika air minum, air yang cocok untuk konsumsi manusia,

tidak tersedia, kita berada dalam bahaya. Tubuh kita bisa pergi berminggu-minggu

tanpa makanan tapi hanya bisa beberapa hari tanpa air. Jika air dalam tubuh kita

berkurang dengan hanya 1%, haus akan terasa. Ketika kekurangan mencapai 5%,

penurunan kekuatan otot. Pada kehilangan 10%, delirium dan penglihatan kabur

terjadi, dan 20% pengurangan menyebabkan kematian.

Tidak ada yang bisa lebih akrab daripada ini jelas, tidak berwarna, dan

(biasanya) cairan tak berasa. Pada kenyataannya, kita umumnya mengambil kualitas

air dan air untuk diberikan di sebagian besar wilayah negara ini. Kecuali terjadi

keadaan darurat air, dibawa oleh kekeringan atau kontaminasi pasokan air kota kita,kita jarang berpikir tentang di mana air tersebut berasal, apa yang dikandungnya,

seberapa murni itu, atau berapa lama pasokan akan berlangsung. Kita membuka

keran untuk minum atau mandi dan hanya mengharapkan kuantitas air yang cukup

dari kran. Kebanyakan orang Amerika mendapatkan air minum mereka dari kran air

atau minum air mancur (Gambar 5.1a). Cairan yang luar biasa ini sangat murah, biaya

hanya sekitar 1/10 dari satu sen per liter.

Tapi tidak semua orang minum air keran. Sebaliknya terjadi peningkatan

jumlah orang Amerika minum botol air (Gambar 5.1B). Botol air adalah bisnis besar

dan sekarang segmen dengan pertumbuhan tercepat dari industri minuman di dunia.

Menurut Korporasi Pemasaran Minuman, Amerika mengkonsumsi 7,4 miliar galon air

minum kemasan dengan biaya $ 9800000000 dolar pada 2005. Ini adalahpemandangan umum di kampus-kampus di seluruh dunia untuk melihat siswa

membawa botol air. Konsumen berusia 18-24 tahun adalah pengguna utama air

minum kemasan.

5.2 Darimana Air Minum berasal?

Perjalanan apa yang dibutuhkan untuk mendapatkan air dari sumber alam

untuk keran atau botol? Air didistribusikan secara luas di planet Bumi. Di permukaan,

ditemukan di lautan, danau, sungai, salju, dan gletser (Gambar 5.3). Dalam atmosfir

ada sebagai uap air dan sebagai tetesan kecil di awan yang mengisi air permukaan

melalui hujan dan salju.

Di seluruh dunia, air ditemukan di bawah tanah di akuifer, kolam besar airyang terjebak dalam pasir dan kerikil 50-500 kaki di bawah permukaan. Beberapa

akuifer sangat besar, seperti akuifer Ogallala yang mendasari bagian dari delapan

negara bagian dari South Dakota ke Texas. Menjaga sumber daya bawah tanah

bebas dari kontaminasi adalah suatu pertimbangan penting untuk generasi

mendatang. Jika akuifer terkontaminasi, mungkin diperlukan waktu puluhan tahun

untuk menjadi bersih lagi.

Air yang dapat dibuat cocok untuk minum berasal dari baik air permukaan atau

air tanah. Air permukaan, air dari danau, sungai, dan waduk, sering mengandung zat-



151

zat yang harus dipisahkan sebelum dapat digunakan sebagai air minum. Sebaliknya,

air tanah, air yang dipompa dari sumur yang telah dibor ke dalam akuifer bawah

tanah, biasanya bebas dari kontaminan berbahaya. Air skala besar sistem memberi

pasokan untuk kota-kota cenderung mengandalkan sumber daya air permukaan.

Misalnya, warga Chicago minum air dari Danau Michigan yang telah dimurnikan.Kota-kota kecil, kota, dan sumur pribadi cenderung mengandalkan air tanah, sumber

air minum untuk sedikit lebih dari setengah dari penduduk AS.

Bumi itu tidak selalu basah seperti saat ini. Para ilmuwan percaya bahwa

banyak dari air sekarang di planet ini awalnya dimuntahkan sebagai uap dari ribuan

gunung berapi permukaan bumi yang bopeng. Uap terkondensasi sebagai hujan dan

proses berulang selama berabad-abad. Molekul air bersiklus dari laut ke langit dan

kembali lagi. Sekitar 3 miliar tahun lalu, tanaman primitif, dan kemudian hewan,

diekstrak dari air dan memberikan kontribusi air untuk siklus-yang berlanjut hari ini.

Selama satu tahun rata-rata, cukup curah hujan jatuh pada benua untuk menutup

semua lahan dengan kedalaman lebih dari 2,5 ft Seperti kita sangat menyadari, curah

hujan ini tidak jatuh sekaligus, juga tidak merata. Tempat terbasah dalam catatanadalah Gunung Waialeale di Kauai, Hawaii, yang mendapat curah hujan rata-rata

tahunan dari 460 inci (12 m). Sebaliknya adalah rata-rata tahunan sebesar 0,03 inci

(0,08 cm) dari hujan di Arica, Chili. Data telah dikumpulkan di gurun ini Chili selama

64 tahun terakhir. Selama 14 tahun berturut-turut, tidak hujan sama sekali! Lebih

dekat ke rumah, rata-rata 1,5×1013 L air jatuh setiap hari di daratan Amerika Serikat-

cukup untuk mengisi sekitar 400 juta kolam renang.

Gambar 5.5 Distribusi air di Bumi.

Ini terdengar seperti banyak air, tetapi pada skala global, jumlah air tawarrelatif kecil. Sebagian besar air bumi, 97,4% dari total, berada di lautan asin, air yang

tidak dapat diminum tanpa proses pemurnian yang mahal. Sisanya 2,6% adalah

semua air tawar yang kita miliki. Mayoritas bahkan pasokan relatif kecil ini air segar

beku di gletser dan es di kutub. Hanya sekitar 0,01% dari total air bumi berlokasi di

danau, sungai, dan arus sebagai air tawar (Gambar 5.5). Akibatnya, pasokan air

minum di dunia sangat terbatas, bervariasi secara luas tergantung pada lokasi. Di



152

Amerika Serikat, 80% dari air tawar yang digunakan untuk mengairi tanaman dan

untuk mendinginkan pembangkit listrik.

5.3 Air sebagai pelarut

Alasan utama kita harus mengkonsumsi air adalah bahwa itu adalah pelarutyang sangat baik bagi banyak bahan kimia yang membentuk tubuh kita. Dalam

kapasitas ini, air berperan sebagai pelarut, zat yang mampu melarutkan zat lain. Zat

terlarut adalah zat-zat yang larut dalam pelarut. Campuran yang dihasilkan disebut

larutan, campuran homogen dari komposisi yang seragam. Selanjutnya, larutan

berair adalah larutan di mana air adalah pelarut. Kemudian di Bagian 5.9 dan 5.10

kita akan meneliti mengapa beberapa jenis zat larut dalam air dan yang lainnya tidak.

Untuk saat ini, kita hanya mencatat bahwa berbagai zat yang luar biasa banyak dapat

larut dalam air dan bahwa ini memiliki konsekuensi penting bagi organisme hidup

serta untuk lingkungan.

Semua zat terlarut mineral kecuali silika dalam bentuk ionik dan akan dibahas

dalam Bagian 5.7. Kalsium, magnesium, dan natrium yang masing-masing adasebagai Ca2+, Mg2+, Dan Na+,. Beberapa ion tercantum dalam bentuk jamak karena

mereka dapat membentuk senyawa dengan berbagai ion logam. Jumlah yang

diberikan untuk masing-masing ion terlarut menunjukkan berapa banyak yang

substansi (dalam miligram) ada dalam 1 L air. Hal ini wajar menimbulkan pertanyaan:

Haruskah kita khawatir tentang jumlah kecil? Ion kalsium, misalnya, memiliki manfaat

kesehatan yang pasti dalam memproduksi tulang kuat. Susu dan produk susu, bukan

air Evian, adalah sumber yang disukai untuk ion kalsium, Anda harus minum 4 liter

air Evian untuk mendapatkan jumlah ion kalsium yang sama seperti dalam satu gelas

8-oz susu. Sebaliknya, ion nitrat, tergantung pada konsentrasi, bisa berbahaya,

terutama bagi bayi. Zat lain yang tertera botol air Evian tidak mungkin menyebabkan

masalah kesehatan. Di tempat lain pada label dicatat bahwa natrium (Na+

), menjadimasalah kesehatan bagi sebagian orang, ada kurang dari 5 mg per botol 500 mL.

Mungkin Anda tidak pernah mempertimbangkan minum segelas air sebagai

kegiatan risiko-keuntungan, namun haruslah demikian. Kita biasanya

mengasumsikan air yang telah dianalisis kimia dan diperlakukan memiliki kebaikan

penting dengan risiko yang sangat rendah. Sangat banyak, ini adalah asumsi yang

valid. Karena kebutuhan, bagaimanapun, setiap label tidak lengkap. Seperti telah

dicatat, tidak ada informasi tentang risiko kesehatan muncul untuk konsentrasi zat

terlarut diberikan. Tidak ada informasi muncul tentang apakah zat lain, jika ada, yang

ada dalam air atau apakah zat ini dapat berbahaya. Sebagai contoh, meskipun

sejumlah kecil timah ditemukan di sebagian besar sampel air, jumlahnya biasanya

terlalu rendah untuk menjadi masalah kesehatan. Jika air telah diklorinasi untukpemurnian, hampir pasti memiliki jumlah jejak beberapa produk klorinasi.

Dalam menilai risiko air minum, tidak cukup untuk mengetahui apa zat yang

ada dalam air dan seberapa beracun mereka. Kita juga perlu tahu berapa banyak dari

setiap substansi ada dalam jumlah tertentu air. Dengan kata lain, kita perlu

memahami apa yang dimaksud dengan konsentrasi zat terlarut dan cara khas untuk

mengungkapkan hal itu. Kita sekarang beralih ke topik ini.

5.4 Konsentrasi zat terlarut dalam Larutan berair



153

Konsep konsentrasi adalah pertama kali diperkenalkan di Bab 1 dalam

kaitannya dengan komposisi udara. Kita meninjau konsentrasi lagi dalam Bab 2 dan

3, melihat konsentrasi senyawa klorin di stratosfer dan pada gas rumah kaca di

troposfer. Sekarang kita akan membahas konsep ini dalam hal zat terlarut dalam air.

Meskipun konsentrasi komponen yang ditemukan di udara mungkin agak sulituntuk divisualisasikan, konsentrasi zat terlarut dalam larutan air yang lebih akrab dan

karena itu lebih mudah dibayangkan. Misalnya, jika resep meminta Anda untuk

melarutkan 1 sendok teh bahan dalam 1 cangkir air, larutan dengan konsentrasi

spesifik akan dihasilkan: 1 sdt per cangkir (1 sdt/cup). Perhatikan bahwa Anda akan

memiliki konsentrasi yang sama 1 sdt/cangkir jika Anda juga melarutkan 2 sdt bahan

dalam 2 gelas air, 4 sdt dalam 4 gelas, atau ½ sdt dalam ½ cangkir. Meskipun Anda

menggunakan jumlah yang lebih besar atau lebih kecil dari bahan tersebut, jumlah

gelas air meningkat atau menurun secara proporsional. Oleh karena itu, konsentrasi,

rasio jumlah zat terlarut terhadap jumlah larutan atau untuk resep ini, rasio jumlah

bahan untuk jumlah air larutan-akan sama dalam setiap kasus: 1 sdt per 1 cangkir (1

sdt/cangkir).Konsentrasi zat terlarut dalam larutan air mengikuti pola yang sama, namun

biasanya dinyatakan dalam satuan yang berbeda. Kita akan menggunakan empat

cara untuk mengekspresikan konsentrasi: persen, bagian per juta (ppm), bagian per

miliar (ppb), dan molaritas. Tiga dari yang akrab bagi Anda dari bab-bab sebelumnya,

keempat, molaritas, menggunakan konsep mol diperkenalkan di Bab 3. Kita sekarang

akan membahas masing-masing pada urutannya.

Cara yang paling akrab mengungkapkan konsentrasi persen, didefiniskan

dalam Bab 1 sebagai bagian per seratus. Sebagai contoh, larutan yang mengandung

5 g natrium klorida (NaCl) dalam 100 g larutan akan menjadi lima persen (5%) berat

larutan. Larutan hidrogen peroksida (H2O2), sering ditemukan sebagai antiseptik

dalam lemari obat, biasanya 3% H2O2, yang menunjukkan bahwa merekamengandung 3 g H2O2 dalam 100 g larutan (atau 6 g dalam 200 g larutan, dll).

Konsentrasi Persen paling sering digunakan untuk larutan konsentrasi zat terlarut

tinggi. Ketika konsentrasi zat terlarut jauh lebih rendah, dua unit yang sering

digunakan adalah ppm dan ppb.

Konsentrasi zat terlarut dalam air minum biasanya jauh lebih rendah daripada

1%, sehingga mereka sering digambarkan dalam bagian per juta (ppm, 1 bagian per

juta). Suatu larutan 1-ppm ion kalsium dalam air minum mengandung 1 g ion kalsium

dalam 1 juta (1.000.000, atau 106) g sampel itu. Konsentrasi yang sama, 1 ppm, dapat

diterapkan untuk larutan dengan 2 g ion kalsium dalam 2x 106 g air, 5 g dalam 5×106

g air, atau 5 mg (5×10-3 g) di 5000 (5×103) g air. Meskipun bagian per juta adalah unit

konsentrasi sangat berguna, berukuran 1 juta gram air sangat tidak nyaman. Jadi kitamenggunakan cara yang lebih mudah, tetapi setara dengan ppm. Kita menggunakan

unit liter (L), volume ditempati oleh 1000 g air pada suhu 4 °C. Sekarang kita dapat

mengatakan bahwa 1 ppm zat dalam air sama dengan 1 mg zat per 1 liter air.

Perhatikan bahwa unit saling menghilangkan.



154

Air minum mengandung zat alami ada pada jangkauan konsentrasi di bagian

per juta, seperti yang digambarkan pada label botol air Evian. Polutan juga dapat ada

dalam jangkauan bagian per juta. Misalnya, batas yang diterima untuk ion nitrat,

sering ditemukan pada air sumur di beberapa daerah pertanian, adalah 10 ppm, batas

untuk ion fluoride adalah 4 ppm.Beberapa polutan menjadi perhatian pada konsentrasi yang lebih rendah

daripada bagian per juta dan dilaporkan sebagai bagian per miliar (ppb, 1 bagian per

miliar). Satu bagian per miliar merkuri (Hg) dalam air berarti 1 g Hg dalam 1 miliar (1×

109) g air. Dalam istilah yang lebih nyaman, ini berarti 1 mikrogram (1× 10-6 g, atau

1µg) Hg dalam 1 L air. Misalnya, batas yang diterima untuk merkuri dalam air minum

adalah 2 ppb.

Yakinkan diri bahwa unit saling menghilangkan seperti pada contoh sebelumnya.

Satu bagian per juta adalah konsentrasi kecil. Beberapa analogi untuk

konsentrasi 1 ppm diberikan di Bagian 1.2, termasuk 1 ppm berkorespondensi

dengan 1 detik di hampir 12 hari. Sebuah analogi serupa dapat ditawarkan untuk

bagian per miliar: 1 ppb sesuai dengan 1 detik dalam 33 tahun, atau sekitar 1 inci

pada keliling Bumi.

Molaritas (M), Unit konsentrasi yang berguna lain, didefinisikan sebagai

jumlah mol dari zat terlarut dalam satu liter larutan.

Keuntungan besar dari molaritas adalah bahwa larutan dari molaritas sama

semuanya mengandung persis jumlah yang sama unit kimia (atom, ion, atau molekul).Misalnya, massa zat terlarut dapat bervariasi tergantung pada massa molar, tetapi

untuk semua 1 M larutan jumlah unit kimia akan sama. Metode analisis kimia air

sering menggunakan molaritas untuk mengekspresikan konsentrasi. Untuk saat ini,

kita hanya ingin mengembangkan beberapa keakraban dengan konsep molaritas

sendiri.

Sebagai contoh, pertimbangkan larutan NaCl dalam air. Molar massa NaCl

adalah 58,5 g, sehingga 1 mol NaCl berat 58,5 g. Jika kita melarutkan 58,5 g NaCl

dalam air dan kemudian menambahkan air yang cukup untuk membuat persis 1,00 L

larutan, kita akan memiliki 1,00 M larutan NaCl (Gambar 5.6), dan kita bisa

mengatakan bahwa kita telah menyiapkan larutan satu molar natrium klorida.

Perhatikan penggunaan labu volumetrik, jenis gelas yang berisi jumlah yang tepatdari larutan ketika diisi ke tanda pada lehernya. Tetapi karena konsentrasi hanya rasio

zat terlarut ke pelarut, ada banyak cara untuk membuat 1 M larutan NaCl.

Kemungkinan lain akan menggunakan 0.500 mol NaCl (29,2 g) di 0.500 L larutan. Ini

akan memerlukan penggunaan 500,0 mL labu volumetrik, daripada labu 1,00-L

ditunjukkan pada Gambar 5.6.



155

Katakanlah Anda memiliki sampel air yang memiliki 150 ppm merkuri di

dalamnya. Berapa konsentrasi ini jika dinyatakan dalam molaritas?

Dan ketika unit membatalkan:

Kita baru saja menunjukkan bahwa sampel air yang mengandung 150 ppm merkuri

juga dapat dinyatakan sebagai 7,5×10-4 M Hg.

Massa molar NaCl, 58,5 g, adalah jumlah dari

massa 1 mol natrium, 23,0 g, ditambah 1 mol klorin,

35,5 g. Lihat Bagian 3.7 untuk berlatih perhitungan

massa molar. Ingat bahwa 1 ppm = 1 mg/L dan

bahwa massa molar Hg adalah 200,6 g/mol.

Gambar 5.6 Mempersiapkan 1,00 M larutan NaCl.

Sejauh ini dalam bab ini kita telah

mengembangkan beberapa ide tentang air minum,

beberapa zat yang mungkin ada di dalamnya, dan

bagaimana mengekspresikan konsentrasi zat

tersebut. Kita beralih sekarang untuk pemeriksaan

yang lebih rinci air pada tingkat molekuler. Tujuan kita adalah untuk memahami sifat

unik air, termasuk keunggulannya sebagai pelarut.

5.5 Struktur Molekul dan Sifat Fisik Air

Apakah air? Jelas bahwa air sangat penting bagi kehidupan kita dan air yang

merupakan pelarut yang sangat baik. Apa yang mungkin tidak jelas adalah bahwa

ketergantungan kita pada air hanya mungkin karena air memiliki sejumlah sifat yang

tidak biasa. Bahkan, sifat fisik air yang cukup aneh, dan kita sangat beruntung akan

sifat air ini. Jika air adalah suatu senyawa yang lebih konvensional, kita tidak akan

ada.

Ini paling umum dari cairan ini penuh kejutan, jadi mari kita mulai dengan

keadaan fisiknya. Air adalah cair pada suhu kamar (sekitar 25 °C) dan tekanan

atmosfer normal. Hal ini mengejutkan karena hampir semua senyawa lain dengan

massa molar yang sama (18,0 g/mol) adalah gas-gas di bawah kondisi temperaturdan tekanan yang sama. Perhatikan tiga gas atmosfer umum (N2, O2, dan CO2) yang

massa molar adalah 28, 32, dan 44 g/mol. Semua memiliki massa molar lebih besar

dari air, namun mereka gas bukan cairan.

Tidak hanya air cair di bawah kondisi ini, tetapi juga memiliki anomali tinggi

titik didih 100 °C. Suhu ini adalah salah satu titik referensi untuk skala suhu Celcius.

Yang lainnya adalah titik beku air, 0 °C. Dan ketika air membeku, hal itu menunjukkan

sifat agak aneh lain-mengembang. Kebanyakan cairan mengkerut ketika mereka



156

membeku. Ini dan sifat yang tidak biasa lainnya berasal dari komposisi kimia air dan

struktur molekulnya.

Untuk lebih memahami kimia dan sifat fisik air, kita membutuhkan informasi

tentang komposisi kimia dan struktur molekul. Komposisi kimia diketahui hampir

semua orang. Memang, rumus untuk air, H2O, sangat mungkin paling dikenal sedikitdi dunia informasi kimia. Ingat dari Bab 2 bahwa air adalah molekul terikat secara

kovalen (Bagian 2.3). Dalam Bab 3 (Bagian 3.3), bentuk molekul air digambarkan

melalui model bola-dan-tongkat dan model space filling. Representasi ini

diperlihatkan lagi pada Gambar 5.7.

Gambar 5.6 Representasi dari H2O. (a) struktur Lewis dan rumus struktur, (b)

Space- filling Model, (c) Model Charge- density.

Elektron antara oksigen dan atom hidrogen yang membentuk ikatan kovalen

tidak dibagi rata. Bukti eksperimental menunjukkan bahwa atom oksigen menarik

pasangan elektron bersama lebih kuat daripada atom hidrogen. Untuk menggunakan

istilah teknis yang tepat, oksigen dikatakan memiliki elektronegativitas lebih tinggi

daripada hidrogen. Elektronegativitas (EN) adalah ukuran tarikan atom untuk elektron

itu dalam ikatan kovalen. Semakin besar elektronegativitas, semakin atom menarik

elektron ikatan untuk dirinya sendiri. Tabel 5.3 menunjukkan tabel periodik nilai

elektronegativitas untuk 18 unsur pertama, semua dalam subkelompok "A". Konsep

nilai elektronegativitas dan elektronegativitas diperkenalkan oleh kimia kuantum dan

biokimia Amerika besar, Linus Pauling (1901-1994).Pemeriksaan Tabel 5.3 mengungkapkan beberapa generalisasi yang berguna

tentang elektronegativitas. Nilai-nilai elektronegativitas tertinggi berhubungan dengan

unsur-unsur non logam seperti sebagai fluorine dan oksigen. Halogen, anggota

Kelompok 7A, memiliki atom dengan tujuh elektron terluar. Ingat dari Bagian 2.3

bahwa setiap atom memiliki kecenderungan kuat untuk berikatan dengan atom lain

sedemikian rupa untuk memperoleh pembagian dalam elektron tambahan, sehingga

menyempurnakan oktet elektron yang stabil. Argumen yang sama menjelaskan nilai-

nilai elektronegativitas tinggi untuk non logam lainnya. Sebagai contoh, oksigen,

dengan enam elektron terluar per atom, juga menunjukkan daya tarik yang relatif kuat

untuk elektron bersama dan biasanya akan berinteraksi dengan atom lain dengan

cara yang akan memungkinkan untuk berbagi dalam dua elektron tambahan.Sebaliknya, nilai-nilai elektronegativitas terendah berhubungan dengan logam yang

ditemukan di Grup 1A dan 2A. Atom unsur-unsur logam memiliki atraksi jauh lebih

lemah untuk elektron daripada nonmetals. Secara umum, nilai-nilai elektronegativitas

meningkat saat Anda bergerak di deretan tabel periodik dari kiri ke kanan (dari logam

untuk non logam) dan menurun saat Anda bergerak ke bawah segolongan dalam

Tabel.

Menurut Tabel 5.3, elektronegativitas oksigen adalah 3,5, dan hidrogen 2.1.

Karena perbedaan elektronegativitas ini, elektron bersama ditarik lebih dekat ke



157

oksigen yang lebih elektronegatif dan jauh dari hidrogen yang kurang elektronegatif.

Ini berbagi yang tidak sama memberikan ujung oksigen dari ikatan O -to-H muatan

parsial negatif dan ujung hidrogen muatan parsial positif. Hasilnya adalah ikatan

kovalen polar, ikatan kovalen di mana elektron tidak ditanggung bersama, melainkan

mengungsi ke arah atom yang lebih elektronegatif. Semakin besar perbedaanelektronegativitas unsur-unsur yang terlibat, semakin polar ikatan. Sebuah ikatan

kovalen polar adalah contoh dari kekuatan intramolekul, kekuatan yang ada dalam

molekul. Dalam Gambar 5.8, panah digunakan untuk menunjukkan arah di mana

pasangan elektron mengungsi. Dan simbol δ+ menunjukkan sebagian muatan negatif

positif dan parsial, masing-masing.

Gambar 5.9 (a) H2O, molekul kovalen polar dengan ikatan kovalen polar. (b) gambar

muatan -density menunjukkan muatan positif dan negatif parsial dalam sebuah

molekul air.

Suatu molekul yang mengandung ikatan kovalen nonpolar harus nonpolar.

Hal ini mengapa molekul diatomik seperti Cl2 atau H2 yang nonpolar. Namun, sebuahmolekul yang mengandung ikatan kovalen polar mungkin atau mungkin tidak polar.

Polaritas tergantung pada geometri molekul. Kasus spesifik molekul air ditunjukkan

pada Gambar 5.9. Perhatikan bahwa atom hidrogen memiliki muatan parsial positif

dan atom oksigen muatan negatif parsial. Banyak sifat unik dari air adalah

konsekuensi dari kedua polaritas molekul dan bentuk keseluruhan.

5.6 Peran Ikatan Hidrogen



158

Ikatan kovalen polar dapat membantu kita memahami beberapa sifat yang

tidak biasa dari air. Pertimbangkan apa yang terjadi pada tingkat molekuler ketika dua

molekul air mendekati satu sama lain. Karena berlawanan biaya menarik, salah satu

sebagian atom hidrogen bermuatan positif dari satu molekul air tertarik ke daerah

muatan negatif parsial yang terkait dengan pasangan elektron nonbonding padaoksigen dari air lainnya molekul. Ini adalah gaya antarmolekul, gaya yang terjadi

antara molekul. Setiap H2O molekul memiliki dua atom hidrogen dan dua pasang

nonbonding elektron yang memungkinkan untuk beberapa atraksi antarmolekul

(Gambar 5.10). Ikatan yang membentuk dikenal sebagai ikatan hidrogen, atraksi

elektrostatik antara atom hidrogen bantalan muatan positif parsial dalam satu molekul

dan O, N, atau atom F bantalan muatan negatif parsial dalam molekul tetangga.

Ikatan hidrogen biasanya hanya sepersepuluh sekuat ikatan kovalen yang

menghubungkan atom bersama-sama dalam molekul, mereka juga lebih panjang

daripada ikatan kovalen. Pengaruh ikatan hidrogen Pembentukan adalah penting

untuk memahami sifat yang tidak biasa air.

Meskipun ikatan hidrogen tidak sekuat ikatan kovalen, ikatan hidrogen cukupkuat dibandingkan dengan jenis lain dari gaya antarmolekul. Misalnya, untuk merebus

air, molekul H2O harus dipisahkan dari kontak yang relatif dekat mereka dalam

keadaan cair dan pindah ke bentuk gas, di mana mereka terpisah jauh jauh. Dengan

kata lain, ikatan hidrogen antarmolekul mereka harus dipatahkan. Jika ikatan

hidrogen dalam air yang lemah, air akan memiliki titik didih yang jauh lebih rendah

dan membutuhkan energi lebih sedikit untuk merebus. Jika air tidak memiliki ikatan

hidrogen sama sekali, itu akan mendidih pada sekitar75 °C, prediksi berdasarkan

massa molarnya. Karena ikatan hidrogen, hampir semua air tubuh kita, baik dalam

sel, darah, atau cairan tubuh lainnya, adalah dalam keadaan cair, jauh di bawah titik

didih. Eksistensi kita bergantung pada ikatan hidrogen.

Fenomena ikatan hidrogen tidak terbatas pada air. Ada bukti untuk daya tarikantarmolekul serupa dalam banyak molekul yang mengandung atom hidrogen terikat

secara kovalen dengan oksigen, nitrogen, atau atom fluorine. Dalam masing-masing

kasus, ikatan kovalen polar terbentuk dalam setiap molekul, kebutuhan yang

diperlukan untuk pembentukan ikatan hidrogen antarmolekul. Ikatan hidrogen juga

penting dalam menstabilkan bentuk molekul biologis yang besar, seperti protein dan

asam nukleat. Dalam protein, komponen utama dari kulit, rambut, dan otot, ikatan

hidrogen terjadi antara atom hidrogen dan atom oksigen atau nitrogen. Struktur heliks

ganda melingkar DNA (asam deoksiribonukleat) distabilkan oleh ribuan ikatan

hidrogen terbentuk antara segmen tertentu dari untai DNA terkait. Jadi dalam hal ini,

juga, ikatan hidrogen memainkan peran penting dalam proses kehidupan.

Ikatan hidrogen juga menjelaskan mengapa es batu dan gunung esmengambang dalam air. Es adalah deretan biasa dari molekul air di mana setiap

molekul H2O adalah hidrogen terikat empat molekul lainnya. Pola ini ditunjukkan pada

Gambar 5.11. Perhatikan bahwa pola mencakup baik mengenai ruang kosong dalam

bentuk saluran heksagonal. Ketika es meleleh, deretan ini biasa mulai rusak, dan

individu molekul H2O bisa masuk ke saluran terbuka. Akibatnya, molekul-molekul

dalam keadaan cair, rata-rata, lebih erat dikemas daripada dalam keadaan padat.

Dengan demikian, volume satu sentimeter kubik (1 cm3) cairan H2O mengandung

molekul lebih dari 1 cm3 es. Akibatnya, air cair memiliki massa yang lebih besar per



159

sentimeter kubik daripada es. Ini hanyalah cara lain untuk mengatakan bahwa

kepadatan, rasio massa per satuan volume, air cair lebih besar daripada es.

Untuk air, massa sering dinyatakan dalam gram dan volume dalam sentimeter

kubik (cm3), [identik dengan mililiter (mL)]. Selanjutnya, 1,00 cm3 air beratnya 1,00 g.

Dengan kata lain, densitas 1,00 g/cm3, atau 1,00 g/mL. Di sisi lain, 1 cm3 es beratnya0,92 g, sehingga densitas 0.92 g/cm3, atau 0,92 g/mL.

Orang sering bingung dengan kerapatan massa. Sebagai contoh, Anda

mungkin mendengar seseorang berkata bahwa besi adalah "berat" atau timbal yang

"sangat berat." Besar potongan besi dan timbal memang sering cukup berat, tetapi

lebih akurat untuk mengatakan besi yang memiliki kerapatan tinggi (7,9 g/cm3) dan

timbal kerapatan lebih tinggi (11,3 g/cm3). Kemudian lagi, popcorn memiliki kerapatan

rendah, kita cenderung untuk mengatakan bahwa bahkan sebuah tas besar popcorn

terasa "ringan."

Untuk sebagian besar zat, keadaan padat lebih rapat daripada cairan. Fakta

bahwa air menunjukkan perilaku sebaliknya berarti bahwa danau membeku dari atas

ke bawah, bukan dari bawah ke atas. Perilaku kocar-kacir ini nyaman bagi tanamanair, ikan, dan skaters es. Tentu saja, itu tidak begitu nyaman bagi orang-orang yang

pipa air dan radiator mobil meledak ketika air di dalamnya mengembang saat

membeku.

Gambar 5.11 Hidrogen-ikatan struktur kisi bentuk umum dari es. Perhatikan saluran

terbuka antara "lapisan" molekul air yang menyebabkan es menjadi kurang padatdibandingkan air.

Akhirnya, kita ingin memeriksa satu dari sifat yang tidak biasa dari air, yaitu,

yang kapasitas luar biasa tinggi untuk menyerap dan melepaskan panas. Sifat ini

diungkapkan oleh panas jenis, jumlah energi panas yang harus diserap untuk

meningkatkan suhu 1 g zat sebesar 1 °C. Panas jenis air cair adalah 1,00 kal/g °C,

yang berarti bahwa 1 kal energi akan menaikkan suhu 1 g air cair dengan 1 °C.



160

Bahkan, kalori awalnya didefiniskan dengan cara ini. Sebaliknya, ketika suhu 1 g air

cairan yang turun 1 °C, 1 kal panas dilepaskan. Panas jenis air juga dapat dinyatakan

sebagai 4,18 J/g °C. Air memiliki salah satu cairan dengan panas jenis yang tertinggi.

Karena ini, itu air adalah pendingin biasa digunakan untuk mengambil kelebihan

panas dalam industri kimia, pembangkit listrik, dan tubuh manusia. Sebagian besarsenyawa lainnya memiliki panas jenis yang lebih rendah secara signifikan.

Pada skala global, panas jenis air yang tinggi membantu menentukan iklim.

dengan menyerap sejumlah besar panas, lautan dan tetesan air di awan membantu

memediasi pemanasan global. Proses ini rumit dan dengan demikian itu adalah sulit

untuk menciptakan model pemanasan global yang akurat. Kita tahu panas yang

diserap ketika air menguap dari lautan, sungai, dan danau. Panas juga dilepaskan

ketika air mengembun sebagai hujan atau salju. Karena air memiliki kapasitas yang

lebih tinggi untuk menyimpan panas daripada bumi, ketika cuaca berubah dingin,

tanah mendingin lebih cepat. Air mempertahankan lebih banyak panas dan mampu

menghangatkan untuk waktu yang lebih lama untuk daerah perbatasan itu. Sifat

tersebut biasa dialami bagi siapa saja yang pernah tinggal di daerah pesisir utara.Panas jenis yang sangat tinggi dari air adalah konsekuensi dari ikatan

hidrogen yang kuat dan resultan tingkat keteraturan yang ada dalam cairan. Ketika

molekul sangat tertarik satu sama lain, banyak energi yang dibutuhkan untuk

mengatasi gaya antarmolekul dan memungkinkan molekul untuk bergerak lebih

bebas. Seperti halnya dengan air. Di sisi lain, gaya antarmolekul jauh lebih lemah

dalam cairan tanpa ikatan hydrogen seperti hidrokarbon benzena (C6 H6) dan

kekuatan yang lebih mudah untuk diatasi. Akibatnya, panas jenis untuk benzena

hanya 0.406 kal/g °C, kurang dari setengah dari air.

5.7 Tinjauan Lebih dekat pada Zat terlarut

Sebagaimana dibahas di Bagian 5.3, air merupakan pelarut yang sangat baikuntuk berbagai macam zat. Banyak kimia terjadi dalam larutan air sehingga, penting

untuk memiliki pemahaman tentang zat yang larut dalam air dan bagaimana proses

yang terjadi.

Perilaku larutan gula dan garam menggambarkan dua kelas utama larutan

berair. Suatu perbedaan yang signifikan antara keduanya dapat dibuktikan secara

eksperimental dengan meteran konduktivitas, suatu alat yang menghasilkan sinyal

untuk menunjukkan penghantaran listrik (Gambar 5.12). Dua kabel mengikatkan pada

baterai pada bola lampu. Selama dua kawat terpisah tidak menyentuh, rangkaian

listrik tidak tersambung. Jika kabel terpisahkan dimasukkan ke dalam air suling atau

larutan gula dalam air suling, bohlam tidak akan menyala. Namun, jika kabel yang

terpisah ditempatkan dalam larutan garam, bohlam menyala. Mungkin cahaya jugatelah berlangsung dalam pikiran pelaku eksperimen! Air murni atau larutan gula dalam

air tidak menghantarkan listrik dan karena itu tidak menyambungkan rangkaian listrik,

cahaya tidak bersinar. Gula adalah nonelektrolit, zat terlarut yang tidak

menghantarkan listrik ketika dalam larutan air. Tapi larutan garam meja berair yang

biasa, NaCl, menghantarkan listrik, dan menyalakan lampu. Sodium klorida dan zat

terlarut lainnya yang menghantarakan listrik adalah tergolong sebagai elektrolit, zat

terlarut yang menghantarkan listrik dalam larutan berair.



161

Apa yang membuat garam dalam larutan berperilaku secara berbeda dari gula

dalam larutan atau air murni? Yang diamati aliran arus listrik melalui larutan

melibatkan transportasi muatan listrik. Oleh karena itu, fakta bahwa larutan NaCl air

menghantarkan listrik menunjukkan mereka mengandung beberapa spesies

bermuatan yang mampu menggerakkan elektron melalui larutan. Ketika NaCl padatlarut dalam air, memisah menjadi Na+(aq) dan Cl-(aq). Ion adalah atom atau kelompok

atom yang telah memperoleh muatan listrik akibat memperoleh atau kehilangan satu

elektron atau lebih. Istilah ini berasal dari bahasa Yunani untuk, “wanderer”. Na+

adalah contoh dari kation, ion bermuatan positif. Cl- adalah contoh dari anion, ion

bermuatan negatif. Tidak ada pemisahan yang terjadi pada gula yang terikat kovalen

atau pada molekul air, membuat cairan ini tidak mampu membawa muatan listrik.

Meskipun ikatan hidrogen yang banyak ada di kedua larutan air dan gula, bahkan

ikatan kovalen polar tidak memiliki muatan yang cukup untuk pemisahan yang

memungkinkan pengangkutan muatan listrik.

Ini mungkin mengejutkan bahwa ion Na+ dan Cl-, ada baik dalam kristal garam

(seperti yang dijual di tempat garam) dan larutan garam. Padatan natrium kloridaadalah penataan kubik tiga dimensi ion natrium dan klorida menempati posisi secara

bergantian. Ikatan ion adalah ikatan kimia yang dibentuk oleh daya tarik antara ion

dengan muatan berkebalikan. Dalam kasus NaCl, ikatan ionik mempertahankan

kristal bersama-sama, tidak ada atom terikat secara kovalen, hanya kation bermuatan

positif dan anion bermuatan negatif ditata bersama oleh gaya tarik listrik. Senyawa

ion terdiri dari ion bermuatan listrik yang ada dalam proporsi tetap dan disusun dalam

pola geometris yang teratur. Dalam kasus NaCl, ion setiap Na+ dikelilingi oleh enam

ion Cl-. Demikian juga, setiap ion Cl-, dikelilingi oleh enam ion Na+ yang bermuatan

positif. Sebuah kristal tunggal kecildari natrium klorida terdiri dari banyak miliaran ion

Na+ dan Cl-, dalam pengaturan yang ditunjukkan pada Gambar 5.13.

Kita telah menggambarkan struktur dan beberapa sifat senyawa ion, tetapitidak menjelaskan mengapa atom tertentu kehilangan atau memperoleh elektron

untuk membentuk ion. Tidak mengherankan, jawabannya melibatkan distribusi

elektron dalam atom. Ingat bahwa atom natrium (nomor atom 11) memiliki 11 elektron

dan proton 11. Natrium, seperti semua logam di Grup 1A, memiliki satu elektron

valensi. Elektron ini agak longgar tertarik ke inti dan dapat dengan mudah hilang.

Ketika ini terjadi, Na Na atom menjadi sebuah ion Na+.

[5.1]

Ion Na+ berisi 11 proton, tetapi hanya 10 elektron, maka ia memiliki muatan

1+. Sepuluh elektron Ini konfigurasinya sama dengan elektron dalam unsur neon inert

(Ne), sehingga Na+ memiliki oktet lengkap. Tabel 5.4 menunjukkan perbandingan.



162

Gambar 5.12 Percobaan konduktivitas. (a) Air sulingan (nonconducting). (b)

Gula dilarutkan dalam air (nonconducting). (c) Garam dilarutkan dalam air

(melakukan).

Gambar 5.13 Susunan ion Na+ dan Cl- dalam kristal sodium klorida.

Ion Na+, seperti atom Ne, memiliki dua elektron dalam dan delapan elektron

terluar. Kita mungkin bisa menggeneralisasi dengan mengatakan bahwa logam

cenderung membentuk kation dengan kehilangan elektron valensi mereka. Logam

adalah kategori unsur-unsur dan ditemukan di kiri dan tengah blok dari tabel periodik.

Sebaliknya, atom klorin memiliki kecenderungan untuk mendapatkan elektron.

Ingat bahwa atom klor (nomor atom 17) memiliki 17 elektron dan 17 proton. Klorin,

seperti semua nonmetals di Grup 7A, memiliki tujuh elektron valensi. Karena stabilitas

yang terkait dengan delapan elektron terluar, secara energetik atom Cl akan

memperoleh elektron ekstra, persamaan 5.2 menunjukkan perubahan ini.



163

[5.2]

Ion klorida (Cl-) memiliki 18 elektron dan 17 proton, sehingga muatan bersih

adalah 1- (Tabel 5.5). Karena unsur klorin terdiri dari molekul diatomik Cl2, kita juga

dapat menulis perolehan elektron dengan cara berikut.

[5.3]

Secara umum, nonmetals ditemukan di sisi kanan pada tabel periodik dan

mendapat elektron untuk membentuk anion. Unsur-unsur di Grup 8A, gas mulia,

adalah pengecualian. Beberapa unsur Group 8A, seperti helium dan neon, tidak

menggabung secara kimia dengan unsur- unsur lain.

Ketika logam natrium dan gas klorin bereaksi, elektron ditransfer dari atom

natrium untuk atom klorin dengan melepas sejumlah besar energi. Hasilnya adalah

agregat ion Na+ dan ion Cl- dikenal sebagai natrium klorida. Dalam pembentukan

senyawa ion seperti natrium klorida, elektron sebenarnya ditransfer dari satu atom ke

yang lain, tidak hanya berbagi seperti dalam senyawa kovalen. Apakah ada bukti untuk ion bermuatan listrik pada natrium klorida murni? Uji

eksperimental menunjukkan bahwa kristal natrium klorida tidak menghantarkan listrik,

namun ketika kristal ini mencair, cairan yang dihasilkan menghantarkan listrik. Hal ini

memberikan bukti bahwa ion Na+ dan Cl- dari NaCl padat juga ada dalam keadaan

cair, tanpa kehadiran air. Kristal senyawa ionik NaCl dan lainnya adalah keras namun

rapuh. Ketika dipukul dengan tajam, mereka hancur bukannya memipih. Hal ini

menunjukkan adanya kekuatan yang kuat pada seluruh kristal ionik. Sebenarnya,

tidak ada hal seperti spesifik "ikatan ion" lokal analog dengan ikatan kovalen dalam

molekul. Sebaliknya, ikatan ionik umumnya mengikat bersama sejumlah besar ion.

Unsur-unsur lain membentuk ion dan senyawa ion, bukan hanya natrium dan

klorin. Transfer elektron untuk membentuk kation dan anion yang mungkin terjadiantara unsur-unsur logam dan unsur non logam, masing-masing. Natrium, lithium,

magnesium, dan unsur logam lainnya memiliki kecenderungan kuat untuk

menyerahkan elektron dan membentuk ion positif. Di sisi lain (atau sisi lain dari tabel

periodik), klorin, fluorine, oksigen, dan nonmetals lainnya memiliki daya tarik kuat bagi

elektron dan mudah mendapatkan elektron untuk membentuk ion negatif. Kalium

klorida (KCl) dan natrium iodida (NaI) adalah dua dari banyak senyawa tersebut.

Karena garam meja biasa (NaCl) adalah sebuah contoh penting senyawa ion,

kimiawan sering mengacu kepada senyawa ion lain hanya sebagai "garam", yang

berarti padatan kristal ionik.

5.8 Nama dan Rumus Senyawa ionikPada bagian ini, kita akan bekerja pada, “vocabulary” yang Anda butuhkan

untuk bekerja dengan senyawa ion. Seperti yang kita tunjukkan dalam Bab 1, simbol

kimia alfabet kimia, dan formula kimia adalah kata-kata. Sebelumnya, kita membantu

Anda untuk, berbicara kimia, yaitu, untuk menggunakan dengan benar rumus kimia

dan nama untuk zat di udara yang Anda hirup. Sekarang kita akan melakukan hal

yang sama untuk zat dalam air yang Anda minum. Sekali lagi kita ikuti filsafat, “need-

to- know”, membantu Anda belajar apa yang Anda butuhkan untuk memahami topik

di tangan.



164

Mari, mulai dengan senyawa ionik terbentuk dari unsur kalsium dan klorin:

CaCl2. Penjelasan untuk rasio 1:2 dari Ca ke Cl terletak dalam muatan dari dua ion.

Kalsium, anggota Grup 2A, mudah kehilangan dua elektron luarnya untuk membentuk

Ca2+.

[5.4]

Klor, seperti yang kita lihat dalam persamaan 5.2, memperoleh sebuah

elektron terluar untuk membentuk Cl-. Dua Ion Cl- diperlukan untuk menyeimbangkan

muatan masing-masing ion Ca2+. Oleh karena itu, rumus untuk senyawa ini adalah

CaCl2. Dalam senyawa ion, jumlah muatan positif sama dengan jumlah muatan

negatif.

Logikanya adalah hal yang sama dengan MgO dan Al2O3, dua senyawa ionik

lainnya. Ini keduanya mengandung oksigen, tetapi dalam rasio yang berbeda. Ingat

bahwa oksigen, Grup 6A, memiliki enam elektron terluar. Dengan demikian sebuah

atom oksigen netral dapat memperoleh dua elektron untuk membentuk ion O2-. Atom

magnesium kehilangan dua elektron untuk membentuk Mg

2+

. Kedua ion haruskemudian bergabung dalam rasio 1:1 sehingga muatan keseluruhan akan menjadi

nol; rumus kimianya adalah MgO. Perhatikan bahwa walaupun muatan selalu harus

ditulis pada ion individu, kita menghilangkan muatan dalam rumus kimia dari senyawa

ionik. Dengan demikian, adalah tidak benar untuk menulis rumus kimia sebagai

Mg2+O2-. Muatan yang tersirat pada rumus bahan kimia.

Berikut adalah contoh lain. Diperlengkapi dengan pengetahuan bahwa

aluminium cenderung kehilangan tiga elektron untuk membentuk ion Al3+, Anda dapat

menulis rumus kimia senyawa ionik terbentuk dari Al3+ dan O2? ion sebagai Al2O3. Di

sini, rasio ion 2:3 diperlukan agar muatan listrik keseluruhan pada senyawa tersebut

akan menjadi nol. Sekali lagi, tidak benar untuk menulis rumus kimia Al23+O32-.

Sebelumnya dalam bab ini, kita sebut beberapa senyawa ionik dengan nama

mereka, termasuk natrium klorida, natrium iodida, dan kalium klorida. Perhatikan

pola: Nama kation pertama, baru anion, dimodifikasi akhiran-ida. Dengan demikian,

nama CaCl2 adalah kalsium klorida. Demikian pula, NaI adalah natrium iodida dan

KCl adalah kalium klorida. Selalu gunakan spasi diantara dua nama.

Unsur-unsur yang disajikan sejauh ini terbentuk hanya satu jenis ion. Unsur

Grup 1A dan 2A hanya membentuk ion 1+ dan2+, masing-masing. Halogen hanya

membentuk ion 1-. Lithium Bromida adalah LiBr. Rasio 1:1 dipahami karena lithium

hanya merupakan Li+ dan beromin hanya membentuk Br -. Tidak perlu menyebutnya

monolithium monobromide. AlCl3 adalah aluminium klorida, bukan aluminium

triklorida. Aluminium hanya membentuk ion Al3+, dan rasio 1:3 sudah dipahami

sehingga tidak perlu disebutkan. Perhatikan bahwa prefiks mono-, di -, tri -, dan tetra-

tidak digunakan ketika penamaan senyawa ionik seperti ini.



165

Gambar 5.14 Ion yang umum terbentuk dari unsur mereka. Ion dalam hijau (kation)

atau biru (anion) hanya memiliki satu muatan. Ion merah (kation) memiliki lebih dari

satu muatan ionik yang mungkin.

Tetapi beberapa unsur yang dibentuk lebih dari satu ion, seperti yang Anda

lihat pada Gambar 5.14. Prefixes masih belum digunakan, melainkan muatan ion

harus spesifik menggunakan angka romawi. Tembaga misalnya. Jika instruktur Anda

meminta Anda untuk ke gudang dan mengambil beberapa oksida tembaga, apa yang

akan Anda lakukan? Anda akan bertanya apakah apa yang diinginkan adalah

tembaga(I) oksida atau tembaga(II) oksida, kan? Demikian pula, zat besi dapat

membentuk oksida yang berbeda. Dua kombinasi yang mungkin adalah FeO

(terbentuk dari Fe2+) Dan Fe2O3 (terbentuk dari Fe3+, biasa disebut karat). Nama-

nama untuk FeO dan Fe2O3 adalah besi(II) oksida dan besi(III) oksida, masing-

masing. Perhatikan spasi setelah kurung, tetapi tidak ada spasi sebelum kurung dari

angka romawi.Sekali lagi bandingkan. Nama CuCl2 adalah tembaga(II) klorida, tetapi nama

CaCl2 adalah kalsium klorida. Kalsium hanya membentuk satu ion (Ca2+), sedangkan

tembaga dapat membentuk dua.

Senyawa ion mungkin mengandung ion poliatomik, ion yang terdiri dari dua

atau lebih atom kovalen terikat bersama-sama. Sebuah contoh adalah ion sulfat,

SO42-, dengan empat atom oksigen terikat secara kovalen dengan atom belerang

pusat. Struktur Lewis ditunjukkan pada Gambar 5.15 mengungkapkan bahwa ada 32



166

elektron, 2 lebih dari 30 elektron valensi disediakan oleh salah satu atom S(6) dan

empat atom O (4x 6= 24). "Ekstra " dua elektron memberikan ion sulfat muatan 2-.

Tabel 5.6 daftar ion poliatomik umum. Kebanyakan anion, tetapi kation

poliatomik juga dimungkinkan, seperti dalam kasus ion amonium, NH4+. Perhatikan

bahwa beberapa unsur (karbon, sulfur, dan nitrogen) membentuk lebih dari satu anionpoliatomik dengan oksigen.

Aturan untuk penamaan senyawa ion yang mengandung ion poliatomik yang

mirip dengan untuk senyawa ion dari dua unsur. Perhatikan, misalnya, aluminium

sulfat, senyawa ion yang digunakan dalam pemurnian air. Senyawa ini terbentuk dari

ion Al3+ dan SO42-. Seperti berlaku untuk semua senyawa ion, nama kation diberikan

pertama. Perhatikan bahwa nama anion adalah sulfat dan tidak berakhiran -ida.

Sebaliknya, gunakan nama dalam Tabel 5.6. Juga mencatat bahwa prefiks seperti di-

dan tri-tidak digunakan dalam nama dan tidak ada angka Romawi kecuali kation

memiliki lebih dari satu muatan mungkin.

Rumus kimia untuk senyawa ionik yang mengandung ion poliatomik juga

didasarkan pada keseimbangan muatan listrik. Biaya pada ion positif harus sama diion negatif. Jadi untuk aluminium sulfat, ion Al3+ dan SO4

2- harus dalam rasio 2:3, dan

Tabel 5.7 menunjukkan rasio ini. Bila Anda melihat Al2(SO4)3, "membaca" rumus kimia

ini sebagai senyawa yang mengandung dua jenis ion: aluminium dan sulfat.

Tanda kurung dalam Al2(SO4)3 dapat membantu Anda. Subskrip 3 berlaku

untuk seluruh ion SO42- yang dalam tanda kurung. Dengan demikian, Anda "membaca

" ini sebagai tiga ion sulfat, bukan sebagai salah satu unit yang lebih besar terdiri dari

tiga ion sulfat. Demikian pula, dalam senyawa ion amonium Sulfida (lihat Tabel 5.7),

ion NH4+ dalam tanda kurung. Subskrip 2 menunjukkan bahwa ada dua ion amonium

untuk setiap ion Sulfida.

Dalam beberapa kasus, meskipun, ion poliatomik tidak akan tertutup dalam

tanda kurung. Tabel 5.7 menunjukkan dua contoh. Ion PO43-

dalam aluminium fosfattidak memiliki tanda kurung, sama, ion NH4

+ dalam amonium klorida tidak memiliki

tanda kurung. Meskipun demikian, Anda masih harus "membaca" rumus kimia AlPO4

sebagai mengandung ion fosfat, dan Anda harus "membaca" NH4Cl sebagai

mengandung ion amonium. Kurung dihilangkan ketika subscript dari ion poliatomik

adalah 1.

5.9 Larutan Air Senyawa ionik

Kita sekarang dalam posisi untuk memahami salah satu sifat yang paling

penting dari senyawa ionik, yaitu, mengapa banyak cukup larut dalam air. Ingat dari

Bagian 5.6 bahwa molekul air bersifat polar. Ketika sampel padat senyawa ion

ditempatkan dalam air, kutub H2O molekul yang tertarik ke individu ion. Muatan parsial



167

negatif pada atom oksigen dari molekul air tertarik ke kation bermuatan positif dari zat

terlarut. Pada saat yang sama, atom hidrogen dalam H2O, dengan muatan positif

parsial mereka, tertarik dengan anion bermuatan negatif dari zat terlarut. Dengan

demikian, ion dipisahkan dan kemudian dikelilingi oleh molekul air, sehingga daya

tarik anion-kation dalam padatan berkurang. Persamaan 5.5 dan Gambar 5.16merupakan proses ini untuk natrium klorida dan air.

[5,5]

Ketika senyawa yang mengandung ion poliatomik larut dalam air, ion-ion poliatomik

tetap utuh. Misalnya, ketika natrium sulfat larut dalam air, ion natrium dan ion sulfat

hanya terpisah. [5.6]

Gambar 5.16 Pemisahan natrium klorida dalam air.

Apa yang baru saja dijelaskan untuk natrium klorida dan natrium sulfat larut

dalam air benar bagi banyak senyawa ion lainnya. Memang, perilaku ini begitu umumbahwa kimia senyawa ion sebagian besar bahwa perilaku mereka dalam larutan air.

Sebaliknya, hampir semua sampel air alami mengandung berbagai jumlah ion.

Bahkan cairan tubuh kita mengandung konsentrasi ion yang signifikan.

Pada prinsipnya, proses melarutkan dalam air, seperti yang baru saja

dijelaskan, seharusnya berlaku untuk setiap senyawa ionik. Memang, banyak

senyawa ionik sangat larut dalam air. Tapi beberapa yang terbaik hanya sedikit larut,

yang lain memiliki kelarutan sangat rendah. Alasan untuk ini berbagai perilaku

melibatkan ukuran dan muatan ion, seberapa kuat ion menarik satu sama lain, dan



168

seberapa kuat ion tertarik pada molekul air. Beberapa generalisasi yang cukup

berguna untuk memprediksi kelarutan senyawa ion umum (Tabel 5.8).

Anda dapat menggunakan Tabel 5.8 untuk menentukan kelarutan (atau tidak

dapat) dari banyak senyawa. Misalnya, kalsium nitrat, Ca(NO3)2, larut dalam air

seperti semua senyawa mengandung ion nitrat. Kalsium karbonat, CaCO3, tidak larutkarena kebanyakan karbonat adalah tidak larut, dan kalsium bukan salah satu

pengecualian untuk karbonat. Dengan penalaran mirip, tembaga(II) hidroksida,

Cu(OH)2, tidak larut, tapi tembaga(II) sulfat, CuSO4, larut.

Para daratan di Bumi yang sebagian besar terdiri dari mineral yang terdiri dari

senyawa ion yang memiliki kelarutan sangat rendah dalam air. Jika itu tidak terjadi,

sebagian besar akan dilarutkan sejak lama. Tabel 5.9 merangkum beberapa

konsekuensi lingkungan dari kelarutan yang berbeda dari mineral dan zat lainnya

dalam air.

5.10 Senyawa kovalen dan Larutannya

Dari pembahasan sebelumnya, Anda mungkin mendapatkan kesan bahwa

hanya senyawa ion larut dalam air. Tapi, jenis lain dari senyawa larut juga.

Pengalaman umum mengatakan kepada kita bahwa gula meja biasa larut dalam air

dengan mudah. Tapi gula meja, secara kimia dikenal sebagai sukrosa, tidak

mengandung ion, yang merupakan senyawa kovalen. Seperti air, karbon dioksida,

chlorofluorocarbon, dan banyak senyawa lain yang Anda telah membaca, molekul

gula meja terdiri dari atom terikat secara kovalen. Rumus untuk sukrosa adalah



169

C12H22O11, dan ada sebagai molekul individu terikat secara kovalen yang terdiri dari

45 atom (Gambar 5.17).

Ketika gula larut dalam air, molekul tersebar seragam di antara molekul H2O.

Seperti dalam semua larutan sejati, pencampuran adalah pada tingkat yang paling

mendasar dari tingkat zat terlarut dan pelarut-molekul atau ion. molekul C12H22O11

tetap utuh dan tidak terpisah menjadi ion. Bukti untuk ini adalah fakta bahwa larutan

sukrosa berair tidak menghantarkan listrik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar

5.12. Namun, molekul gula yang berinteraksi dengan molekul air. Bahkan, kelarutan

selalu dipromosikan ketika daya tarik bersih ada antara molekul pelarut dan molekul

zat terlarut atau ion. Hal ini menunjukkan aturan kelarutan umum: like dissolve like.

Senyawa dengan komposisi kimia dan struktur molekul yang mirip cenderung

membentuk larutan satu sama lain. Kekuatan menarik antarmolekul antara molekul

serupa yang tinggi, mempromosikan kelarutan. Senyawa berbeda tidak larut dalam

satu sama lain.

Perhatikan, misalnya, tiga akrab senyawa berikatan kovalen, yang semuanya

sangat larut dalam air: sukrosa, etilen glikol (bahan utama dalam antibeku), danetanol (etil alkohol, "alkohol gandum " ditemukan dalam minuman beralkohol). Seperti

semua alkohol, mengandung satu atau lebih gugus -OH (Angka 5.18 dan 5.19).

Kita mulai dengan yang sederhana, etanol, C2H5OH. Gugus -OH pada molekul

C2H5OH dapat membentuk ikatan hidrogen dengan molekul H2O (lihat Gambar 5.19).

Ikatan hidrogen ini adalah alasan bahwa air dan etanol memiliki affinitas besar satu

sama lain, kesimpulan konsisten dengan kenyataan bahwa mereka membentuk

larutan dalam semua perbandingan. Etilena glikol juga merupakan alkohol tetapi



170

memiliki dua gugus -OH tersedia untuk ikatan hidrogen dengan H2O. Oleh karena itu,

etilena glikol sangat larut dalam air, sifat yang diperlukan untuk bahan antibeku.

Gambar 5.17 Struktur molekul sukrosa. Gugus -OH ditunjukkan dengan warna

merah.

Gambar 5.18 Struktur Lewis etanol dan etilen glikol.

Gambar 5.19 Ikatan hidrogen antara molekul etanol dan molekul air.

Akhirnya, kita meninjau sukrosa, senyawa yang diperkenalkan bagian ini.

Pemeriksaan strukturnya (lihat Gambar 5.17) menunjukkan bahwa molekul sukrosa

berisi delapan gugus -OH dan tiga atom oksigen tambahan yang dapat berpartisipasi

dalam ikatan hidrogen. Ini membantu menjelaskan kelarutan gula yang tinggi dalam

air.

“Like dissolve like" adalah generalisasi yang berguna. Tersirat adalah

kenyataan bahwa senyawa berikatan kovalen yang berbeda dalam komposisi dan

struktur molekul tidak menarik satu sama lain dengan kuat. Telah sering mengamati

bahwa "minyak dan air tidak bercampur. " Mereka tidak mencampur karena mereka

secara struktural sangat berbeda. Molekul air sangat polar, sedangkan minyak terdiridari molekul hidrokarbon nonpolar. Ketika kontak, molekul-molekul ini tetap dengan

mereka sendiri, seperti air hujan berceceran di trotoar tertutup minyak (Gambar 5.20).

Molekul air mmbentuk bola-bola bersama di genangan air kecil sepanjang permukaan

berminyak. Anda mungkin juga telah melihat efek yang sama ketika air menimpa kap

mobil yang baru di-wax, karena lilin juga terdiri dari hidrokarbon nonpolar. Tapi

berminyak, senyawa nonpolar larut umumnya mudah terjadi pada hidrokarbon atau

hidrokarbon diklorinasi. Untuk alasan ini, yang terakhir sering digunakan dalam

pelarut dry-cleaning.



171

Kecenderungan senyawa nonpolar bercampur dengan zat nonpolar lainnya

mempengaruhi bagaimana ikan dan hewan menyimpan zat yang sangat beracun

tertentu seperti PCB (polychlorinated biphenyls) atau pestisida DDT. Molekul PCB

dan DDT yang nonpolar, dan jadi ketika ikan menyerapnya dari air, molekul disimpan

dalam lemak tubuh (juga nonpolar) daripada dalam darah (larutan sangat polar).Pelarut yang digunakan untuk dry-clean pakaian biasanya senyawa diklorinasi

seperti tetrachloroethylene, Cl2C=CCl2, juga dikenal sebagai "PERC"

(perkloroetilena). PERC adalah karsinogen bagi manusia, suatu senyawa yang dapat

menyebabkan kanker. Bahan-bahan ini juga memiliki konsekuensi lingkungan yang

serius. Dr Joe DeSimone dari University of North Carolina-Chapel Hill telah

menemukan pengganti senyawa klorin dengan sintesis pembersih deterjen yang

bekerja dalam karbon dioksida cair. Kunci untuk proses ini adalah deterjen, molekul

dirancang sedemikian rupa sehingga salah satu ujung molekul yang larut dalam zat

nonpolar seperti minyak dan noda minyak, sedangkan ujung yang lain larut dalam

CO2 cair. Metode baru mendaur ulang karbon dioksida yang dihasilkan sebagai

produk limbah dari proses industri. Mengganti volume besar PERC denganmenggunakan daur ulang CO2 mengurangi efek negatif PERC di tempat kerja dan

lingkungan. Proses terobosan membuka jalan untuk merancang pengganti

konvensional pelarut terhalogenasi saat ini digunakan dalam manufaktur dan industri

pembuatan pelapis. Untuk karyanya, Profesor DeSimone menerima 1997

Presidential Green Chemistry Challenge Award.

Gambar 5.20 Minyak dan air tidak larut dalam satu sama lain.

5.11 Melindungi Air Minum Kita: Legislasi Federal

Kita sekarang dapat memberlakukan untuk air minum apa yang kita ketahuitentang struktur dan sifat-sifat air murni dan larutan air. Apa yang larut dalam air

minum menentukan kualitas dan potensi efek yang merugikan kesehatan. Menjaga

persediaan air masyarakat yang aman telah lama diakui sebagai masalah kesehatan

masyarakat yang penting. Pada tahun 1974, Kongres AS mengesahkan Safe

Drinking Water Act (SDWA) dalam menanggapi kekhawatiran masyarakat tentang zat

berbahaya dalam pasokan air minum. Tujuan dari SDWA, sebagaimana telah diubah

pada tahun 1996, adalah untuk memberikan perlindungan kesehatan masyarakat



172

untuk semua orang Amerika yang mendapatkan air dari pasokan air masyarakat

(lebih dari 250 juta orang). Kontaminan yang mungkin risiko kesehatan diatur oleh

EPA sebagai dibutuhkan oleh SDWA. EPA menetapkan batas hukum untuk

kontaminan tersebut sesuai dengan tingkat risiko mereka merugikan (Tabel 5.10).

Batasan ini juga memperhitungkan realitas praktis utilitas air hadapi dalam mencobauntuk menghilangkan kontaminan dengan menggunakan teknologi yang tersedia.

Untuk setiap kontaminan, EPA telah menetapkan tujuan tingkat kontaminan

maksimum (MCLG). MCLG adalah tingkat maksimum kontaminan dalam air di mana

tidak diketahui atau diantisipasi efek buruk pada kesehatan orang akan terjadi minum.

Mereka dianggap tingkat, dinyatakan dalam bagian per juta atau bagian per miliar, di

mana manusia dengan berat 70 kg (154 lb) bisa minum 2 L (sekitar 2 qt) air yang

mengandung kontaminan setiap hari selama 70 tahun tanpa menderita efek sakit.

Setiap MCLG termasuk built-in keselamatan faktor akuntansi untuk ketidakpastian

dalam pengumpulan data dan untuk berapa orang yang berbeda mungkin bereaksi

terhadap setiap kontaminan. Sebuah MCLG bukanlah batas hukum dengan mana

sistem air harus mematuhi, itu adalah tujuan, berdasarkan pertimbangan kesehatanmanusia. Untuk diketahui karsinogen, EPA telah menetapkan tujuan kesehatan di nol,

dengan asumsi bahwa setiap paparan zat bisa menimbulkan risiko kanker.

Sebelum tindakan pengaturan diambil terhadap utilitas air, konsentrasi

pengotor harus melebihi tingkat kontaminan maksimum (MCL). MCL menetapkan

batas hukum untuk konsentrasi kontaminan. Hal ini dinyatakan dalam bagian per juta

atau bagian per miliar. EPA menetapkan batas-batas hukum untuk setiap pengotor

sebagai dekat dengan MCLG yang mungkin, mengingat realitas praktis teknis dan

hambatan keuangan yang mungkin membuat sulit untuk mencapai tujuan. Kecuali

untuk kontaminan diatur sebagai karsinogen, yang MCLG adalah nol, batas hukum

dan tujuan kesehatan adalah sama. Bahkan ketika mereka kurang ketat daripada

MCLGs, para MCLs memberikan substansial perlindungan kesehatan masyarakat.

Karena peningkatan deteksi dan metode analisis kuantitatif, jumlah

kontaminan diatur dalam air minum meningkat setiap kali DPR mengupdate undang-

undang. Batas bawah untuk nilai MCL telah ditetapkan setelah informasi risiko yang

lebih akurat telah menjadi tersedia. Saat ini, lebih dari 80 kontaminan diatur, mereka

masuk ke dalam beberapa kategori utama: logam (misalnya, kadmium, kromium,

tembaga, merkuri, dan timbal), beberapa unsur-unsur non-logam (seperti, fluorine

dan arsen), pestisida, pelarut industri, senyawa yang terkait dengan manufaktur



173

plastik, dan bahan radioaktif. Tergantung pada kontaminan tertentu, MCLs bervariasi

dari sekitar 10 ppm sampai kurang dari 1 ppb. Beberapa kontaminan mengganggu

hati atau fungsi ginjal. Kontaminan lain dapat mempengaruhi sistem saraf jika tertelan

dalam jangka panjang pada tingkat konsisten di atas batas legal (MCL). Ibu hamil dan

bayi berada pada risiko tertentu untuk beberapa kontaminan karena efek merekapada janin yang sedang berkembang atau sistem pencernaan bayi.

Selain kontaminan yang dapat menimbulkan masalah kesehatan kronis, zat

lain dalam air minum menimbulkan risiko kesehatan yang akut. Sebagai contoh, ion

nitrat (NO3-) dan nitrit (NO2

-) membatasi kemampuan darah untuk membawa oksigen.

Bahkan ketika dikonsumsi dalam dosis kecil, ion ini menyebabkan efek kesehatan

langsung bagi bayi. Oleh karena itu, batas EPA untuk ion nitrat dan nitrit dalam air

minum secara khusus melindungi bayi. Risiko lain kesehatan akut biologis, bukan

bahan kimia, dari bakteri, virus, dan mikroorganisme lainnya, termasuk

Cryptosporidium dan Giardia. Peringatan Berita Media mengumumkan "darurat air

mendidih” biasanya hasil dari pelanggaran "total coliform". Coliform adalah kelas yang

luas dari bakteri, yang sebagian besar tidak berbahaya, yang hidup di saluranpencernaan manusia dan hewan lainnya. Keberadaan konsentrasi coliform dalam air

yang tinggi biasanya menunjukkan bahwa sistem pengolahan atau distribusi air tidak

berfungsi sebagaimana mestinya. Diare, kram, mual, dan muntah, gejala penyakit

terkait coliform, tidak serius untuk orang dewasa sehat, tetapi bisa mengancam hidup

bagi anak-anak yang sangat muda, orang tua, atau orang-orang dengan sistem

kekebalan yang lemah.

Selain Safe Drinking Water Act , undang-undang federal lainnya juga

mengontrol pencemaran air permukaan, termasuk danau, sungai, dan pesisir. Clean

Water Act (CWA), disahkan oleh Kongres pada tahun 1972 dan telah beberapa kali

diubah, memberikan dasar bagi kemajuan dramatis dalam mengurangi polusi air

permukaan selama tiga dekade terakhir. CWA menetapkan batasan pada jumlahpolutan yang industri dapat memasuki perairan, sehingga menjadi tindakan yang

telah menghilangkan lebih dari satu miliar pound polutan beracun dari perairan AS

setiap tahun. Perbaikan kualitas air permukaan memiliki setidaknya dua efek

keuntungan finansial utama: Mereka mengurangi jumlah pembersihan yang

diperlukan untuk pasokan air minum publik, dan mereka menghasilkan lingkungan

alam lebih menyehatkan bagi organisme akuatik. Pada gilirannya, ekosistem perairan

yang lebih sehat memiliki banyak keuntungan langsung bagi manusia. Sesuai dengan

tren baru terhadap kimia hijau, industri menemukan cara untuk mengkonversi bahan

limbah menjadi produk yang berguna, serta sejak awalnya merancang proses

sehingga mereka tidak menggunakan atau menghasilkan zat yang menurunkan

kualitas air.5.12 Pengolahan Air Minum Kota

Hanya karena pasokan air yang besar, tidak ada jaminan bahwa air itu cocok

untuk minum. Mariner kuno terdampar Coleridge tahu ini semua terlalu baik, karena

ia dikelilingi oleh "Air, air di mana-mana, tidak ada setetes yang bisa diminum." Jadi

bagaimana air diolah agar bisa diminum, yaitu cocok untuk dikonsumsi manusia?

Langkah pertama dalam pabrik pengolahan air minum kota yang khas

(Gambar 5.21) adalah untuk melewatkan air melalui filter yang memisahkan objek

yang lebih besar baik alami (ikan dan batng-batang) dan buatan (ban dan kaleng



174

minuman). Langkah selanjutnya yang biasa adalah menambahkan dua bahan kimia,

aluminium sulfat, Al2(SO4)3, dan kalsium hidroksida, Ca(OH)2. Senyawa ini disebut

agen untuk flokulasi dan bereaksi membentuk lengket flok, atau gel, aluminium

hidroksida, Al(OH)3, yang mengumpulkan tanah liat tersuspensi dan partikel kotoran

pada permukaan (persamaan 5.7). Gel Al (OH)3 mengendap, perlahan-lahanmembawa partikel tersuspensi ke dalam tangki pengendapan. Setiap partikel yang

tersisa dihilangkan ketika air disaring melalui arang atau kerikil dan kemudian pasir.

[5.7]

Air yang telah disaring kemudian dipompa ke tahap desinfeksi berikutnya

untuk membunuh organisme penyebab penyakit. Ini adalah yang paling penting untuk

membuat air minum yang aman. Di Amerika Serikat, paling sering dilakukan dengan

klorinasi. Klorin biasanya ditambahkan dalam salah satu dari tiga bentuk: gas klor, Cl

2, sodium hipoklorit, NaClO, atau kalsium hipoklorit, Ca(ClO)2. Agen anti bakteri yang

dihasilkan dalam larutan oleh semua tiga substansi adalah asam hipoklorit, HClO.

Tingkat klorinasi diatur sehingga konsentrasi yang sangat rendah HClO, antara 0,075dan 0,600 ppm, masih dalam larutan air untuk melindungi terhadap kontaminasi

bakteri lanjut saat melewati pipa untuk pengguna. Di beberapa bagian dari US,

natrium fluorida, NaF, ditambahkan ke air yang diolah untuk membantu melindungi

melawan kerusakan gigi. Langkah ini akan dibahas secara lebih rinci pada akhir

bagian ini.

Sebelum klorinasi digunakan, ribuan orang meninggal dalam wabah yang

menyebar melalui air yang tercemar. Dalam sebuah studi klasik, John Snow mampu

melacak epidemi kolera pertengahan 1800-an di London karena air yang

terkontaminasi dengan kotoran korban dari penyakit ini. Sebuah contoh yang lebih

kontemporer terjadi di Peru pada tahun 1991. Epidemi kolera ini terlacak di bakteri di

shellfish tumbuh di muara yang tercemar dengan tinja yang tidak diolah. Bakteri

menemukan jalan mereka ke dalam air, di mana mereka terus bertambah banyak

karena tidak adanya klorinasi.

Gambar 5.21 Contoh Fasilitas pengolahan air kota



175

Klorinasi, bagaimanapun, memiliki kelemahan. Rasa dan bau residu klorin

dapat menjadi keberatan bagi beberapa orang dan merupakan alasan yang sering

dikutip sebagai mengapa orang minum air kemasan atau gunakan air rumah yang

disaring untuk menghilangkan residu klorin di keran. Suatu kelemahan yang mungkin

lebih serius adalah reaksi residu klorin dengan zat lain dalam air untuk membentukproduk sampingan pada tingkat yang berbahaya. Yang paling banyak dipublikasikan

di antaranya adalah trihalomethanes (THMs) seperti kloroform, CHCl3.

Banyak kota Eropa dan beberapa di AS menggunakan ozon (O3) untuk

mensterilkan pasokan air mereka. Bab 1 membahas ozon troposfer sebagai polutan

udara yang serius. Bab 2 menggambarkan efek menguntungkan lapisan ozon

stratosfir. Dalam pengolahan air, sifat beracun ozon digunakan untuk tujuan

menguntungkan. Tingkat tindakan antibakteri yang diperlukan dapat dicapai dengan

konsentrasi ozon yang lebih kecil daripada klorin, dan ozon lebih efektif daripada

klorin terhadap virus yang ditularkan melalui air. Tapi ozonisasi lebih mahal daripada

klorinasi dan menjadi ekonomis hanya untuk pabrik pengolahan air besar. Suatu

kelemahan utama tambahan dari ozon adalah bahwa hal itu cepat terurai dankarenanya tidak melindungi air dari kontaminasi setelah air meninggalkan pabrik

pengolahan. Akibatnya, dosis rendah klorin ditambahkan ke dalam air terozonasi saat

meninggalkan pabrik pengolahan.

Metode lain desinfeksi yang mulai populer adalah penggunaan radiasi sinar

ultraviolet (UV). Dalam Bab 2 hal itu menunjukkan bahwa radiasi UV berbahaya bagi

makhluk hidup, termasuk bakteri. Desinfeksi UV sangat cepat, tidak meninggalkan

residu produk samping, dan ekonomis untuk instalasi kecil (termasuk rumah

pedesaan dengan air sumur yang tidak aman). Seperti ozonisasi, disinfeksi UV tidak

melindungi air dari kontaminasi setelah meninggalkan situs pengolahan kecuali

ditambahkan klorin dosis rendah.

Tergantung pada kondisi lokal, satu atau lebih langkah pemurnian tambahanmungkin dilakukan di fasilitas pengolahan air setelah desinfeksi. Kadang-kadang air

disemprotkan ke udara untuk menghilangkan bahan kimia yang mudah menguap

yang menciptakan bau dan rasa yang tidak bisa diterima. Jika air cukup asam

menyebabkan masalah seperti korosi pada pipa atau pencucian logam berat dari

pipa, kalsium oksida (kapur) ditambahkan untuk menetralkan sebagian asam. Jika

sedikit fluoride alami ada dalam pasokan air, banyak kota telah menambahkan sekitar

1 ppm fluoride (seperti NaF) untuk melindungi terhadap kerusakan gigi. Dalam air,

natrium fluoride, NaF, terdisosiasi menjadi ion Na+(aq) dan F-(aq). Pada gigi, ion

fluoride dapat dimasukkan ke dalam senyawa kalsium yang disebut fluorapatite, yang

lebih tahan terhadap kerusakan gigi daripada apatit, bahan gigi biasa. Namun, ada

laporan bahwa penambahan fluoride bukanlah ide yang baik.

5.13 Apakah Ada Timbal dalam Air Minum Anda?

Harus jelas sekarang bahwa air merupakan pelarut yang sangat baik bagi

banyak zat yang berbeda, yang mungkin tidak selalu menjadi hal yang baik. Beberapa

zat terlarut sangat beracun dan memprihatinkan. Timbal merupakan salah satu

polutan yang paling serius yang dapat masuk ke dalam air minum. Konsentrasinya

mungkin rendah, tapi masih menyebabkan kerusakan serius. Timbal dan sebagian

besar logam yang dekat dengan itu pada tabel periodik seperti kadmium dan merkuri



176

yang beracun. Kation mereka (Pb2+, Hg2+, dan Cd2+) membentuk senyawa ionik yang

larut dalam air dan mematikan. Karena Pb2+ adalah yang paling umum dari ketiganya

dan menimbulkan risiko kesehatan yang paling serius akibat keberadaannya yang

meluas, mari kita periksa ceritanya dalam beberapa detail. Anda dapat menemukan

sumber masalah sering datang dari rumah Anda sendiri. Kecuali tindakanpencegahan yang tepat diambil, timbal dari air minum dapat memiliki efek kesehatan

jangka panjang yang serius, terutama tragis bagi anak-anak.

Dalam bentuk logamnya, timbal 50% lebih berat dari besi atau baja. Karena

timbal adalah berlimpah, lembut, dan logam mudah dikerjakan yang tidak berkarat,

timbal telah digunakan sejak jaman kuno untuk pipa air dan atap. Bangsa Roma

kemungkinan besar terlebih dulu menggunakan timbal untuk pipa air dan sebagai

lapisan untuk tong anggur. Beberapa sejarawan menunjukkan keracunan timbal

akibat penggunaan yang luas sebagai faktor utama yang berkontribusi terhadap

jatuhnya Kekaisaran Romawi.

Di masa yang lebih modern, sebagian besar rumah AS yang dibangun

sebelum 1900 memiliki pipa air utama, sekarang diganti dari waktu ke waktu dengantembaga atau plastik. Sampai tahun 1930, pipa timbal yang biasa digunakan untuk

menghubungkan rumah ke induk air publik. Tidak ada cara yang akurat untuk

mengetahui berapa banyak orang mengalami kerusakan kesehatan permanen dari

hidup pada rumah tinggal dengan pipa timah. Tapi, ada kasus yang tercatat beberapa

kematian yang disebabkan oleh keracunan timbal di mana korban selama bertahun-

tahun biasa menyiapkan minuman pagi menggunakan "aliran pertama" air yang telah

berada di pipa timbal semalam.

Sebagian Pb2+ bisa masuk ke air minum bahkan di mana tidak ada pipa timah.

Solder digunakan untuk menymbung pipa tembaga mengandung 50-75% timbal.

Sebagian minum air mancur yang dirancang dengan dalam tangki penampungan

untuk menyimpan air dingin, dan sambungan di tangki dan koneksi dari itu ke airmancur mungkin telah dibuat dengan berbasis solder timah. Air untuk minum air

mancur dapat berada dalam tangki selama berjam-jam, sehingga memberikan lebih

banyak waktu kontak pada timbal dari solder larut ke dalam air.

Bila tertelan, timbal menyebabkan masalah neurologis yang parah dan

permanen pada manusia. Hal ini sangat tragis bagi anak-anak, yang mungkin

menderita keterbelakangan mental dan hiperaktif sebagai akibat dari paparan timbal,

bahkan pada konsentrasi yang relatif rendah. Parah paparan pada orang dewasa

menyebabkan iritabilitas, sulit tidur, dan perilaku irasional, termasuk kehilangan nafsu

makan dan akhirnya kelaparan. Tidak seperti banyak zat beracun lainnya, timbal

adalah racun kumulatif dan tidak berubah menjadi zat tak beracun. Setelah memasuki

tubuh, timbal terakumulasi di tulang dan otak.Toksisitas timbal merupakan masalah khusus bagi anak-anak karena Pb2+

dapat dimasukkan cepat menjadi tulang bersama Ca2+. Pada anak-anak, yang

memiliki massa tulang kurang dari orang dewasa, Pb2+ tetap dalam darah lagi, dimana

itu dapat merusak sel-sel, khususnya di otak. Selain timbal dalam air minum, anak-

anak yang terkena jumlah besar timbal dari mengunyah cat yang mengandung timbal.

Hal ini terutama terjadi pada orang tua rumah di mana cat terkelupas. Program

nasional pemantauan darah kadar timbal pada anak bertujuan untuk mengidentifikasi

anak-anak beresiko. Pejabat Kesehatan diperlukan untuk menyelidiki kasus-kasus di



177

mana anak-anak yang diketahui melebihi kadar dalam darah yanf diterima 15 mg/dL

(mikrogram per desiliter). Anak-anak AS tingkat timbal darah signifikan menurun

selama 1970-an dan 1980-an. Namun, menurut CDC, hampir satu juta anak di bawah

enam tahun masih memiliki kadar timbal darah tinggi, dengan jumlah yang tidak

proporsional dari mereka tinggal di pusat kota, dengan demikian, keracunan timbalmasih perhatian utama.

Sejak tahun 1970, pemerintah federal telah memiliki peraturan untuk tingkat

timbal yang dapat diterima dalam air dan makanan. Batasan ini secara bertahap

menjadi lebih ketat dengan pengembangan metode analisis yang lebih baik untuk

mengukur konsentrasi yang sangat rendah dan sebagai lebih yang telah dipelajari

tentang efek kesehatan dari timbal. Timbal sangat luas di lingkungan bahwa

pengukuran yang lebih lama mengalami kontaminasi yang tak disengaja dari

peralatan dan standar acuan. Sampai saat ini, MCL untuk Pb2+ di air minum adalah

15 ppb. Pada tahun 1992, EPA mengkonversi ke "tingkat tindakan, " yang berarti

bahwa EPA akan mengambil tindakan hukum jika 10% dari sampel air keran melebihi

15 ppb. Bahaya dari timbal begitu besar bahwa EPA telah membentuk MCLG dari 0,meskipun timbal bukanlah karsinogen.

Kabar baiknya adalah bahwa sangat sedikit timbal ada di sebagian pasokan

air publik. Nilai yang melebihi batas yang diijinkan diperkirakan ada dalam waktu

kurang dari 1% dari sistem pasokan air dan mereka melayani kurang dari 3% dari

populasi Amerika Serikat. Kebanyakan timbal dalam air minum publik berasal dari

korosi sistem pipa, bukan dari sumber air sendiri. Ketika timbal dilaporkan, konsumen

disarankan untuk mengambil langkah-langkah sederhana untuk meminimalkan

paparan, seperti membiarkan air mengalir sebelum menggunakannya dan hanya

menggunakan air dingin untuk memasak. Kedua tindakan meminimalkan

kemungkinan menelan Pb2+ terlarut.

Pada tahun 2004, notifikasi konsumen tepat waktu untuk kadar timbal yangtinggi dalam air minum adalah masalah di ibukota negara kita. DPR menyalahkan

Army Corps of Engineers, Operator pabrik reservoir dan pengolahan air, EPA,

memantau kualitas air; dan Otoritas District of Columbia Air dan air limbah, distributor

air, karena dianggap lalai dalam menginformasikan konsumen bahwa uji menemukan

lebih dari dua pertiga dari lebih dari 6000 rumah memiliki tingkat timbal yang tida

dapat diterima, beberapa setinggi 20 kali batas 15 ppb. Penyebab utama dari

kontaminasi adalah penuaan pipa utama, meskipun skandal berikutnya disebabkan

oleh kegagalan dari tiga lembaga untuk memberitahu konsumen dan segera bekerja

ke arah perbaikan dari masalah.

Metode hampir universal untuk analisis Pb2+ dalam air memanfaatkan teknik

spektrofotometri. Fitur umum spektrofotometer ditunjukkan pada Gambar 5.22.Cahaya dari panjang gelombang spesifik melewati sampel dan mengenai detektor

khusus di mana intensitas cahaya diubah menjadi tegangan. Tegangan ditampilkan

pada meter atau dikirim ke komputer atau perangkat perekaman lainnya. Jumlah

cahaya yang diserap oleh larutan, dan yang karenanya tidak mencapai detektor,

sebanding dengan konsentrasi spesies yang diuji. Semakin tinggi konsentrasi dari

spesies, semakin kuat cahaya yang diserap oleh sampel.



178

Gambar 5.22 Fitur umum untuk spektrofotometer digunakan untuk analisis air.

Konsentrasi rendah Pb2+ dapat dianalisis menggunakan spektrofotometri

serapan atom tungku (AA). Sebuah sampel air kecil menguap pada suhu yang sangat

tinggi menjadi seberkas sinar UV yang berasal dari lampu utama yang mengandung

timbal. Radiasi yang unik untuk atom timbal dipancarkan dari atom timbal panas

dalam lampu dan diserap oleh atom timbal dalam sampel air yang diuapkan. Versi

konvensional spektrofotometer AA, di mana Pb2+ dipanaskan dalam nyala, dapat

mengukur konsentrasi Pb2+ sampai rentang bagian per juta tetapi tidak dapat

mengumpulkan data dalam kisaran 15 ppb, tingkat tindakan saat Pb2+ di air minum.

Spektrofotometer AA lebih canggih dapat mengukur timbal jauh di bawah 1 ppb.

Namun, banyak masyarakat yang lebih kecil tidak mampu peralatan yang tepat untuk

membuat pengukuran sensitif seperti itu.

Pengukuran spektrofotometri dari sampel yang diuji harus dibandingkan

dengan data absorbansi yang diambil untuk konsentrasi yang diketahui dari spesies

yang sama. Hal ini dilakukan dengan penggunaan grafik kalibrasi, grafik yang dibuat

dengan hati-hati mengukur absorbansi dari beberapa larutan dengan konsentrasi

yang diketahui untuk spesies yang dianalisis. Contoh dari grafik kalibrasi untuk

Analisis Pb2+ pada rentang konsentrasi rendah ditunjukkan pada Gambar 5.23.

Konsentrasi Pb2+ ditampilkan pada sumbu horisontal dan absorbansi pada panjang

gelombang 283,3 nm ditunjukkan pada sumbu vertikal. Sebagai contoh, jika sebuah

sampel air memberikan pengukuran absorbansi dari sekitar 0,24, analis dapat

menggunakan nilai tersebut untuk membaca langsung dari grafik bahwa konsentrasi

Pb2+ hanya pada batas regulasi 15 ppb (lihat garis putus-putus, Gambar 5.23).

Gambar 5.23 Grafik kalibrasi untuk analisis spektrofotometrik AA tungku Pb2+ pada

panjang gelombang 283,3 nm.



179

Gambar 5.23 mengilustrasikan hati-hati tentang analisis air: Keakuratan

analisis hanya sebaik keakuratan grafik kalibrasi. Beberapa ketidakpastian ada dalam

setiap pengukuran, yang mengarah ke ketidakpastian kecil dalam analisis air setiap

sampel dibandingkan dengan grafik kalibrasi.

5.14 Pilihan Konsumen: Air keran, Air Botol, dan Air Disaring

Anda sekarang memiliki informasi yang cukup untuk memungkinkan Anda

untuk membuat pilihan yang baik tentang air yang Anda minum. Pada pembuangan

Anda Anda memiliki jenis fakta yang akan berguna ketika Anda menilai analisis risiko-

benefit tentang air minum Anda. Mari kita mempertimbangkan beberapa pertanyaan

yang relevan berkaitan dengan masing-masing pilihan.

Air Keran

Apakah air keran yang aman umumnya tersedia di Amerika Serikat?

Jawabannya, dengan mantap "Ya," karena standar tinggi diamanatkan oleh peraturanfederal untuk utilitas pasokan air publik. Teknologi pengolahan yang tersedia untuk

mencapai standar yang tinggi, tanpa teknologi tersebut, standar akan menjadi

gerakan hanya kosong. Sangat sedikit orang di negara kita menderita penyakit akut

akibat minum air yang terkontaminasi kecuali mereka menggunakan air dari sumur

pribadi yang belum benar diuji. The Safe Drinking Water Act Amendments of 1996

meningkatkan perlindungan, termasuk peningkatan persyaratan untuk memberitahu

konsumen segera dari masalah dengan keamanan air.

Apakah air keran air "murni"? Tentu saja tidak, hampir pasti mengandung

sejumlah kecil natrium, kalsium, magnesium, klorida, sulfat, bikarbonat dan ion, serta

jejak jumlah ion lain. Air keran juga mengandung udara terlarut, yang merupakan

campuran yang meliputi N2, O2, CO2, dan partikel udara.Masalah apa yang mungkin ada? Beberapa air keran mungkin mengandung

Pb2+ pada konsentrasi berbahaya, meskipun timbal biasanya masalah hanya di

gedung-gedung dengan pipa timbal. Unsur logam berat Lain, seperti merkuri dan

kadmium, dapat ada pada konsentrasi berbahaya, meskipun hal ini sangat tidak

mungkin. Air keran diklorinasi dari sumber air permukaan akan berisi sejumlah kecil

residu klorin. Hal ini juga mungkin berisi kecil sejumlah THMs, produk samping dari

klorinasi. Tergantung pada sumbernya, air dapat mengandung konsentrasi rendah

merkuri, nitrat, residu pestisida, PCB, dan pelarut industri. Dengan sekarang Anda

harus memahami bahwa kehadiran zat-zat tersebut di air minum tidak mungkin

penyebab tanda bahaya. Sebaliknya, pertanyaan penting adalah "Berapa banyak?"

Jika konsentrasi pencemar berada di bawah MCLs, EPA menganggap air sebagaiaman, dengan marjin keamanan yang memadai.

Air Botol

Apakah air kemasan aman? Hukum yang diterapkan untuk pasokan air publik

tidak berlaku untuk air botol. Namun, peraturan lainnya, diberlakukan oleh baik

pemerintah-dan industri. Dianggap makanan, botol air diatur oleh Food and Drug

Administration (FDA). Botol air harus memenuhi standar mutu, sesuai dengan label

peraturan, dan bertemu praktek manufaktur yang baik. Sebuah ketentuan SDWA



180

amandemen 1996 memerlukan FDA untuk mengembangkan standar botol air yang

sama dengan EPA standar air minum. Dalam beberapa tahun terakhir, kritikus telah

mempertanyakan keamanan air minum kemasan. Namun, perusahaan anggota

Internasional Bottled Water Association (IBWA) menghasilkan lebih dari 85% dari air

kemasan saat ini dijual di Amerika Serikat. Perusahaan-perusahaan anggota harusmemenuhi standar kualitas air yang lebih tinggi selain yang dikenakan oleh FDA

(Gambar 5.24). Mata air dan akuifer bawah tanah yang tidak memerlukan desinfeksi

adalah sumber utama air minum kemasan. Jika desinfeksi diperlukan, hal itu

dilakukan dengan ozon atau radiasi UV, bukan dengan klorin, sehingga

meninggalkan rasa tidak menyenangkan dan tidak diinginkan oleh-produk. Selain itu,

air minum kemasan yang paling banyak adalah mengalami filtrasi, reverse osmosis,

atau distilasi (lihat Bagian 5.15). Ketidakhadiran klorin, dan berbagai jejak polutan

yang ditemukan di permukaan air memberikan banyak argumen untuk air botol

sebagai alternatif yang lebih sehat dibanding air keran. Dalam mayoritas semua botol

air yang dijual di Amerika Serikat, sumber air keran kota yang telah mengalami

pemurnian lanjut. Yang cukup menarik, jika air kota memenuhi standar pengolahanmemungkinkan untuk diberi label "suling" atau "purified," air tidak perlu

mengungkapkan sumber air keran kota nya.

Gambar 5.24 Jalur air kemasan ke pasar. Asosiasi Internasional Air Botolmenggambarkan proses produk anggotanya mengikuti dari sumber kekepuasan konsumen. Federal, negara bagian, dan industri menjaminkeselamatan dan kualitas. Sumber: © Asosiasi Internasional Air Botol.Dicetak ulang dengan izin.

Apakah botol air murni? Karena air minum kemasan sering berasal dari mata

air atau sumur, kita dapat yakin bahwa hal itu mengandung ion, terlarut sebagai air

merembes melalui sekitarnya batu. Bahkan, air botol dari beberapa spa terkenal,



181

seperti Bath di Inggris, Baden-Baden di Jerman, dan Putih Sulfur Springs di West

Virginia, berisi sejumlah relatif besar ion kalsium dan lainnya, serta karbon dioksida

terlarut. Dalam beberapa kasus, terlarut gas hidrogen sulfide memberikan bau

karakteristik "belerang", diperkirakan menjadi kebajikan positif oleh beberapa

penikmat air kemasan.

Air disaring

Apakah air yang disaring aman? Ya, tentu itu aman seperti pasokan air keran

menjadi disaring. Air dari unit tersebut bebas dari rasa tak menyenangkan dan bau

dan harus bebas dari sebagian besar zat berbahaya. Kebanyakan penyaringan

mengurangi konsentrasi ion logam beracun (Pb2+, Cu2+). Meskipun ion ini belum tentu

benar-benar hilang, konsentrasi mereka akan berada jauh di bawah konsentrasi yang

menjadi terhadap kesehatan manusia.

Bagaimana filters bekerja? Unit ini umumnya menempel pada kran dapur,

memurnikan air untuk minum atau memasak menggunakan dua metode. Pertama

adalah "karbon aktif," bentuk khusus arang dengan luas permukaan yang sangattinggi yang menyerap sebagian besar molekul zat terlarut, termasuk residu klorin,

residu pestisida, pelarut, dan zat sejenis lainnya. Komponen kedua adalah resin

pertukaran ion yang menghilangkan Ca2+ dan Mg2+ ion (yang yang bertanggung

jawab untuk air "sadah") atau yang dapat menyebabkan keracunan.

Apakah filters menghemat biaya? Keran air tetap menjadi pilihan paling murah

untuk minum air. Sistem air yang disaring biasanya mengolah hanya air untuk minum

dan memasak, memerlukan biaya kurang dari 20% dari biaya untuk pembelian botol

air yang digunakan untuk tujuan yang sama.

5.15 Kebutuhan Internasional untuk Air Minum yang Aman

Mereka yang tinggal di Amerika Serikat memiliki hak istimewa untuk memilikipilihan dalam air minum. Kita dapat memilih dari keran, botol, atau air disaring, semua

umumnya berkualitas tinggi. Demikianlah tidak terjadi bagi orang-orang di sebagian

besar seluruh dunia. Kenyataannya adalah bahwa lebih dari satu miliar orang (satu

dari enam), terutama di negara berkembang, kurangnya akses ke air minum yang

aman. Sekitar 1,8 miliar orang tidak memiliki fasilitas sanitasi yang memadai. Satu

perkiraan, yang dibuat oleh Scientific Amerika, adalah bahwa itu akan berbiaya $

68000000000 dolar selama 10 tahun berikutnya untuk menyediakan air bersih dan

fasilitas sanitasi yang layak untuk semua orang. Kurangnya akses terhadap air bersih

menimbulkan risiko khusus untuk bayi dan anak kecil. Sedangkan air botol adalah

pilihan diskresioner bagi banyak orang di Amerika Serikat, sebagian besar populasi

dunia tidak memiliki pilihan itu. Gambar 5.25 menunjukkan bagaimana akses untukair bersih bervariasi di seluruh dunia.

Bagi mereka yang tinggal di daerah kering, seperti Timur Tengah, air tawar

langka. Air laut sudah tersedia di banyak daerah itu, tetapi konsentrasi garam tinggi

membuat tidak cocok untuk konsumsi manusia. Keluhan Coleridge mariner kuno

adalah lebih dari sekedar fantasi puitis, yang merupakan realitas fisiologis. Air laut

yang mengandung Garam 3,5% dibandingkan dengan garam hanya sekitar 0,9%

pada sel-sel tubuh. Akibatnya, air laut dapat diminum hanya setelah sebagian besar

garam akan dihilangkan. Untungnya, ada cara untuk melakukan ini, tetapi mereka



182

memerlukan sejumlah besar energi. Secara kolektif, metode yang dikenal sebagai

desalinasi, istilah umum yang luas yang menggambarkan setiap proses yang

menghilangkan ion dari air asin.

Salah satu metode desalinasi adalah distilasi, cara lama dan sangat

sederhana memurnikan air untuk laboratorium dan penggunaan lainnya. Distilasiadalah proses pemisahan dimana larutan dipanaskan sampai titik didih dan uap

dikondensasikan dan dikumpulkan. Air suling yang digunakan dalam setrika uap,

beberapa baterai mobil, dan perangkat lain yang beroperasi bisa terganggu oleh ion

terlarut. Suatu alat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.26 digunakan. Air murni

yang dimasukkan ke dalam labu, panci, atau wadah lain dan dipanaskan sampai titik

didihnya, 100 °C. Ketika air menguap, itu meninggalkan sebagian besar kotoran yang

terlarut. Itu uap air melewati kondensor mana mendingin dan beralih kembali menjadi

cair, sekarang bebas dari kontaminan. Jika distilasi dilakukan dengan sangat hati-

hati, air yang sangat murni, tanpa terdeteksi jumlah kontaminan, dapat diproduksi.

Energi yang dibutuhkan untuk distilasi cairan apapun, dan ingat dari Bagian

5.5 bahwa air memiliki panas spesifik yang sangat tinggi dan sangat banyaknyapanas yang dibutuhkan untuk penguapan. Kedua hasil dari ikatan hidrogen unik luas

dalam air. Tingginya biaya energi untuk pemurnian air dengan distilasi menunjukkan

bahwa itu adalah praktis ekonomis hanya untuk negara atau wilayah dengan energi

yang melimpah dan murah.

Gambar 5.25 Akses ke air minum yang aman bervariasi di seluruh dunia.

Teknik desalinasi lain mulai populer adalah reverse osmosis. Untuk

memahami metode ini, kita perlu tahu bahwa osmosis adalah kecenderungan alami

pelarut untuk bergerak menembus membran dari daerah dengan konsentrasi tinggi

ke pelarut konsentrasi rendah. Kecenderungan untuk menyamakan konsentrasi



183

terlibat dalam banyak proses seluler, di mana efek bersih adalah hilangnya air dari

sel. Namun, osmosis dapat terbalik. Reverse osmosis menggunakan tekanan untuk

memaksa pergerakan pelarut melalui membran semipermeabel dari daerah

konsentrasi zat terlarut tinggi ke daerah konsentrasi zat terlarut rendah. Bila

menggunakan proses ini untuk memurnikan air, tekanan diberikan pada sisi air asin,memaksa air melalui membran, meninggalkan ion di belakang. Gambar 5.27 adalah

representasi skematis dari proses ini.

Pabrik desalinasi terbesar di dunia, terletak di Ashkelon, Israel, telah selesai

pada tahun 2005. Hal ini diharapkan dapat memurnikan 100 juta m3 (68 milyar galon)

air per tahun, cukup untuk memenuhi sekitar 15% dari permintaan konsumen dalam

negeri Israel. Meskipun kebanyakan seperti instalasi yang di Timur Tengah, jumlah

pabrik reverse osmosis meningkat di Amerika Serikat. Florida memiliki lebih dari 100

fasilitas desalinasi reverse osmosis, termasuk salah satu yang melengkapi kota

Tampa Bay dengan 95,000 m3 (25 juta galon) segar mengalir setiap hari. Instalasi

osmosis terbalik kecil yang digunakan dalam pencucian mobil tempat-bebas dan

masing-masing unit yang tersedia untuk pelaut. Gambar 5.28 menunjukkan sebuahunit kecil, cocok untuk digunakan di perahu layar. Umumnya reverse osmosis

desalinasi terlalu mahal untuk digunakan di sebagian besar negara berkembang. Ini

adalah metode yang sering digunakan dari pemurnian untuk air botol, khususnya

high-end "desainer" perairan. Menggunakan reverse osmosis dimaksudkan untuk

mengesankan pelanggan dan membantu mereka membenarkan harga yang mahal

karena kualitas air sangat tinggi.

Gambar 5.26 Pemurnian air dengan distilasi.



184

Gambar 5.27 Pemurnian air dengan osmosis terbalik.

Kesimpulan

Air merupakan zat yang sangat tidak biasa, dengan banyak sifat unik yang

berkontribusi terhadap peran mendukung kehidupannya. Seperti udara yang kita

hirup, air merupakan pusat kehidupan, dan kita manusia memerlukan itu dalam

jumlah besar. Kadang-kadang kita anggap bahwa air minum kita, apakah itu langsung

dari keran, air keran disaring, atau air botol, bebas dari kontaminan berbahaya. Bab

ini telah difokuskan hampir secara eksklusif pada kualitas sumber air minum-nya, zat

terlarut di dalamnya, dan kontaminan potensial dan penentuan konsentrasi mereka.

Peraturan Federal dan Negara bagian membantu membuat air minum yang aman.

Kita mempertimbangkan bagaimana zat tertentu dalam air dapat dianalisis dan

diolah. Dalam bab berikutnya, kita memeriksa air hujan dan cara-cara di mana zat

terlarut dalam hujan dapat merugikan dan mempengaruhi lingkungan.



185

BAB 6 HUJAN ASAM

Mengapa nitrogen tidak mendapatkan perhatian yang sama seperti karbon?Seperti yang kita lihat dalam Bab 3, emisi karbon dioksida adalah topik hangat. Tapi

kapan terakhir kali Anda mendengar seseorang berdebat bahwa kita perlu

mengurangi emisi nitrogen oksida? Ketika buku ini ke percetakan, emisi karbon jelas-

jelas menjadi sorotan di panggung global. Sebaliknya, emisi nitrogen sedang

menunggu di sayap.

Sementara Anda bingung memikirkan kurangnya ketenaran nitrogen, ambillah

napas. Tidak peduli di mana Anda berada di Bumi, Anda akan menghirup triliunan

molekul nitrogen. Setiap kali Anda bernapas, molekul N2 merupakan sekitar 80% dari

udara masuk dan keluar paru-paru Anda. Ingat bahwa nitrogen relatif tidak reaktif

sebagai unsur. Beberapa mungkin bahkan melabeli N2 sebagai molekul kecil yang

bersemangat, yang tampaknya ia melakukannya sedikit perhatian. Sebaliknya, O2 molekul yang terlibat dalam reaksi profile tinggi seperti pembakaran, respirasi,

perkaratan, dan fotosintesis. dimana, kemudian, terletak sumber urgensi bahwa kita

perlu mengalihkan perhatian kita untuk emisi nitrogen?

Selain bentuk unsur nitrogen di atmosfer kita, senyawa nitrogen ditemukan

tersebar di planet kita. Selain itu, dengan aktivitas manusia, konsentrasi mereka

dalam biosfer meningkat, terutama di beberapa negara bagian. Untuk misalnya,

nitrogen monoksida (yang kemudian membentuk nitrogen dioksida) merupakan

polutan udara yang dibentuk di manapun ada sumber panas tinggi. Sebagaimana

Anda melihat dalam Bab 1, NO dan NO2, apakah dari mesin pesawat jet atau

kebakaran hutan liar, dapat menurunkan kualitas udara yang Anda hirup. Pupuk

seperti amonia dan amonium nitrat berakhir tidak hanya pada ladang-ladang, tapi juga

di sungai terdekat. Ion nitrat dapat mencapai konsentrasi tinggi yang berbahaya

dalam persediaan air. Oksida nitrat di udara berasal dari penghilangan nitrat dari

tanah oleh bakteri. Nitrous oksida juga dihasilkan dari catalytic converter ,

pembakaran biomassa, dan proses industri yang mensintesis nilon dan asam nitrat.

Salah satu cara atau yang lain, senyawa nitrogen ini semua terkait dengan

hujan asam dan kerabatnya: salju asam, kabut, dan deposisi kering. Hujan asam

bukanlah fenomena baru. Keasaman hujan rupanya pertama kali dipelajari kembali

pada tahun 1852 oleh seorang ahli kimia Inggris bernama Robert Angus Smith.

Duapuluh tahun kemudian, Smith menulis sebuah buku berjudul Air dan hujan, tapi

ide-idenya segera berkembang ke dalam ketidakjelasan. Kemudian, pada 1950-an,

efek hujan asam ditemukan kembali oleh para ilmuwan yang bekerja di beberapa

belahan dunia, termasuk Amerika Serikat Northeastern, Skandinavia, dan District

Danau Inggris.

Laporan kerusakan dikaitkan dengan hujan asam berkembang secara

dramatis selama masa tiga dekade berikutnya. Puluhan buku, makalah ilmiah, dan

artikel populer menggambarkan kerusakan itu (Gambar 6.1). Laporan datang dari

hampir setiap bagian dari dunia. Danau-danau di Norwegia dan Swedia dilaporkan

sebagai efektif "mati" tanpa ikan atau kehidupan lainnya. Patung yang menghiasi

eksterior katedral di Eropa dan situs prasejarah di Meksiko dan Amerika Tengah



186

mengalamami pengikisan. Dalam semua hal ini, hujan asam dipesalahkan sebagai

penyebab utama kerusakan.

Gambar 6.1 Hujan asam telah menjadi berita (The Cleveland Pers, 23 Juni 1980).

Seperti kutipan yang membuka bab ini menyatakan, emisi nitrogen pada

umumnya (dan hujan asam khususnya) tidak ada di mata publik. Saat ini topik ini

tampaknya keluar dari perhatian. Namun, banyak ilmuwan merasa yakin bahwa emisi

nitrogen harus didiskusikan, peringatan bahwa emisi ini dapat menimbulkan jauh

ancaman global yang lebih besar bagi kesejahteraan manusia dari emisi karbon.

Membandingkan emisi nitrogen dengan karbon, ahli biologi Rowan Hooper

berkomentar "Hal ini bisa lebih lebih buruk." Apakah dia benar? Apakah emisi nitrogen menjamin perhatian sama dengan

karbon? Untuk menilai masalah ini, kita harus mulai dengan studi tentang asam, basa,

dan konsentrasi mereka di lingkungan.

6.1 Apakah Asam itu?

Hujan asam menghubungkan dengan baik topik polusi udara dan kimia air dari

Bab 1 dan 5. Untuk lebih memahami hubungan ini, kita pertama perlu mendiskusikan

istilah asam. Definisi paling baik mengutip sifat yang bisa diamati dari asam atau

menggambarkan perilaku mereka di tingkat molekuler. Yang manapun, informasi ini

berguna untuk diskusi kita.

Secara historis, ahli kimia mendefiniskan asam dengan rasa sifat-asam,perubahan warna dengan indikator, dan reaksi dengan mineral tertentu. Meskipun

mencicipi bukan cara cerdas untuk mengidentifikasi bahan kimia, Anda pasti tahu

rasa asam dari asam asetat dalam cuka. Rasa asam lemon berasal dari asam juga

(Gambar 6.2). Anda bahkan mungkin menjadi penggemar permen sangat asam. Jika

Anda memeriksa daftar bahan, Anda akan melihat bahwa apa yang membuat

mengerut mulut adalah asam sitrat, asam malat, atau keduanya (Gambar 6.3).

Asam juga menampilkan sifat kimia umum. Misalnya, lakmus, pewarna dari

tanaman, perubahan dari biru menjadi merah muda dengan adanya asam. Memang,



187

uji lakmus begitu dikenal sehingga Anda mungkin mendengar itu digunakan sebagai

figurasi percakapan. Jadi "uji lakmus" untuk kandidat politik akan menjadi sesuatu

yang cepat mengungkapkan sudut pandang orang ini.

Sifat lain yang umum untuk asam adalah bahwa mereka dapat, dalam kondisi

tertentu, melarutkan bahan seperti marmer atau cangkang telur. Kedua bahan inimengandung ion karbonat, baik sebagai kalsium atau magnesium karbonat. Aksi

asam pada karbonat melepaskan karbon dioksida. ini adalah " fizz " (atau

bersendawa) yang menyertai beberapa antasida lambung. Kita akan kembali untuk

reaksi kimia ini nanti.

Pada tingkat molekuler, asam adalah senyawa yang melepaskan ion

hidrogen, H+ larutan berair. Ingat bahwa sebuah atom hidrogen netral dan terdiri dari

satu elektron dan satu proton. Jika elektron hilang, menjadi bermuatan positif (H+).

Karena hanya proton tertinggal, kadang H+ hanya disebut proton.

Gambar 6.3 Sebuah permen asam yang mengandung asam malat dan asam sitrat.

Pertimbangkan gas hidrogen klorida, yang pada suhu kamar terdiri dari

molekul HCl. Gas ini mudah larut dalam air untuk melepaskan dua ion yang kita wakili

dengan H+(aq) dan Cl-(aq). Notasi (aq) adalah singkatan berair.

[6.1]

Kita juga bisa mengatakan bahwa memisahkan HCl menjadi H+ dan Cl-, atau bahwa

HCl mengionisasi untuk membentuk H+ dan Cl-. Yang manapun, pada dasarnya tidak

ada molekul HCl tetap tak terdisosiasi dalam larutan. Dengan demikian, HCl adalah

asam yang terionisasi (terdisosiasi) sepenuhnya.

Ada sedikit komplikasi dengan definisi asam sebagai zat yang melepaskan ionH+ (proton) dalam larutan air. Dengan sendirinya, ion H+ yang terlalu reaktif ada pada

keadaan seperti itu. Sebaliknya, mereka mengikat sesuatu yang lain, seperti molekul

air. Ketika dilarutkan dalam air, setiap HCl menyumbangkan proton (H+) ke molekul

H2O, membentuk H3O+, sebuah ion hidronium. Reaksi keseluruhan dapat

direpresentasikan seperti ini.

[6.2]



188

Larutan diwakili di sisi produk di kedua persamaan 6.1 dan 6.2 disebut asam klorida.

Ini memiliki karakteristik sifat asam karena kehadiran ion H3O+. Kimiawan sering

hanya menulis H+ ketika mengacu pada asam (misalnya, dalam Persamaan 6.1),

tetapi ini dimengerti berarti H3O+ (ion hidronium) dalam larutan air.

Khususnya, kita hanya mengalami satu asam di bagian ini yang berisi nitrogennitrat. Sabun nuansa encer larsautan badalah persis seperti itu. Basa dapat bereaksi

dengan minyak dari kulit Anda untuk menghasilkan sedikit sabun. asam. Sebelum kita

mengatakan lebih lanjut tentang asam dan sumber atmosfer, kita pertama beralih ke

topik yang terkait kepentingan.

6.2 Apa Basa itu?

Tidak ada diskusi tentang asam akan lengkap tanpa menyebutkan rekan

kimianya -basa. Untuk tujuan kita, basis adalah senyawa yang menghasilkan

hidroksida ion, OH-, Dalam larutan berair. Sebagai contoh, natrium hidroksida

(NaOH), senyawa ion, larut dalam air untuk menghasilkan ion natrium dan ion

hidroksida.

[6.3]

Basa memiliki sifat karakteristik mereka sendiri disebabkan adanya OH-(aq).

Tidak seperti asam, basa umumnya berasa pahit dan tidak memberikan flavor

menarik bagi makanan. Ketika dilarutkan dalam air, basa berasa licin, seperti

berasanya sabun. Contoh umum dari basa termasuk amonia rumah tangga (larutan

NH3) dan NaOH, kadang-kadang disebut lye. Peringatan pada pembersih oven

(Gambar 6.4) memperingatkan bahwa lye dapat menyebabkan kerusakan parah

pada mata, kulit, dan pakaian.

Amonia, basa yang mengandung nitrogen, menjadi perhatian khusus dengan

topik dalam bab ini. Seperti yang Anda ingat, amonia adalah gas dengan bau tajam

yang khas. Amonia encer dibuat dengan melarutkan gas ini dalam air. Kitamenyatakan larutan ini sebagai NH3(aq)

[6.4a]

Larutan yang disebut "amonia rumah tangga" adalah sekitar 5% massa NH3(aq).

Meskipun dapat tidak menyenangkan untuk bekerja itu, sesungguhnya tidak sangat

pekat.

Mengingat apa yang kita katakan tentang basa melepaskan ion hidroksida

dalam larutan, hal itu mungkin tidak segera jelas mengapa amonia berair adalah

larutan basa. Kita menjelaskan hal ini dengan mencatat bahwa molekul air dapat

mentransfer ion hidrogen ke NH3 (aq) untuk membentuk ion amonium, NH4+(aq).

[6.4b]

Dengan asumsi bahwa H+ dalam persamaan ini berasal dari sebuah molekul

air, reaksi berair amonia dengan air dapat direpresentasikan sebagai pembentukan

NH4OH, amonium hidroksida.

[6.4c]

Sumber ion hidroksida dalam amonia rumah tangga sekarang harus sudah

jelas. Amonium hidroksida berdisosiasi untuk membentuk ion amonium dan



189

hidroksida. Reaksi ini terjadi hanya untuk secara terbatas, yaitu hanya sejumlah kecil

dari dua ion terbentuk dalam larutan amonia berair. Namun demikian, ini cukup untuk

menghasilkan larutan basa.

6.3 Netralisasi: Basa adalah Antasida Asam dan basa bereaksi satu sama lain. Tidak hanya akan terjadi dalam

tabung reaksi dalam laboratorium, tetapi juga di rumah Anda dan di hampir setiap

relung ekologi planet kita. Untuk Misalnya, jika Anda menempatkan jus lemon pada

ikan, Anda menjalankan reaksi asam-basa. Asam ditemukan dalam lemon

menetralkan senyawa amonia seperti itu menghasilkan "bau ikan." Demikian pula,

jika pupuk amonia pada ladang-ladang bertemu dengan emisi asam dari pembangkit

listrik di dekatnya, netralisasi terjadi. Kebanyakan reaksi asam-basa mudah terjadi

dan hampir seketika.

Mari kita pertama meneliti reaksi asam-basa larutan asam klorida dan natrium

hidroksida. Jika volume yang sama dari larutan konsentrasi yang sama dicampur,

menghasilkan natrium klorida dan air.

[6.5]

Ini adalah contoh dari netralisasi, reaksi kimia di mana ion hidrogen dari asam

bergabung dengan ion hidroksida dari basa untuk membentuk molekul air.

Pembentukan air dapat direpresentasikan seperti ini.

[6.6]

Bagaimana dengan natrium dan ion klorida? Ingat dari persamaan 6.1 dan 6.3

bahwa HCl dan NaOH sepenuhnya terdisosiasi menjadi ion ketika dilarutkan dalam

air. Kita bisa menulis ulang Persamaan 6.5 untuk menunjukkan hal ini.

[6.7]

Na+(aq) dan Cl-(aq) tidak mengambil bagian dalam reaksi netralisasi dan tetap

tidak berubah. Ion ini membatalkan dari kedua belah sisi menghasilkan persamaan

6.6.

Larutan netral tidak bersifat asam atau basa, yaitu, mereka memiliki

konsentrasi yang sama H+ dan OH- ion. Air murni adalah larutan netral. Beberapa

larutan garam juga netral, seperti yang dibentuk dengan melarutkan NaCl dalam air

murni. Sebaliknya, larutan asam mengandung konsentrasi ion H+ yang lebih tinggi

dari dari OH-, dan larutan basa konsentrasi ion OH- yang lebih tinggi dari H+.

Ini mungkin tampak aneh bahwa larutan asam mengandung beberapa OH -

dan juga bahwa basa larutan mengandung H+. Tapi ketika air yang terlibat, tidak

mungkin untuk memiliki H+ tanpa OH- atau sebaliknya. Hubungan sederhana,

berguna, dan sangat penting ada antara konsentrasi ion hidrogen dan ion hidroksida

dalam larutan berair.

[6.8]

Tanda kurung siku menunjukkan bahwa konsentrasi ion dinyatakan dalam

molaritas, dan [H+] Dibaca sebagai "konsentrasi ion hidrogen." Ketika [H+] Dan [OH-]

dikalikan bersama-sama, hasil kalinya adalah konstan dengan nilai 1×10 -14 seperti

yang ditunjukkan dalam persamaan matematika 6.8. Persamaan ini juga mengatakan



190

kepada kita bahwa konsentrasi H+ tergantung satu sama lain. Ketika [H+ ] meningkat,

[OH- ] menurun. Dan ketika [H+] menurun, [OH-] meningkat. Kedua ion selalu ada

dalam larutan air. Dengan mengetahui konsentrasi H+, kita dapat menggunakan

ekspresi 6.8 untuk menghitung konsentrasi OH- (atau sebaliknya). Sebagai contoh,

jika sebuah sampel air hujan memiliki H+ konsentrasi 1×10-5 M, kita dapat menghitungkonsentrasi OH- dengan menggantikan dalam 1×10-5 untuk konsentrasi H+

Karena konsentrasi ion hidroksida (1×10-9 M) lebih kecil dari ion hidrogen

Konsentrasi (1×10-5 M), larutannya adalah asam.

Dalam air murni atau dalam larutan netral, molaritas dari hidrogen dan

hidroksida ion keduanya sama 1×10-7 M. Menerapkan ekspresi matematika 6.8, kita

dapat melihat bahwa [H+ ] [OH-]= (1×10-7) (1×10-7)= 1×10-14.

Untuk membahas hujan asam, kita akan membutuhkan cara yang nyaman

untuk melaporkan seberapa asam atau basa larutan adalah. Skala pH hanyalah alat

tersebut, karena berkaitan keasaman larutan untuk konsentrasi H+ nya. Kita sekarang

beralih ke topik pH.

6.4 Memperkenalkan pH

Istilah "pH" mungkin sudah akrab bagi Anda. Uji kit untuk tanah dan air di

akuarium dan kolam renang melaporkan keasaman dalam pH. Sampo mengklaim

sebagai pH yang seimbang (Gambar 6.5). Dan, tentu saja, artikel tentang hujan asam

mengacu pada pH. Notasi pH selalu ditulis dengan p kecil dan modal H dan singkatan

dari "kekuasaan hidrogen." Dalam istilah sederhana, pH adalah sebuah angka,

biasanya antara 0 dan 14, yang menunjukkan keasaman larutan.Sebagai titik tengah pada skala, pH 7, memisahkan asam dari larutan basa.

Larutan dengan pH kurang dari 7 bersifat asam, dan mereka dengan pH lebih dari 7

bersifat alkali, atau basa. Gambar 6.6 menunjukkan bahwa hujan alami "normal"

sedikit asam, dengan nilai pH antara 5 dan 6. Karena air murni adalah netral dan

memiliki pH 7,0, kesimpulan yang jelas bahwa air hujan tidak murni H2O. Hujan asam

adalah lebih asam dari hujan "normal" dan memiliki nilai pH yang lebih rendah. Pada

bagian berikutnya, Anda akan melihat apa "kotoran" membuat semua air hujan asam,

dan beberapa bahkan lebih asam daripada yang lain.

Gambar 6.6 juga menampilkan nilai-nilai pH zat umum. Anda mungkin akan

terkejut bahwa yang Anda makan dan minum ternyata begitu banyak asam. Asam

terjadi secara alami dalam makanan dan berkontribusi khas pada selera. Untukmisalnya, rasa tajam dari McIntosh apel berasal dari asam malat. Yogurt

mendapatkan rasa asam nya dari asam laktat, dan minuman ringan cola berisi

beberapa asam, termasuk asam fosfat. Tomat terkenal untuk keasaman mereka, tapi

dengan pH sekitar 4.5, mereka sebenarnya kurang asam daripada banyak buah-

buahan lainnya.

Seperti yang mungkin Anda duga, nilai pH yang berhubungan dengan

konsentrasi ion hidrogen, yang pada gilirannya berhubungan dengan konsentrasi ion



191

hidroksida. Untuk larutan di mana [H+] adalah 10 kenaikan beberapa pangkat, nilai

pH adalah kekuatan ini (eksponen) dengan tanda yang berubah.

Gambar 6.6 Zat umum dan nilai-nilai pH mereka.

Gambar 6.7 Hubungan antara pH dan konsentrasi H+ ketika pH meningkat, [H+]

berkurang

Misalnya, jika [H+]= 1×10-3 M, maka pH 3. Demikian pula, untuk [H+]= 1×10-9

M, pH 9. Lampiran 3 menggambarkan hubungan antara pH dan [H+] secara lebih rinci.

Salah satu aspek dari skala pH mungkin membingungkan bagi Anda. Ketika

nilai pH menurun, keasaman meningkat. Misalnya, sampel air dengan pH 5.0 kurang

asam dari satu skala dengan pH 4,0. Hal ini karena pH 4 berarti bahwa [H +] adalah

0.0001 M. Sebaliknya, larutan dengan pH 5 lebih encer dengan [H+]= 0,00001 M.Larutan kedua ini kurang asam dengan hanya 1/10 konsentrasi ion hidrogen pada

larutan pH 4. Gambar 6.7 menunjukkan hubungan antara pH dan konsentrasi ion

Setelah menetapkan skala pH sebagai ukuran keasaman, sekarang kita

beralih ke hujan asam dan penyebabnya.

6.5 Tantangan Pengukuran pH Hujan

Hujan hanya salah satu dari beberapa cara yang asam dapat dikirim ke

permukaan bumi dan perairan. Salju dan kabut jelas cara lain. Deposisi asam istilah

yang meliputi bentuk basah seperti hujan, salju, kabut, dan suspensi tetesan air

mikroskopis seperti awan sering lebih asam dan merusak daripada hujan asam. Hal

ini juga termasuk bentuk "kering" dari asam. Misalnya, selama cuaca kering, partikelpadat mungil (aerosol) dari asam senyawa amonium nitrat (NH4NO3) dan amonium

sulfat ((NH4)2SO4) dapat menetap di permukaan. Deposisi kering bisa sama signifikan

seperti deposisi basah dalam hujan asam, salju, dan kabut. Aerosol ini juga

berkontribusi terhadap kabut, seperti akan kita lihat dalam Bagian 6.11.



192

Gambar 6.8 Sebuah pH meter dengan tampilan digital.

Bagaimana tingkat keasaman di seluruh daratan Amerika Serikat, Alaska,

Hawaii dan Puerto Riko? Untuk menjawab pertanyaan ini, kita perlu alat analisis, pHmeter. Banyak jenis pH meter yang tersedia, tergantung baik pada kondisi di mana

Anda ingin menggunakannya dan seberapa banyak Anda bersedia membayar. pH

meter yang Anda kemungkinan besar menghadapi telah berupa probe khusus ditutup

dengan membran yang peka terhadap H+. Ketika probe direndam dalam sampel, H+

ion menciptakan tegangan melintasi membran. Meter mengukur tegangan ini,

mengkonversi ke pH, dan menunjukkan nilai pH pada dial atau tampilan digital,

seperti yang ditunjukkan di Gambar 6.8.

Hal ini mudah untuk mengukur pH sampel hujan, meskipun prosedur tertentu,

seperti kalibrasi elektroda, diperlukan untuk memastikan hasil yang akurat. Lebih

menantang adalah untuk mengumpulkan sampel hujan tanpa mengkontaminasi

mereka. Misalnya, koleksi kontainer harus benar-benar bersih dan bebas dari minyakdari tangan Anda atau mineral dari air di mana mereka dicuci. Ketika wadah

ditempatkan di situs, itu harus cukup tinggi untuk mencegah percikan kontaminasi

baik dari tanah atau benda di sekitarnya. Bahkan jika ditinggikan, kontaminasi

mungkin masih terjadi dari serbuk sari tanaman di dekatnya, serangga, burung

kotoran, daun, debu tanah, atau bahkan abu dari pembakaran.

Salah satu cara untuk meminimalkan kontaminasi adalah menepatkan ember

koleksi hujan dengan tutup dan sensor kelembaban yang membuka tutup ini ketika

mulai hujan. Ini adalah kasus untuk sampel yang dikumpulkan di sekitar 250 lokasi

dari Program Deposisi Atmosfer Nasional/ jaringan Tren Nasional (NADP/NTN).

Gambar 6.9a menunjukkan sensor dan dua ember pada stasiun pemantauan

NADP/NTN di Illinois yang telah beroperasi selama lebih 25 tahun. Satu ember adalahuntuk deposisi kering (terbuka ketika tidak hujan) dan yang lainnya ditutupi. Sensor

membuka ember ini (menutup lainnya) ketika hujan.

Memutuskan lokasi untuk menemukan situs koleksi juga adalah sebuah

tantangan. Karena kendala anggaran, lokasi uji tidak bisa masuk tempat sebanyak

mungkin yang diinginkan. Peneliti mungkin harus mempertimbangkan keuntungan

relatif luas penyebaran situs dibandingkan menempatkan beberapa di dekatnya

dalam ekosistem khusus seperti di taman nasional. Saat ini ada situs koleksi lebih

banyak di Amerika Serikat bagian timur, karena secara historis tingkat keasaman



193

telah lebih tinggi di sana. Sampel hujan telah dikumpulkan secara rutin di Amerika

Serikat dan Kanada sejak sekitar tahun 1970. Sejak tahun 1978, NADP/NTN telah

mengumpulkan lebih dari 250.000 sampel, menganalisis mereka untuk pH dan ion-

ion ini: SO42-, NO3-, Cl-, NH4

+, Ca2+, Mg2+, K+, dan Na+. Gambar 6.9b menunjukkan

NADP/NTN lima situs aktif di negara bagian Illinois. Berapa banyak situs dalamnegara bagian Anda? Lakukan kegiatan berikut untuk menemukannya.-

Gambar 6.9 (a) Bondville Stasiun Pemantauan di pusat Illinois (IL11) telah

beroperasi sejak tahun 1979. Sensor kelembaban hitam terhubung ke kiri tabel

kontrol yang ember terbuka. ketika tidak hujan, ember yang tepat untuk deposisi

basah ditutup. (b) lima NTN hujan aktif memantau lokasi di Illinois, termasuk IL11 di

Bondville. Situs yang ditandai dengan segitiga tidak aktif. Sumber: Program Nasional

Deposisi Atmosfer 2006. NADP Program Office, Illinois State Survey Air,http://nadp.sws.uiuc.edu/sites/sitemap.asp?state?il

Setiap minggu, para peneliti di Laboratorium Analitik Pusat di Champaign,

Illinois, menerima ratusan sampel hujan. Foto-foto berkumpul untuk Gambar 6.10

memberikan indikasi dari besarnya operasi. Di kiri atas adalah pengumpulan sampel

ember menunggu untuk dibersihkan sebelum dikirim kembali ke situs koleksi. Foto

atas kanan menunjukkan sebuah pengatur sampel hujan dalam antrian yang akan

dianalisis, masing-masing diberi label alfanumerik. Porsi kecil masing-masing sampel

disimpan setelah analisis dan disimpan dalam lemari pendingin. Kiri bawah

menunjukkan Karen Harlin, direktur Laboratorium, berdiri di dekat pintu ke ruang

dingin berisi sampel yang diarsipkan. Kanan bawah memungkinkan Anda melihat

beberapa sampel dalam kamar dingin. Sampel yang tersedia bagi para peneliti,

termasuk mahasiswa.



194

Gambar 6.10 Foto-foto dari Central Analytical Laboratory (CAL), Champaign, Illinois.

Kiri atas: Pengumpulan sampel ember menunggu untuk dibersihkan. Kanan atas:

Hujan sampel dalam antrian yang akan dianalisis. Kiri bawah: Karen Harlin, mantan

Direktur CAL, di depan ruang dingin. Kanan bawah: sampel Diarsipkan di dalam

ruang pendingin.

Hujan sampel yang digunakan untuk dianalisis langsung di lapangan juga.

Duplikasi ini menjabat baik sebagai cek pada data dan menunjukkan tingkatkerusakan dari sampel selama transportasi. Yang terakhir ini menunjukkan bahwa

perubahan kecil tapi tetap terukur dapat berlangsung dari waktu ke waktu. Sebagai

contoh, bakteri dapat mengkonsumsi sejumlah kecil asam alami yang ada dalam air

hujan (misalnya, asam format dan asam asetat) mengarah ke penurunan keasaman.

Perubahan suhu juga dapat menyebabkan hilangnya gas terlarut dalam sampel.

Kedua karena efek ini adalah kecil, dan karena pengukuran di Laboratorium Pusat

lebih mudah standar, pengukuran lapangan dihentikan pada tahun 2005.

Setiap tahun, peneliti di Laboratorium Analitik Pusat menggunakan data

analitis untuk membangun peta seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.11. Dari

peta ini, kita dapat meyakini apa yang kita sudah tahu, bahwa semua hujan sedikit

asam. Seperti disebutkan sebelumnya, "hujan murni" selalu mengandung sejumlahkecil karbon dioksida terlarut. Ingat bahwa CO2 adalah komponen alami dari atmosfir

bumi ada dalam konsentrasi rendah sekitar 385 ppm atau 0,0385%. Jumlah karbon

dioksida sedikit larut dalam air untuk menghasilkan larutan asam lemah.

[6.9]

Reaksi ini terjadi hanya sampai batas tertentu, yaitu, hanya sejumlah kecil H+

dan HCO3- (aq) (ion hidrogen karbonat) terbentuk. Tetapi jumlah kecil sudah cukup.

Pada 25 °C, sampel air terkena karbon dioksida atmosfer memiliki pH 5,6.



195

Jika Anda memeriksa peta seperti pada Gambar 6.11 selama dekade terakhir,

Anda akan mengamati beberapa tren. Secara umum, keasaman telah berkurang

sedikit, yaitu, seluruh negeri, nilai pH tidak cukup serendah mereka dulu. Tapi

ternyata, pH bukan masalah mendasar. Sebaliknya, itu adalah bahan kimia yang

berbeda dalam hujan yang menurunkan pH. Karena hujan yang normal memiliki pHsekitar 5,3 (lihat Gambar 6.6), CO2 tidak bisa menjadi satu-satunya sumber dalam air

hujan. Sejumlah kecil asam alam lainnya juga berkontribusi terhadap keasamannya.

Namun, bahkan asam tambahan tidak dapat menjelaskan nilai-nilai pH di bawah 5

yang kita amati di Midwest dan di pantai timur (lihat Gambar 6.11). Demikian kita

harus mencari di tempat lain

Gambar 6.11 pH sampel hujan. Pengukuran yang dilakukan di Laboratorium Analitik

Pusat, tahun 2005. Nilai di stasiun di Alaska dan Kepulauan Virgin diberikan di kiri

bawah. Data Hawaii tidak tersedia. Sumber: Program Nasional Deposisi Atmosfer

2006. Illinois State Survey Air, http://nadp.sws.uiuc.edu/

isopleths/maps2005/phlab.gif

6.6 Pencarian Keasaman Ekstra

Menurut Gambar 6.11, hujan asam jatuh ke sepertiga bagian timur Amerika

Serikat, khususnya di lembah Sungai Ohio. Apa yang menyebabkan tambahankeasaman? Analisis kimia dari itu hujan kerahasiaan bahwa penyebab utama adalah

sulfur dioksida (SO2), Sulfur trioksida (SO3), nitrogen monoksida (NO), dan nitrogen

dioksida (NO2). Senyawa ini secara kolektif ditunjuk SOx dan NOx, Lebih dikenal

sebagai "sox dan nox."

Pada tahap ini Chymist skeptis harus menaikkan pertanyaan penting.

Mengingat definisi dari asam sebagai zat yang mengandung dan melepaskan ion H+

dalam air, bagaimana bisa SO2, SO3, NO, dan NO2 memenuhi syarat? Senyawa ini

tidak mengandung hidrogen! Penjelasannya adalah bahwa SOx dan NOx larut dalam



196

air untuk membentuk asam yang melepaskan ion H+. Meski tidak asam sendiri, oksida

sulfur dan nitrogen adalah asam anhidrida, harfiah "asam tanpa air. " Ketika anhidrida

asam ditambahkan ke dalam air, asam yang dihasilkan. Misalnya, sulfur dioksida larut

dalam air untuk membentuk asam sulfit.

[6.10]

Serupa dengan itu, sulfur trioksida larut dalam air membentuk asam sulfat.

[6.11]

Di dalam air, asam sulfat merupakan sumber ion H+:

[6.12a]

Ion hidrogen sulfat juga dapat terdisosiasi menghasilkan H+ lagi:

[6.12b]

Menambahkan persamaan 6.12a dan 6.12b menunjukkan bahwa disosiasi

asam sulfat untuk menghasilkan dua hidrogen ion dan ion sulfat

[6.12c]

Dalam cara yang sama, tapi lebih rumit, NO2 bereaksi dengan lembab di udara

untuk membentuk asam nitrat. Reaksi ini merupakan penyederhanaan dari kimia

atmosfer yang terjadi.

[6.13]

Seperti asam sulfat, asam nitrat juga berdisosiasi melepaskan H+

[6.14]

Secara geografis, maka, daerah dengan hujan asam harus menunjukkan

peningkatan kadar ion sulfat dan ion nitrat, dari SOx dan NOx, masing-masing.

Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, deposisi asam ini dapat berupa basah

atau kering. Gambar 6.12 menunjukkan deposisi basah, biasanya disebut "hujan

asam," tetapi juga mencakup bentuk-bentuk lain dari hujan yang akan mendarat di

payung seperti salju, hujan es, atau bahkan hujan es.

Kedua Bab 1 dan Bab 4 menggambarkan hubungan antara pembakaran batu

bara dan emisi SO2. Seperti yang Anda mungkin kemudian menduga, emisi sulfurdioksida yang tertinggi di negara-negara dengan banyak pembangkit listrik berbahan

bakar batubara, pabrik baja, dan industri berat lainnya yang mengandalkan batubara.

Ohio merupakan salah satu negara tersebut. Pada tahun 2004 (dan juga di masa

lalu), Ohio, diikuti oleh Pennsylvania dan Indiana, memuncaki emisi SO2. Tiga negara

yang sama memimpin dalam emisi NOx juga. Tapi emisi Nox tinggi juga ditemukan

di daerah perkotaan besar dengan kepadatan penduduk tinggi dan lalu lintas mobil

yang padat. Oleh karena itu, tidak mengherankan bahwa pada tahun 1990 (dan masih



197

sampai hari ini) tingkat tertinggi NO2 atmosfer diukur di atas Los Angeles County,

ibukota negara mobil. Gambar 6.12a tidak menunjukkan tingkat tinggi ini karena

pengendapan di padang pasir barat sering kering. Meskipun demikian, emisinya

signifikan. Misalnya, vegetasi di Taman Nasional Joshua Tree, di sebelah timur Los

Angeles County, telah rusak oleh deposisi kering.

Gambar 6.12 (a) 2005 deposisi basah ion nitrat dalam kilogram per hektar. (b) 2005

deposisi basah ion sulfat dalam kilogram per hektar. Sumber: Program NasionalDeposisi Atmosfer 2006. NADP Program Offi ce, Illinois State Survey Air, Champaign,

IL,

Setelah mengetahui sekarang bahwa oksida sulfur dan nitrogen

menyebabkan pembentukan hujan asam, kita perlu melihat lebih dekat bagaimana

oksida dibentuk dan dilepaskan ke dalam atmosfer.

6.7 Sulfur Dioksida dan Pembakaran Batubara

Sejauh ini, kita telah memastikan hubungan antara pembakaran batubara,

belerang dioksida atmosfer, dan pembentukan hujan asam. Selain itu, tidak

terbantahkan bahwa kedua SO2 dan SO3 bereaksi dengan air untuk menghasilkan

larutan asam. Pada titik ini, mari kita lihat lebih dekat pada batubara dan produkpembakaran. Pada sekilas pertama, batubara mungkin tidak muncul jauh berbeda

dari arang atau jelaga hitam, yang keduanya karbon pada dasarnya murni. Ketika

karbon dibakar dengan banyak oksigen, membentuk karbon dioksida dan

membebaskan sejumlah besar panas (yang tentu saja adalah alasan untuk

membakarnya).

[6.15]

Seperti yang Anda pelajari di Bab 4, batubara merupakan substansi yang

kompleks. Kita dapat perkiraan komposisinya dengan rumus kimia C135H96O9NS.

Batubara juga mengandung sejumlah kecil elemen seperti silikon, natrium, kalsium,

aluminium, nikel, tembaga, seng, arsenik, timbal, dan merkuri. Batubara terbakar

untuk melepaskan unsur-unsur yang dikandungnya, terutama dalam bentuk oksida.Karena karbon dan hidrogen yang ada dalam kuantitas terbesar, jumlah terbesar CO2

dan H2O diproduksi. Tapi pembakaran batu bara juga melepaskan merkuri, arsen,

dan timah ke dalam satu lingkungan-sudah psati menjadi perhatian, tetapi tidak akan

kita kejar di sini. Pada saat ini, sulfur adalah unsur utama kita yang menarik perhatian.

Bagaimana belerang masuk batubara? Beberapa ratus juta tahun yang lalu,

batubara terbentuk dari vegetasi yang membusuk seperti yang ditemukan di rawa-

rawa atau rawa gambut. Karena belerang ada dalam semua makhluk hidup, sebagian



198

belerang berasal dari vegetasi kuno. Namun, sebagian besar sulfur dalam batubara

berasal dari ion sulfat (SO42-) yang secara alami ada dalam air laut. Jutaan tahun yang

lalu, bakteri pada dasar laut memanfaatkan sulfat sebagai sumber oksigen,

menghilangkan oksigen dan melepaskan ion Sulfide (S2-). Pada gilirannya, ion Sulfide

masuk ke dalam batuan kuno (termasuk batubara) yang berhubungan dengan air laut.Sebaliknya, batubara terbentuk dalam gambut air tawar memiliki kandungan sulfur

rendah. Dengan demikian, persen sulfur dalam batubara dapat bervariasi dari kurang

dari 1% menjadi sebanyak 6%.

Pembakaran belerang dalam oksigen menghasilkan sulfur dioksida, gas

beracun dengan bau yang jelas menyedak (Gambar 6.13).

[6.16]

Karena kandungan sulfur batubara bervariasi, pembakaran batu bara

menghasilkan sulfur dioksida dalam beragam jumlah. Fakta ini merupakan pusat

cerita hujan asam. Saat batu bara dibakar, belerang dioksida yang dihasilkan berjalan

tepat ke cerobong bersama dengan karbon dioksida, uap air, dan sejumlah kecil abu

logam oksida. Langkah-langkah pengendalian emisi bisa, tentu saja, mengurangi

jumlah SO2, Sebagaimana akan kita lihat dalam Bagian 6.14. Jadi tergantung pada

bagaimana pembakaran batubara pembangkit dilengkapi dengan utilitas listrik, Anda

akan menemukan berbagai tingkat emisi SO2.

Setelah di atmosfer, SO2 dapat bereaksi dengan oksigen membentuk sulfur

trioksida, SO3. Sulfur trioksida berperan dalam pembentukan aerosol, seperti yang

akan kita lihat dalam Bagian 6.11.

[6.17]

Reaksi ini cukup lambat, tetapi dipercepat oleh keberadaan partikel padatan

halus, seperti abu yang naik cerobong bersama dengan SO2. Setelah SO3 terbentuk,

bereaksi cepat dengan uap air di atmosfer membentuk asam sulfat (lihat persamaan6.11). Jalur lain juga tersedia untuk konversi belerang dioksida menjadi asam sulfat.

Salah satu yang penting melibatkan radikal hidroksil (·OH) yang terbentuk dari ozon

dan air dengan adanya sinar matahari. Reaksi ·OH dengan SO2 menyumbang 20-

25% dari asam sulfat di atmosfer. Reaksi berjalan lebih cepat pada sinar matahari

intens dan dengan demikian lebih penting pada musim panas dan di tengah hari.

Sebuah perhitungan kimia dapat membantu kita lebih menghargai sejumlah

besar SO2 yang diproduksi oleh pembangkit listrik dengan pembakaran batu bara.

Pembangkit tersebut biasanya membakar 1 juta metrik ton batu bara per tahun, di

mana per metrik ton setara sampai 1000 kg, atau 1x103 g?

Kita akan menganggap batubara rendah sulfur yang mengandung sulfur 2,0%,

yaitu 2,0 g per 100 g sulfur batubara. Pertama kita dapat menghitung gram sulfur

terlepas setiap tahunnya dari 1 juta metrik ton (1×1012 g) batu bara

Selanjutnya, kita menggunakan fakta bahwa 1 mol sulfur bereaksi dengan

oksigen untuk membentuk 1 mol SO2 (lihat Persamaan 6.16). Massa Molar sulfur



199

adalah 32,1 g, dan massa molar SO2 adalah 64,1 g, maka, 32,1 g + 2 (16,0 g). Oleh

karena itu, 32,1 g belerang terbakar menghasilkan 64,1 g SO2.

Massa SO2 ini setara dengan 40.000 metrik ton atau 88 juta pon SO2 per

tahun. Pembangkit listrik pembakaran batu bara sulfur tinggi dapat mengemisikan

lebih dari dua kali ini!

Hubungan antara pembakaran batu bara dan emisi sulfur dioksida di Amerika

Serikat jelas pada Gambar 6.14. Sebagian besar emisi timbul dari pembangkit listrik

("bahan bakar pembakaran") di mana bahan bakar fosil batu bara atau lainnya

dibakar untuk menghasilkan listrik untuk umum atau konsumsi industri. Transportasi

bertanggung jawab hanya untuk persen kecil dari emisi karena bensin dan solar

mengandung sulfur dalam jumlah yang relatif rendah. Proses industri, seperti

produksi logam dari bijih, diperhitungkan untuk sisa dari emisi. Misalnya, bijih dari

kedua tembaga dan nikel adalah Sulfides. Ketika nikel Sulfide dipanaskan sampai

suhu tinggi dalam smelter, bijih terurai dan belerang dioksida dilepaskan. Demikian

pula, peleburan tembaga Sulfide melepaskan SO2. Meskipun produksi skala besar

nikel dan tembaga kontribusinya hanya beberapa persen terhadap total emisi,

sejumlah besar SO2 dihasilkan di daerah tertentu.

Smelter terbesar di dunia di Sudbury, Ontario, memproduksi nikel dari bijih

yang mengandung belerang. Suram, lanskap tak bernyawa di sekitar langsung dari

pabrik berdiri menjadi kesaksian bisu pelepasan SO2 sebelumnya yangtidak

terkendali. Hari ini, setelah renovasi besar pada tahun 1993, dua smelter utama di

daerah itu telah mengurangi emisi sulfur dioksida mereka secara substansial.

Meskipun demikian, pada tahun 2003 lebih dari 200.000 metrik ton SO2 dilepaskan,

beberapa itu sebuah cerobong asap yang tinggi. Fakta bahwa ini adalah cerobong

asap tertinggi di dunia (sama dalam tinggi dengan Empire State Building) hanya

berarti bahwa emisi terbawa jauh jauh dari Sudbury oleh angin yang berlaku (Gambar

6.15). Agar kita menunjuk setiap jari, Kanada melaporkan bahwa lebih dari setengah

dari hujan asam di bagian timur dari negara mereka berasal dari Amerika Serikat.

Jumlah sulfur dioksida yang melayang ke utara melewati perbatasan ke Kanada

diperkirakan 4 juta ton per tahun

6.8 Oksida Nitrogen, dan Kation Acidifikasi Los Angeles

Batubara telah didakwa sebagai pelaku utama lingkungan karena, ketika

dibakar, menghasilkan sulfur dioksida. Tapi SO2 bukan satu-satunya penyebab hujan

asam; pihak bersalah lain telah diidentifikasi. Perhatikan, misalnya, udara berkabut

yang mungkin menetap ke basin Los Angeles. Meskipun konsentrasi SO2 relatifrendah, hujan masih sangat asam. Pada Januari 1982, kabut dekat Rose Bowl di

Pasadena ditemukan memiliki pH 2,5. Bernapas itu pasti seperti menghirup kabut

halus cuka! Keasaman kabut ini melebihi hujan normal dengan setidaknya 500 kali.

Pada tahun yang sama, kabut di Corona del Mar di pantai selatan dari Los Angeles

adalah 10 kali lebih asam dibandingkan dekat Rose Bowl, mencatatkan pH 1,5.

Dalam kedua kasus, sesuatu selain belerang dioksida terlibat.



200

Untuk memecahkan misteri ini, kita beralih ke mobil dan truk yang macet di

jalan raya Los Angeles siang dan malam. Sekilas terlebih dulu, itu mungkin tidak jelas

bagaimana ribuan kendaraan berkontribusi terhadap curah hujan asam. Bensin

terbakar untuk membentuk CO2 dan H2O, bersama dengan jumlah kecil CO,

hidrokarbon tidak terbakar, dan jelaga. Tapi bensin mengandung sedikit sulfur. Akibatnya, kita harus mencari sumber keasaman lain.

Nitrogen oksida sudah pernah diidentifikasi sebagai kontributor untuk hujan

asam, tapi bensin tidak mengandung nitrogen. Oleh karena itu, logika (dan kimia)

menegaskan bahwa nitrogen oksida tidak dapat dibentuk dari pembakaran bensin.

Secara harfiah, ini benar. Ingat, bagaimanapun, bahwa sekitar 80% udara terdiri dari

molekul N2. Molekul-molekul ini sangat stabil dan untuk sebagian besar yang tidak

reaktif. Namun demikian, jika suhu cukup tinggi, nitrogen dapat dan bereaksi secara

langsung dengan beberapa elemen. Salah satunya adalah oksigen. mengingat

kembali dari Bab 1 bahwa dengan energi yang cukup, nitrogen dan oksigen

bergabung untuk membentuk nitrogen monoksida (nitrik oxide).

[6.18]

Energi yang diperlukan untuk reaksi ini bisa berasal dari kilat atau dari "petir"

di dalam mesin pembakaran internal. Dalam sebuah mobil, bensin dan udara ditarik

ke dalam silinder dan dikompresi, membawa molekul N2 dan O2 lebih dekat bersama-

sama. Bensin, setelah dinyalakan, membakar dengan cepat. Energi yang dilepaskan

tenaga kendaraan itu. Tetapi kebenaran disayangkan adalah bahwa energi juga

memicu kimia persamaan 6.18.

Reaksi N2 dengan O2 untuk membentuk NO tidak terbatas pada mesin mobil.

Reaksi yang sama terjadi ketika udara dipanaskan sampai suhu tinggi dalam tungku

pembangkit listrik pembakaran batubara. Oleh karena itu, pembangkit tersebut

berkontribusi luas jumlah kedua belerang oksida dan nitrogen oksida yangmengasamkan presipitasi. Secara nasional, pembakaran dari bahan bakar (misalnya,

batu bara) pada pembangkit utilitas listrik dan oleh industri melepaskan lebih

sepertiga dari itu nitrogen oksida (Gambar 6.16). Sumber pengangkutan seperti

kendaraan bermotor, pesawat, dan kereta mencapai lebih setengah. Ketika di

lingkungan perkotaan, bahkan proporsi yang lebih besar NO muncul dari kendaraan

bermotor.

Pada awal 1990-an, solusi kimia hijau untuk mengurangi emisi NO dan

konsumsi energi diperkenalkan ke manufaktur kaca AS oleh Praxair Inc dari

Tarrytown, NY. Pemenang penghargaan mereka pengganti teknologi 100% oksigen

untuk udara di besar tungku digunakan untuk mencairkan dan memanaskan kaca.

Beralih dari udara (78% nitrogen) ke oksigen murni mengurangi produksi NO oleh90% dan memotong konsumsi energi hingga 50%. Produsen kaca menggunakan

Praxair Oxy-Fuel teknologi menghemat energi yang cukup setiap tahun untuk

memenuhi kebutuhan sehari-hari 1 juta orang Amerika.

Setelah terbentuk, nitrogen monoksida sangat reaktif. Seperti yang kita

ketahui dalam Bab 1, melalui serangkaian langkah-langkah yang bereaksi dengan

oksigen, radikal hidroksil, dan senyawa organik volatile (VOC) untuk membentuk NO2.

[6.19]



201

Spesies reaktif antara A, A’, dan A”, ada dalam jumlah kecil, disintesis dari

molekul VOC. Produksi hujan asam terhubung ke senyawa yang sama ini jejak di

atmosfer.

Nitrogen dioksida adalah sangat reaktif, beracun, gas merah-coklat dengan

bau buruk. Untuk tujuan kita, reaksi yang paling signifikan bisa NO2 adalah salah satuyang mengkonversi ke asam nitrat, HNO3. Sebelumnya, persamaan 6.13 adalah

penyederhanan konversi ini. Sebenarnya serangkaian reaksi terjadi dalam kehadiran

sinar matahari. Ini mengambil tempat di udara sekitarnya Los Angeles, Phoenix,

Dallas, dan lainnya cerah wilayah metropolitan. Pemain kunci adalah hidroksil radikal.

Setelah terbentuk di atmosfer, hidroksil radikal cepat dapat bereaksi dengan nitrogen

dioksida untuk menghasilkan asam nitrat.

[6.20]

Seperti yang Anda telah melihat dalam persamaan 6.14, HNO3 memisahkan

sepenuhnya dalam air untuk melepaskan H+ dan NO3-. Hasilnya adalah nilai pH

mengkhawatirkan rendah kadang-kadang ditemukan dalam hujan dan kabut Los

Angeles.

6.9 SO2 dan NO-Bagaimana Mereka Stack Up?

Setelah mengidentifikasi SO2 dan NO sebagai dua kontributor utama hujan

asam, kita sekarang akan mengkaji sumber-sumber mereka. Di Amerika Serikat,

emisi antropogenik tahunan (manusia) berada pada orde jutaan ton-kira-kira 15 dan

20 juta untuk SO2 dan NO, masing-masing. Sebagian besar emisi sulfur dioksida

dapat ditelusuri ke pembakaran batu bara pada Pembangkit tenaga listrik. Tapi ini

utilitas yang sama hanya mencapai sedikit lebih dari sepertiga dari nitrogen oksida

yang dilepaskan (lihat Gambar 6.16). Mesin pembakaran bahwa mobil listrik, truk,

pesawat, dan kereta api memancarkan lebih dari setengah dari NOx.

Tingkat polutan ini telah berubah secara dramatis dari waktu ke waktu.Sebelum tahun 1950, jumlah yang relatif kecil Nox ada dalam hujan, kabut, dan salju.

Gambar 6.17a menunjukkan bahwa NOx kami saat ini tingkat adalah hasil dari

peningkatan emisi tanpa henti. Emisi tersebut, tidak seperti emisi SO2, telah mendatar

dalam beberapa tahun terakhir. Sebaliknya, emisi SO2 telah menurun secara

substansial sejak puncaknya pada tahun 1974 (Gambar 6.17b), penghargaan untuk

banyak hal, termasuk 1990 Clean Air Act Amandemen. Dalam dua bagian akhir bab

ini, kita akan membahas bagaimana biaya, strategi pengendalian, dan politik telah

mempengaruhi emisi SO2 dan NOx di Amerika Serikat

Secara global, tingkat SO2 dan NOx juga berubah dari waktu ke waktu. NOx

sulit untuk melacak. NOx berasal dari jutaan sumber bergerak yang kecil, dan tidak

diatur dari NOx di seluruh dunia. Sebaliknya, emisi SO2 dapat diperkirakan dengantingkat akurasi wajar. Data nasional pada konsumsi bahan bakar fosil dan pengolahan

bijih logam yang mengandung belerang membuat ini mungkin untuk melacak. Untuk

mendapatkan perkiraan, peneliti mulai dengan jumlah bahan bakar fosil (bersama

dengan kandungan sulfurnya) diproduksi di suatu negara, kemudian tambahkan

impor bahan bakar fosil, dan akhirnya dikurangi ekspor.



202

Gambar 6.17 (a) US emisi oksida nitrogen 1940-2003. (b) emisi US sulfur dioksida1940-2003. Catatan: Pembakaran bahan bakar mengacu pada pembakaran bahanbakar fosil, seperti batu bara. Sumber: EPA/OAR, Udara Nasional Polutan Tren Emisi,1900-1998, dengan data terbaru ditambahkan.

Refining logam agak rumit untuk memperkirakan, karena jumlah sulfur

dilepaskan tergantung pada teknologi yang digunakan (yang tidak selalu diketahui).

Meskipun demikian, adalah mungkin untuk mencapai kesimpulan menggunakan data

jenis ini.



203

Suatu estimasi dipublikasikan tahun 2004 menunjukkan kabar baik-

penurunan emisi SO2 dunia selama dekade terakhir. Kembali di tahun 1970-an, Eropa

Barat dan Amerika Utara berbagi judul penghasil emisi terbesar di dunia. Seperti yang

kita lihat sebelumnya, tingkat emisi AS kemudian menurun dengan cepat dan orang-

orang dari Eropa Barat mengikutinya. Eropa Timur mengambil alih peran utama,mencapai puncaknya pada tahun 1989, dan sekarang juga tingkat emisi yang turun.

Ini menurun terjadi untuk alasan yang berbeda: peraturan lingkungan di Eropa

berbeda dengan depresi ekonomi di Eropa Timur.

Hari ini, benua Asia memimpin dalam emisi SO2. Pada tahun 1970, Amerika

Serikat mempancarkan sekitar 30 juta ton sulfur dioksida dan China sekitar 10 juta

ton. Pada tahun 1990, keduanya negara dilepaskan sekitar 22 juta ton. Dengan

dimulainya tahun 2000, Cina muncul sebagai pemimpin yang jelas dalam emisi SO2.

Namun, dengan penutupan beberapa pembangkit batubara tua yang tidak efisien,

emisi dari China belum naik secepat mereka bisa. Waktu akan memberitahu.

Tabel 6.1 menyajikan pandangan global emisi SO2 dan NOx dari baik sumber

alam dan antropogenik. Jelas, manusia bukan satu-satunya generator sulfur dan

nitrogen oksida. Meskipun demikian, jumlah sulfur ditambahkan ke atmosfer oleh

manusia adalah dua kali dari gunung berapi, laut, dan sumber-sumber alam lainnya.

Jumlah nitrogen ditambahkan sebagai NOx oleh manusia adalah sekitar empat kali

lipat dari sumber alami seperti petir dan bakteri yang ditemukan dalam tanah. Siklus

nitrogen, yang akan kita jelaskan dalam Bagian 6.12, menunjukkan kompleksitas jalur

alami nitrogen dalam biosfer.

Menafsirkan data dari Tabel 6.1 dengan hati-hati. Emisi alami dasarnya

variabel dan sulit untuk memperkirakan. Sebagai contoh, penelitian telah



204

menunjukkan bahwa ton NOx terbentuk oleh petir bervariasi menurut wilayah

(cenderung lebih tinggi di dekat khatulistiwa) dan bulan (lebih tinggi selama bulan Juli

di belahan bumi utara, Januari di Selatan). Selain itu, konsentrasi lokal NOx tunduk

pada badai updrafts dan downdrafts.

Kadang-kadang, peristiwa geologis besar mengubah pola. Letusan GunungPinatubo Juni 1991 di Filipina adalah kasus di titik. Letusan ini, yang terbesar dalam

satu abad, disuntikkan antara 15 dan 30 juta ton sulfur dioksida ke stratosfer. Pada

ketinggian ini, SO2 bereaksi membentuk tetesan kecil dan kristal beku asam sulfat.

Bebulan-bulan, aerosol H2SO4 tetap tersuspensi di atmosfer, memantulkan dan

menyerap sinar matahari. Penurunan sementara rata-rata temperatur global diamati

pada akhir 1991 bahwa terus sampai 1992 telah dikaitkan terhadap efek letusan.

Memang, ketika efek pendinginan Gunung Pinatubo termasuk dalam program

komputer yang digunakan untuk model perubahan suhu global, prediksi cocok

dengan baik dengan pengamatan. Bukti juga menunjukkan bahwa kristal beku H2SO4

memberikan banyak situs katalitik baru untuk reaksi kimia yang menyebabkan

kerusakan ozon stratosfir. Cukup jelas, topik teks ini erat terjalin.

6.10 Hujan Asam dan Efeknya pada Bahan

Sebagaimana telah kita lihat, banyak hujan, kabut, dan salju di Amerika

Serikat lebih asam dibandingkan hujan yang tidak tercemar. Secara regional,

keasaman hujan telah meningkat signifikan sejak Revolusi Industri. Dalam kasus

terburuk, kabut dan embun dapat memiliki pH 3,0 atau lebih rendah. Tapi apakah ini

semua benar-benar penting? Untuk menjawab pertanyaan ini, kita perlu tahu sesuatu

tentang dampak deposisi asam dan seberapa serius mereka sebenarnya.

Penelitian nasional dapat membantu kita. Selama tahun 1980 Kongres AS

mendanai upaya nasional penelitian yang disebut Program Penilaian Hujan Asam

Nasional (NAPAP). Lebih dari 2000 ilmuwan yang terlibat, dengan total pengeluaransebesar $ 500 juta. Proyek selesai pada tahun 1990, dan para ilmuwan yang

berpartisipasi menyiapkan 28 -volume set laporan teknis (NAPAP, State of the

Science and Technology , 1991). Beberapa materi di sisa bab ini diambil dari laporan

NAPAP yang dan dari laporan konferensi pada tahun 2001. Konferensi ini berjudul

"Hujan Asam: Apakah Masalahnya telah Terpecahkan?" dan adalah disponsori oleh

Center for Environmental Information. Tujuannya adalah untuk "menempatkan“

masalah hujan asam tepat kembali di garis depan agenda publik.

Dan kita setuju-hujan asam harus tetap pada agenda publik. Salah satu

alasannya adalah kerusakan yang dilakukan oleh hujan asam (Tabel 6.2). Pada

bagian ini, kita menggambarkan efek hujan asam pada logam, patung, dan bangunan.

Efek dari hujan asam terhadap kesehatan manusia akan dieksplorasi di bagian yangberikut.

Logam pertama. Ketika kita mulai pembahasan ini, ingat bahwa dari 100 atau

lebih elemen pada tabel periodik, sekitar 80% adalah logam. Logam biasanya yang

mengkilap dan keperakan dalam penampilan; setidaknya, mereka yang mengkilat

sebelum mereka menjadi ternoda atau berkarat oleh hujan asam. Meskipun asam

hujan (pH 3-5) tidak mempengaruhi semua logam, sayangnya besi adalah salah satu

yang terpengaruh.



205

Seperti yang dapat Anda amati, besi merupakan bahan konstruksi utama.

Jembatan, rel kereta api, dan kendaraan dari semua jenis tergantung pada besi dan

baja yang terbuat dari itu. Batang dari baja digunakan untuk memperkuat bangunan

beton dan jalan raya. Di banyak bagian negara, pagar besi dekoratif dan kisi-kisi baik

ornamen dan melindungi kota dan rumah-rumah pedesaan.Masalah dengan besi yang berkarat, yang diwakili oleh persamaan ini kimia.

[6.21]

Berkarat adalah proses yang lambat. Besi bereaksi cepat dengan oksigen

hanya jika Anda panaskan atau terbakar, seperti dengan sparkler pada Empat Juli.

Tetapi pada suhu kamar, besi memerlukan kehadiran ion hidrogen terhadap karat.

Bahkan air murni (pH= 7) memiliki konsentrasi H+ yang cukup untuk mempromosikan

berkarat yang lambat. Dalam asam, proses berkarat sangat dipercepat. Peran H+

jelas dalam persamaan 6.22, terlebih dulu dari proses dua langkah. Di langkah ini,

logam besi larut.

[6.22]

Pada langkah kedua, Fe2+ berair bereaksi lanjut dengan oksigen.

[6.23]

Produk padat, Fe2O3, bahan coklat kemerahan yang akrab kita sebut karat.

Karena besi inheren tidak stabil bila terkena lingkungan alam, jumlah uang

yang besar dihabiskan setiap tahun untuk melindungi besi terbuka dan baja di

jembatan, mobil, bangunan, dan kapal. Cat adalah cara yang paling umum untuk



206

perlindungan, tapi bahkan cat terdegradasi, terutama bila terkena hujan asam dan

gas. Pelapisan besi dengan lapisan tipis dari logam kedua seperti kromium (Cr) atau

seng (Zn) adalah cara lain untuk perlindungan. Besi dilapisi dengan seng disebut besi

galvanis. Besi galvanis masih rentan terhadap kehadiran hujan asam. Karena itu,

struktur galvanis harus diganti lebih sering daripada di masa lalu.Cat mobil dapat bernoda atau mengelupas oleh deposisi asam. Untuk

mencegah hal ini, produsen mobil sekarang menggunakan cat tahan asam. Ini adalah

sebuah ironi bahwa mobil memancarkan sangat kimia yang melindungi cat mereka.

Mengikuti NO dari knalpot mobil Anda dan Anda mungkin menemukan bahwa bahan

kimia ini pada akhirnya berakhir di tetesan yang menimpa kap mobil Anda.

Hujan asam juga merusak patung-patung dan monumen yang terbuat dari

marmer. Misalnya, mereka di Gettysburg National Battlefield telah mengalami

kerusakan tidak dapat diperbaiki. Gambar 6.18 menunjukkan patung masih dapat

dikenali, tetapi jauh memburuk dari George Washington di Kota New York. Marmer

kapur, terutama terdiri dari kalsium karbonat, CaCO3, Perlahan larut di hadapan ion

H+.

[6.24]

Gambar 6.18 Hujan asam ini merusak patung batu kapur dari George Washington.

Ini didirikan di New York City pada tahun 1944.



207

Gambar 6.19 Hujan asam tidak mengenal batas geografis atau politik. Hujan asam

telah mengikis reruntuhan Maya Chichén Itzá di, Meksiko.

Pengunjung ke Lincoln Memorial di Washington, DC, belajar bahwa stalaktit

besar tumbuh di ruang bawah memorial adalah hasil dari hujan asam yang mengikis

marmer, lagi bahan yang mengandung baik kalsium karbonat atau magnesium

karbonat (atau keduanya). Monumen lain di bagian timur Amerika Serikat menderita

nasib yang sama. Beberapa batu nisan batu kapur tidak lagi terbaca. Di seluruh dunia,

banyak patung dan bangunan marmer tak ternilai dan tak tergantikan sedang

diserang oleh asam udara (Gambar 6.19). The Parthenon di Yunani, Taj Mahal di

India, dan reruntuhan Maya di Chichen Itza semua menunjukkan tanda-tanda erosi

asam. Ironisnya, beberapa hujan asam di situs ini adalah karena NOx yang diproduksi

oleh bus pariwisata dan kendaraan dengan kontrol emisi minimal.

6.11 Hujan Asam, Kabut, dan Kesehatan Manusia

Efek lebih jelas hujan asam sering dapat diamati hanya dengan melihat luar

jendela. Siapapun yang hidup di bagian timur Amerika Serikat akrab dengan kabut

musim panas yang mungkin menetap seluas lanskap. Ironisnya, Anda menjadi lebih

menyadari hal itu pada hari yang cerah sesekali ketika itu benar-benar tampak bahwa

Anda dapat melihat selamanya. Penumpang pesawat, karena mereka mengintip

turun dari 30.000 kaki, mungkin memperhatikan bahwa fitur dan warna lanskap yang

kabur. Sama seperti pengunjung ke Great Smoky Mountains National Park dapat

melihat set foto kontras, Anda juga bisa melihat pada Gambar 6.20.

Penyebab kabut dipahami dengan baik, tetapi mereka berbeda dari daerah ke

daerah. Di timur, misalnya, pembangkit listrik pembakaran batu bara di Lembah Ohio

dan di tempat lain menghasilkan masalah asap dan partikulat yang pada gilirannya

menciptakan kabut. Di barat, yang berbeda partikulat termasuk debu tanah dan jelaga

dari tungku kayu bakar menambah kabut.

Timur atau barat, pembangkit listrik memancarkan NOx dan SO2. Meskipun

keduanya berkontribusi terhadap kabut, untuk tujuan menggambarkan hujan asam

kita akan fokus pada yang terakhir. Seperti kita disebutkan sebelumnya, batubara

mengandung persen sulfur sedikit, dan ketika batubara dibakar, suatu aliran sulfur



208

dioksida dilepaskan ke atmosfer. Karena sulfur dioksida tidak berwarna, gas ini bukan

apa yang kita lihat sebagai "kabut." Sebaliknya, SO2 adalah pendahulu kabut ini.

Gambar 6.20 Sehari kabur dan hari yang cerah dari Lihat Batu Menara di Great

Smoky Mountains National Park.

Mari kita fokus pada molekul SO2 saat keluar dari cerobong tinggi dari

pembangkit listrik. Ketika bergerak melawan arah angin, ia dapat membentuk aerosol

asam sulfat melalui serangkaian langkah. Pertama adalah reaksi dari SO2 dengan

oksigen untuk membentuk SO3, seperti yang kita lihat sebelumnya dalam persamaan

6.17. Belerang trioksida juga gas tidak berwarna, tetapi memiliki sifat yang

higroskopis, yaitu adalah, mudah menyerap air dari atmosfir dan mempertahankan

itu. Seperti kita lihat dalam persamaan 6.11, satu molekul SO3 dapat bereaksi cepat

dengan molekul air untuk membentuk asam sulfat.

Tetesan kecil asam sulfat kemudian mengental untuk menghasilkan tetesan

yang lebih besar. Tetesan ini membentuk aerosol dengan partikel kira-kira 1

mikrometer (1×10-6 m) ukuran. Partikel-partikel asam sulfat tidak menyerap sinarmatahari. Sebaliknya, mereka mennghamburkan (memantulkan) sinar matahari,

mengurangi visibilitas. Aerosol asam sulfat, yang dapat bertahan selama beberapa

hari, dapat melakukan perjalanan ratusan mil mengikuti arah angin, sehingga kabut

bisa menjadi begitu meluas. Selain itu, partikel halus dari asam cukup stabil sehingga

mereka memasuki kita bangunan dan menjadi bagian dari udara yang kita hirup

dalam ruangan.,

Anda juga mungkin pernah mendengar aerosol sulfat. Ingat bahwa asam

sulfat, H2SO4, mengionisasi untuk menghasilkan H+, HSO4-, dan SO4

2-. Konsentrasi

masing-masing dapat diukur dalam aerosol. Tapi aerosol asam dapat bereaksi

dengan basa menghasilkan garam yang berisi ion sulfat. Biasanya basa ini adalah

amonia atau dalam bentuk cair, amonium hidroksida. Dengan demikian, partikeldalam aerosol mungkin campuran asam sulfat, amonium sulfat, (NH4)2SO4, dan

amonium hidrogen sulfat, NH4HSO4. Pelaporan konsentrasi sulfat dan ion hidrogen

sulfat (bukan hanya pH) memberikan indikasi yang lebih baik berapa banyak asam

sulfat awalnya ada.

Kabut yang paling menonjol di musim panas ketika ada lebih banyak sinar

matahari untuk mempercepat reaksi fotokimia yang menyebabkan asam sulfat.

Akibatnya, visibilitas rata-rata di Amerika Serikat bagian timur sekarang sekitar 20 mil



209

dan kadang-kadang serendah 1 mil. Sebaliknya, visibilitas di negara-negara Barat

kini berkurang dari jangkauan visual alami sekitar 200 mil sampai 100 mil atau kurang.

Di mana Anda sebelumnya mungkin telah mampu melihat pegunungan 100 mil

jauhnya, pegunungan ini sekarang mungkin telah menghilang ke kabut. Visibilitas di

banyak taman nasional telah terpengaruh, termasuk Yellowstone, Grand Canyon,gletser, dan Sion.

The Clean Air Act tahun 1970 dan perubahannya selanjutnya termasuk

ketentuan untuk meningkatkan visibilitas di taman nasional kita. Meskipun standar

yang ditetapkan oleh hukum pemerintah federal, negara dibebani dengan penerapan

standar tersebut. Visibilitas terus turun di taman nasional. Dalam beberapa hari

terakhir kepresidenannya, Bill Clinton menandatangani RUU otorisasi EPA untuk

mengeluarkan peraturan untuk membantu membersihkan langit di taman nasional

dan daerah padang gurun. Peraturan ini, disebut Regional Haze Rule (1999),

mewajibkan ratusan pembangkit listrik yang lebih tua yang memancarkan kuantitas

besar SO2, Nox dan partikulat untuk memperbaiki operasi mereka dengan kontrol

polusi. Sebuah set akhir amandemen, Clean Air Visibility Rule, yang diterbitkan padatanggal 15 Juni tahun 2005 oleh Presiden George W. Bush. Amandemen ini

membatasi emisi SO2 dan NOx di negara-negara barat dan terus menjadi

kontroversial.

Yang Anda lihat, adalah yang Anda hirup. Sekali dihirup, tetesan asam akan

menyerang tisu paru yang sensitif. Yang paling rentan termasuk orang tua, orang

sakit dan yang terkena asma, emfisema dan penyakit kardiovaskular. Orang yang

sudah mengalami bronkitis dan pneumonia mungkin menunjukkan meningkatnya

angka kematian. Mereka dalam kesehatan yang baik merasakan efek iritasi dari

aerosol asam juga. Sehingga bernapas udara yang terkontaminasi dengan aerosol

sulfat dan asam sulfat datang dengan label harga medis.

Penurunan tingkat aerosol menghasilkan tabungan besar, baik dalam dolar riildan kesehatan Anda. Masalahnya adalah bahwa biaya dan tabungan tidak langsung

ditanggung oleh kelompok yang sama. Industri harus membayar untuk

membersihkan, orang harus membayar tagihan medis. Pemerintah, tentu saja, yang

terlibat dalam membayar keduanya.

EPA memperkirakan bahwa Clean Air Visibility Rule tahun 2005 akan

memberikan "keuntungan kesehatan nyata di kisaran $ 8,4 sampai $ 9,8 milyar setiap

tahun-mencegah diperkirakan 1.600 kematian prematur, 2.200 serangan jantung

non-fatal, 960 rawat inap, dan lebih dari 1 juta kehilangan hari sekolah dan bekerja."

Rasio cost-to-benefit itu demikian sangat menguntungkan. EPA memperkirakan total

biaya tahunan untuk implementasi berada di kisaran $ 1,5 miliar.

Secara historis, polusi udara telah menuntut biaya besar. Salah satu yangterburuk direkam contoh penyakit pernapasan terkait polusi terjadi di London pada

tahun 1952. Periode udara berkabut yang buruk yang tidak biasa di Kepulauan

Inggris, karena cerobong asap pabrik telah mengeluarkan asap ke udara selama

beberapa ratus tahun. Namun pada bulan Desember, 1952, cuaca dingin dari

biasanya dan orang-orang membakar jumlah besar batubara kaya belerang di

perapian rumah mereka. Karena kondisi cuaca yang tidak biasa, lapisan dalam kabut

terbentuk dan menjebak semua asap dan polutan selama lima hari, menurunkan



210

visibilitas sampai praktis nol. Aerosol mematikan menyebabkan lebih dari 4000

kematian, selama puncaknya mengklaim 900 jiwa setiap hari.

Pada tahun 1948, kejadian serupa terjadi di Donora, PA, sebuah pabrik baja

kota selatan Pittsburgh. Lagi lapisan kabut polutan industri terjebak dekat dengan

tanah. Sebelum siang, langit telah gelap dengan aerosol kabut dan asap yangmenyedak (Gambar 6.21). Seorang pemadam kebakaran umur 81 tahun yang

mengambil oksigen dari pintu ke pintu untuk korban melaporkan, "Ini mungkin

terdengar dramatis atau berlebihan, tapi Anda hampir tidak bisa melihat." Konsentrasi

tinggi asam sulfat dan polutan lainnya segera menyebabkan penyakit meluas.

Selama kabut, 17 orang tewas, yang akan diikuti oleh 4 lagi nanti. Meskipun Donora

dan London adalah insiden ekstrim dan tidak biasa dari masa lalu, orang masih

bernapas udara yang sangat tercemar hari ini. US EPA dan Organisasi Kesehatan

Dunia memperkirakan bahwa saat ini 625 juta orang masih terkena tingkat SO2 yang

tidak sehat yang dilepaskan oleh pembakaran bahan bakar fosil.

Meskipun kabut asam dapat segera berbahaya bagi kesehatan seseorang,

perhatian publik tumbuh atas efek tidak langsung dari hujan asam. Misalnya,kelarutan tertentu ion logam beracun, termasuk timah, kadmium, dan merkuri yang

signifikan meningkat karena adanya asam. Unsur ini secara alami ada di lingkungan,

tapi biasanya erat terikat dalam mineral yang menyusun tanah dan batuan. Larut

dalam air yang diasamkan dan dibawa ke pasokan air publik, logam ini dapat

menimbulkan ancaman kesehatan yang serius. Konsentrasi tinggi berat logam telah

ditemukan di beberapa air waduk utama di Eropa Barat.

Gambar 6.21 (a) 1948 headline berita dari Donora, PA. (b) Donora pada siang hari

selama asap mematikan pada tahun 1948.

Jelas ada hubungan antara pembakaran bahan bakar fosil, curah hujan asam,

dan kesehatan manusia. Sebuah artikel yang ditulis dalam jurnal Science pada tahun

2001 oleh Tim penulis internasional blak-blakan menilai situasi, "Untuk setiap satu

hari penundaan kebijakan untuk mengurangi emisi pembakaran bahan bakar fosil,

kematian dan penyakit yang berkaitan dengan polusi udara akan meningkat." Studi

oleh EPA telah memperkirakan bahwa pengurangan SO2 dan asam terkait polusi

aerosol diserukan oleh Perubahan Clean Air Act Tahun 1990 dapat mengakibatkan



211

tabungan miliaran dolar dalam biaya perawatan kesehatan dari waktu ke waktu.

Penghematan akan datang terutama dari pengurangan biaya untuk mengobati

penyakit paru seperti asma dan bronkitis dan dari penurunan kematian dini. Tapi ada

koneksi lain antara curah hujan asam dan manusia yang mungkin kurang jelas. Untuk

menemukan itu, kita perlu untuk kembali ke Nox.

6.12 NOx-The Double Whammy

Sepotong pizza? Segelas limun? Salad hijau dengan minyak dan cuka?

Jarang sehari berlalu bahwa Anda tidak menelan makanan dalam satu bentuk atau

lain. Jelas, Anda perlu makan dalam rangka untuk tetap hidup. Ketika Anda membaca

ini, pria dan wanita di seluruh dunia yang memproduksi makanan dengan menanam

ladang gandum, panen buah dan sayuran dengan truk, dan mungkin bahkan

menumbuhkan oregano atau chives pada jendela cerah. Atas jasa mereka, manusia

telah menjadi sangat ahli dalam membudidayakan tumbuhan dan hewan. Namun,

komplikasi adalah bahwa memproduksi makanan seperti sosis pizza, sama seperti

mengemudi mobil (mungkin yang Anda gunakan untuk mengambil pizza), menambahkeasaman lingkungan.

Pada bagian sebelumnya, kita meneliti hubungan antara produksi energi dan

asam emisi SO2 dan NOx. Di sini kita akan mengeksplorasi link lain, kali ini antara

produksi makanan dan emisi NOx. Sambungan berasal dari perbedaan utama antara

senyawa nitrogen dan sulfur dalam lingkungan; yaitu bahwa nitrat bertindak sebagai

pupuk dan mempromosikan pertumbuhan tanaman. Sebenarnya tanaman tergantung

pada sulfur juga, seperti pada unsur-unsur lain seperti karbon, hidrogen, fosfor, dan

kalium. Kecuali untuk nitrogen, bagaimanapun, unsur-unsur lain cenderung tersedia

di biosfer untuk serapan oleh tanaman. Karena bentuk yang dapat digunakan nitrogen

dalam pasokan sedikit, kita perlu menambahkannya dalam bentuk pupuk.

Para skeptis Chymist mungkin bertanya-tanya bagaimana tingkat nitrogendapat rendah dalam tanah ketika N2 begitu banyak di atmosfer kita. Meskipun

berlimpah, molekul nitrogen tidak dalam bentuk kimia yang kebanyakan tanaman

dapat gunakan. Seperti yang kita telah menunjukkan sebelumnya, N 2 jauh kurang

reaktif dari O 2.

Dalam rangka untuk tumbuh, tanaman membutuhkan akses ke bentuk

nitrogen yang lebih

reaktif, seperti ion

amonium, amonia, atau

ion nitrat. Bentuk-bentuk

dan lainnya reaktif

tercantum dalam Tabel6.3. Kita merujuk kepada

mereka secara kolektif

sebagai nitrogen reaktif.

Senyawa nitrogen ini

secara biologis aktif,

kimia aktif, atau aktif

dengan cahaya di atmosfer kita. Sebagai Anda mungkin menduga, antaranya polusi

udara NO dan NO2.



212

Bentuk-bentuk nitrogen semua terjadi secara alami dan sampai saat ini semua

ada di planet kita dalam jumlah yang relatif kecil. Bentuk lain dari nitrogen reaktif juga

ada, tapi kita akan memperkenalkan ini ketika kita membutuhkannya nanti untuk studi

kita polimer, protein, dan DNA.

Walaupun kita mengelompokkan N2 sebagai tak reaktif, reaksi yangmelibatkan molekul nitrogen adalah sangat penting: fiksasi nitrogen biologis.

Tanaman seperti alfalfa, kacang-kacangan, dan kacang polong menghilangkan, atau

"mengikat," N2 dari atmosfer (Gambar 6.22). Agar lebih akurat, bukan tanaman itu

sendiri, melainkan bakteri yang hidup di atau dekat akar tanaman tersebut yang

mengikat nitrogen. Sebagai bagian dari metabolisme mereka, bakteri nitrogen-fi xing

mengambil nitrogen dari udara dan mengubahnya menjadi amonia. Ketika amonia

larut dalam air, itu melepaskan ion amonium (lihat persamaan 6.4b). Ion ini adalah

salah satu dari dua bentuk nitrogen reaktif yang kebanyakan tanaman dapat

menyerap. Berikut ini adalah jalurnya:

[6.25]

Bentuk lain dari nitrogen reaktif yang tanaman dapat menyerap adalah ion

nitrat. Nitrifikasi adalah proses konversi amonia dalam tanah menjadi ion nitrat. Dua

jenis bakteri yang terlibat di sepanjang jalur ini.

[6.26]

Akhirnya, untuk datang lingkaran penuh, denitrifikasi terjadi, yaitu, proseskonversi nitrat kembali menjadi gas nitrogen. Sekali lagi, bakteri menyelesaikan tugas

ini. Dengan demikian, ini bakteri memanfaatkan energi yang dilepaskan ketika

terbentuk molekul stabil N2. Tergantung pada kondisi tanah, jalur dapat terjadi dalam

langkah-langkah yang mencakup NO dan N2O. Jadi, ini bentuk reaktif nitrogen juga

dapat dilepaskan dari tanah.

[6.27]

Semua jalur tersebut merupakan bagian dari siklus nitrogen, satu set jalur

kimia dimana nitrogen bergerak melalui biosfer. Gambar 6.23 merakit jalur 6,25, 6,26,

dan 6.27 menjadi versi yang disederhanakan dari siklus nitrogen. Dalam siklus ini,

semua spesies bentuk nitrogen reaktif kecuali N2.

Sekarang kembali ke cerita acidifikasi, ingatlah bahwa bentuk reaktif nitrogen

yang diperlukan untuk pertumbuhan tanaman. Karena bakteri dalam tanah tidak

dapat memasok amonia, amonium ion, atau ion nitrat dalam jumlah yang dibutuhkan

untuk pertumbuhan tanaman, petani menggunakan pupuk. Beberapa abad yang lalu,



213

pupuk diperoleh dengan pertambangan deposit sendawa (amonium nitrat dari

padang pasir Chile) atau dengan mengumpulkan guano, yang kaya deposit nitrogen

dari burung dan kelelawar kotoran di Peru. Tidak ada sumber, bagaimanapun,

mencukupi untuk memenuhi permintaan. Suatu saluran tambahan pada pasokan

nitrat adalah bahwa mereka digunakan untuk membuat bubuk mesiu dan bahanpeledak lainnya seperti TNT. Dengan demikian, di awal 1900-an, pencarian adalah

selama sumber sintetis senyawa nitrogen reaktif.

Gambar 6.23 Siklus nitrogen (disederhanakan).

Bagaimana pupuk diperoleh dalam jumlah besar dibutuhkan untuk pertanian

masa kini? itu Jawabannya terletak pada reaksi penting kedua dari N2, Salah satu

yang benar-benar menangkap itu dari udara untuk mensintesis amonia:

[6.28]

Reaksi kimia terkenal dikenal sebagai proses Haber-Bosch. Hal ini

memungkinkan produksi amonia ekonomis, yang pada gilirannya memungkinkan

produksi pupuk skala- besar dan bahan peledak berbasis nitrogen. sebagai pupuk,

amonia dapat langsung diterapkan untuk tanah atau dapat diterapkan sebagaiamonium nitrat atau amonium fosfat. Jalur hijau bahwa dimulai sekitar tahun 1910 di

Gambar 6.24 mewakili peningkatan besar nitrogen reaktif dari proses Haber-Bosch.

Juga perhatikan garis emas pada grafik yang sama. Jelas, pembakaran bahan

bakar fosil lain besar sumber reaktif nitrogen di lingkungan kita. Pada suhu

pembakaran yang tinggi, N2 bereaksi dengan O2 untuk membentuk NO. Bagian atas

garis merah bagi penduduk, tentu saja, tidak mengejutkan. Peningkatan nitrogen

reaktif dari pembakaran bahan bakar fosil (produksi energi) dan pemupukan (produksi

pangan) paralel dengan pertumbuhan penduduk dunia (produksi orang).



214

Sekarang kita dapat memahami whammy ganda emisi NO. Masalah pertama

adalah bahwa mereka berkontribusi terhadap hujan asam yang pada gilirannya

bentuk kabut dan mengurangi kualitas udara. Ekstra keasaman juga merusak

ekosistem dan kompromi kesehatan manusia. Oksida-oksida nitrogen juga

membentuk ozon tingkat tanah dengan adanya sinar matahari, memberikankontribusi untuk asap fotokimia, seperti yang kita lihat di Bab 1. Masalah kedua adalah

bahwa emisi NO membentuk nitrogen reaktif, seperti pupuk yang digunakan untuk

produksi makanan. Kedua NO dan pupuk mengganggu keseimbangan dalam siklus

nitrogen di planet kita.

Bentuk-bentuk reaktif dari nitrogen dalam siklus ini terus saling diubahkan.

Dengan demikian, amonia yang mulai keluar sebagai pupuk mungkin berakhir

sebagai NO, pada gilirannya meningkatkan keasaman atmosfer dan tanah. Atau NO

mungkin berakhir sebagai N2O, gas rumah kaca yang saat ini meningkat di

konsentrasi atmosfer. Atau ion amonium, bukannya terikat erat ke tanah, mungkin

berakhir menjadi tercuci keluar sebagai ion nitrit atau nitrat, pada gilirannya

mengkontaminasi pasokan air. Tetes hujan asam yang jatuh dapat melepaskan efektorrent mengamuk dalam biosfer!

Dengan terlalu banyak nitrogen reaktif, ekosistem menjadi kelebihan beban.

Asal usul nitrogen reaktif tidak masalah-bisa dari deposisi asam atau bisa juga dari

kelebihan pemupukan. Terlepas dari sumber, penumpukan nitrogen reaktif dapat

memiliki konsekuensi menghancurkan. dan ingat bahwa secara keseluruhan, emisi

NOx meningkat atau sangat terbaik leveling off. Pada bagian berikutnya, kita

mempertimbangkan efek dari kelebihan ini dalam konteks saluran air kita.

6.13 Kerusakan Danau dan Stream

Seperti disebutkan sebelumnya pada Tabel 6.2, acidifikasi perairan

permukaan lain dari efek deposisi asam. Danau yang sehat memiliki pH 6,5 atausedikit di atas. Jika pH turun di bawah 6.0, ikan dan kehidupan air lainnya terpengaruh

(Gambar 6.25). Hanya beberapa jenis kuat dapat bertahan hidup di bawah pH 5.0,

dan pada pH 4.0, sebuah danau pada dasarnya mati.

Sejumlah penelitian telah melaporkan acidifikasi progresif danau dan sungai

di wilayah geografis tertentu, bersama dengan penurunan populasi ikan. Di selatan

Norwegia dan Swedia, di mana masalah itu pertama diamati, seperlima dari danau

tidak lagi mengandung setiap ikan, dan setengah dari sungai tidak memiliki trout

coklat. Di tenggara Ontario, pH rata-rata danau kini 5,0, jauh di bawah pH 6,5 yang

dibutuhkan untuk sebuah danau yang sehat. Di Virginia, lebih dari sepertiga sungai

trout yang episodik asam atau beresiko menjadi begitu.

Banyak daerah Midwest tidak punya masalah dengan asidifikasidanau atausungai, meskipun Midwest merupakan sumber utama hujan asam. Paradoks ini dapat

dijelaskan dengan sederhana.



215

Gambar 6.24 Perubahan global dalam nitrogen reaktif (juta metrik ton, skala

di sebelah kanan). Baris atas adalah Populasi dunia (miliar, skala di sebelah kiri).

Catatan: C-BNF adalah nitrogen reaktif dibuat dari budidaya kacang-kacangan,

beras, dan tebu. Sumber: Dari Bioscience, April 2003, Vol. 53, No 4, hal. 342. Hak

Cipta © 2003 oleh American Institute of Biological Ilmu (AIBS). Direproduksi dengan

izin dari Amerika Institute of Biological Sciences (AIBS) melalui Hak Cipta izin Center.

Gambar 6.25 Kehidupan air dan pH. dapat dijelaskan cukup sederhana.

Ketika curah hujan asam jatuh pada atau mengalir ke danau, pH danau akan turun

(menjadi lebih asam) kecuali asam dinetralkan atau entah bagaimana dimanfaatkan

oleh vegetasi sekitarnya. Di beberapa daerah, tanah sekitarnya mengandung basayang dapat menetralkan asam. Kapasitas danau atau badan air lainnya untuk

melawan penurunan pH disebut Kapasitas penetral asam (ANC). Geologi permukaan

Midwest kebanyakan adalah batu gamping, CaCO3. Akibatnya, danau di Midwest

memiliki kapasitas penetral asam tinggi karena kapur perlahan bereaksi dengan

hujan asam, seperti yang kita lihat sebelumnya dengan patung-patung marmer dan

monumen (lihat persamaan 6.24).



216

Lebih penting lagi, danau dan sungai juga memiliki konsentrasi kalsium dan

ion hidrogen karbonat yang relatif tinggi. Hal ini terjadi sebagai akibat dari reaksi kapur

dengan karbon dioksida dan air.

[6.29]

Karena asam dikonsumsi oleh karbonat dan ion hidrogen karbonat, pH dari

danau akan tetap lebih atau kurang konstan.

Berbeda dengan Midwest, banyak danau di New England dan utara New York

(serta di Norwegia dan Swedia) dikelilingi oleh granit, batu keras, tahan, dan masih

banyak kurang reaktif. Kecuali proses lokal lainnya bekerja, danau ini memiliki sangat

sedikit kapasitas penetral asam. Akibatnya, banyak menunjukkan asidifikasi

bertahap.

Bukti eksperimental menunjukkan bahwa populasi ikan kemungkinan besar

dipengaruhi melalui rantai peristiwa, dimulai dengan hujan asam dan berakhir denganpenyerapan biologis ion aluminium. setelah oksigen dan silikon, aluminium adalah

unsur ketiga yang paling melimpah di kerak Bumi. Granit mengandung ion aluminium,

tanah mengandung struktur kompleks aluminium silikat. Senyawa aluminium alam

memiliki sangat rendah kelarutan dalam air, tapi dengan adanya asam, kelarutan

meningkat secara dramatis. Dengan demikian, ketika pH danau turun ke 6,0-5,0,

konsentrasi ion aluminium di danau dapat meningkatkan 1000 kali lipat. Ikan terpapar

ion aluminium konsentrasi tinggi dapat mengembangkan lendir tebal di insang

mereka yang mencekik mereka. Selain itu, ion aluminium (Al3+) Bereaksi dengan

molekul air untuk menghasilkan ion H+, meningkatkan keasaman, yang pada

gilirannya melarutkan lebih ion aluminium untuk lebih memperburuk masalah.

[6.30]

Ternyata, memahami asidifikasi danau adalah urusan lebih rumit daripada

sekedar mengukur pH dan kapasitas penetral asam. Satu tingkat kompleksitas

ditambahkan oleh variasi tahunan. Beberapa tahun, misalnya, berat hujan salju

musim dingin bersikeras menjadi musim semi dan kemudian mencair tiba-tiba.

Akibatnya, limpasan mungkin lebih asam dibandingkan biasa, karena mengandung

semua asam deposit terkunci jauh di salju musim dingin. Gelora dari keasaman dapat

masuk saluran air di hanya waktu ketika ikan adalah pemijahan atau penetasan dan

lebih rentan. Dalam Adirondacks, sekitar 70% dari sensitif danau beresiko untuk

episodik asidifikasi, dibandingkan dengan jauh kecil persen yang kronis terpengaruh

(19%). Di Pegunungan Appalachia, jumlah episodik terpengaruh danau (30%) adalah

tujuh kali mereka kronis terpengaruh.

Tingkat kerumitan lain datang dengan penumpukan spesies nitrogen reaktif

seperti sebagai ion nitrat atau ion amonium. Saturasi Nitrogen terjadi ketika suatu

daerah kelebihan beban dengan " nitrogen,” yaitu ketika reaktif bentuk nitrogen

memasuki ekosistem melebihi sistem kapasitas untuk menyerap nitrogen. itu pola

penyerapan nitrogen tergantung pada kedua usia vegetasi (secara umum, lebih



217

muda, pertumbuhan hutan menyerap nutrisi lebih dari yang lebih tua) dan sepanjang

tahun (pertumbuhan tanaman berhenti di musim dingin). Tapi penyerapan nitrogen

tampaknya memiliki batas-batasnya. Setelah kejenuhan nitrogen berkembang,

terakumulasi ion nitrat dengan menyertainya kenaikan keasaman. Sebagai akibatnya,

tanah memiliki sedikit kemampuan untuk menetralkan asam curah hujan sebelum larike dalam danau dan sungai.

Kapan, jika pernah, danau akan membaik kembali? Kabar baiknya adalah

bahwa emisi SO2 telah menurun dalam beberapa tahun terakhir, dan kita telah melihat

penurunan nilai konsentrasi ion sulfat di danau Adirondacks. Namun, meskipun emisi

NOx cukup konstan, jumlah nitrat di Adirondacks meningkat di danau lebih daripada

yang tidak. Dengan demikian, tampak bahwa kejenuhan nitrogen telah terjadi di

vegetasi sekitarnya, dengan lebih banyak keasaman berakhir di danau. Tanah di

wilayah dari danau tersebut kemungkinan besar telah kehilangan sebagian dari

kapasitas penetral asamnya.

Penemuan terbaru bercampur-aduk. Laporan Maret 2000 kepada Kongres

menyampaikan secara blak-blakan bahwa "danau di Pegunungan Adirondack lebihlama untuk pulih dari danau yang terletak di tempat lain dan kemungkinan pulih

kurang atau tidak pulih, tanpa pengurangan hujan asam lebih lanjut." Laporan

Kemajuan Hujan Asam yang dikeluarkan oleh EPA pada tahun 2004, bagaimanapun,

melaporkan beberapa perbaikan. Misalnya, dibandingkan dengan tahun sebelumnya

ketika lebih 10% dari danau di Adirondacks adalah asam, hari ini nilai lebih mendekati

ke 8%. Perbaikan serupa telah didokumentasikan di Midwest, di mana sekarang

hanya sekitar 1% dari danau bersifat asam. Sebaliknya, danau di New England dan

Blue Ridge Mountains tetap bertahan sebagai danau asam.

6.14 Strategi Pengendalian

Dengan Perubahan Clean Air Act Tahun 1990, banyak yang berharap bahwamasalah hujan asam akan terpecahkan. Program Hujan Asam yang didirikan sebagai

bagian dari Clean Air Act Amandemen dari 1990 membuat pengurangan emisi NOx

dan SO2 menjadi prioritas nasional. Meskipun sebagai negara kita telah membuat

pengurangan signifikan, kita masih ditantang untuk membersihkan daerah tercemar

dan udara asam.

Untuk NOx, Program Hujan Asam menetapkan target untuk mengurangi emisi

tahunan 2 juta ton pada tahun 2000. Tahap I dari Program NOx diterapkan untuk

batubara sekitar 170- boiler pembakaran yang menghasilkan listrik, menentukan

tingkat emisi baik 0,50 atau £ 0,45 NO x per juta Btu masukan panas, tergantung

pada jenis boiler. Fleksibilitas adalah built in, sehingga tingkat emisi bisa dirata-

ratakan untuk beberapa unit. Tahap II dimulai pada tahun 2000, pengetatan standaremisi dan menerapkan standar untuk jenis boiler lain.

Meskipun upaya ini, tujuan untuk emisi NOx belum tercapai. Meskipun emisi

oleh utilitas listrik (menghasilkan sekitar seperempat dari NOx) menurun, emisi NOx

meningkat di tempat lain, misalnya dengan meningkatnya jumlah truk dan mobil di

jalan raya kita. Pengurangan nitrogen oksida dari kendaraan ini sangat menantang,

karena sebagai sumber mereka kecil, dimiliki secara individual, dan didesain

bergerak. Ada lebih dari 200 juta kendaraan bermotor di Amerika Serikat dan sekitar



218

1 miliar di seluruh dunia. Dari jumlah tersebut, kontributor terbesar ke polusi NOx

terus terjadi pada mesin diesel, seperti yang tercantum dalam Gambar 6.26.

Untuk mengurangi NOx, banyak teknik membawa berbagai label harga

sedang digunakan. Secara kimia mungkin untuk mengurangi Nox yang dipancarkan

oleh mobil dan truk dengan memasangi mereka dengan konverter katalitik danperangkat pengontrol emisi lainnya. Kita telah sebutkan salah satu fungsi katalis ini:

mengkonversi CO dan fragmen hidrokarbon takterbakar menjadi CO2. Katalis lain,

biasanya di bagian lain dari converter katalitik, mempromosikan pembalikan

kombinasi nitrogen dan oksigen yang terjadi di mesin pada suhu tinggi. Sebagai gas

buang dingin, NO cenderung terurai menjadi elemen-elemen penyusunnya.

[6.31]

Biasanya, reaksi ini berlangsung perlahan, tetapi katalis yang tepat dapat

signifikan meningkatkan laju dan dengan demikian mengurangi jumlah NO yang

dipancarkan. Sebuah program saat ini didanai oleh EPA berusaha untuk mengurangi

emisi dari bus sekolah (Gambar 6.27). menggunakan katalis adalah salah satu dari

beberapa strategi yang digunakan, dan lain-lain termasuk mengurangi waktu

menganggur mesin dan menggunakan bahan bakar bersih.

Pembangkit listrik berbahan bakar Batubara, sumber utama dari emisi NOx,

menunjukkan teknologi baru lainnya. Misalnya, Program Demonstrasi Coal Clean

Technology (CCT) telah dikembangkan dan dipasang pembakar -NOx rendah pada

berbagai Pembangkit berbahan bakar batubara. Pembakar ini mengurangi jumlah

udara selama proses pembakaran, sehingga dengan oksigen kurang, NO yang

diproduksi kurang. Pada tahun 2003, Departemen Energi AS melaporkan bahwa

pembakar -NO rendah yang sekarang mencapai 75% dari pembangkit listrik batu

bara. Proyek CCT lain melibatkan "reburning" dimana bahan bakar tambahan

disuntikkan ke dalam produk pembakaran untuk melucuti O dari NOx. kedua teknologi

baru ini cukup kompleks dengan sistem artificial intelijen mungkin diperlukan untukmengoptimalkan kondisi operasi. Keberhasilan dalam mengurangi emisi NOx

dilaporkan oleh salah satu pembangkit listrik menggunakan yang teknologi CCT baru

disajikan pada Gambar 6.28. Seperti kita akan menjelaskan singkat, menurunkan

emisi SO2 yang lebih berhasil dicapai.

Program Hujan Asam juga menyerukan pengurangan 10 juta ton emisi SO2

pada tahun 2000. Tahap I, dimulai pada tahun 1995, dibutuhkan 263 unit sebagian

besar boiler batu bara di 110 pembangkit listrik utilitas (terletak di 21 negara yang

berbeda) untuk mengurangi emisi mereka. Tahap II, dimulai pada tahun 2000, lebih

diperketat emisi pada pembangkit ini. Tahap ini juga mengatur pembatasan lebih

lanjut tentang Pembangkit Tenaga Listrik berbahan bakar gas alam dan minyak untuk

mencakup lebih dari 2000 unit boiler. Untuk saat ini, Program emisi SO2 telah bertemudengan sukses. Fakta bahwa sebagian besar SO2 antropogenik berasal dari sejumlah

sumber titik (pembakaran batu bara pembangkit listrik dan pabrik-pabrik) membuat

masalah SO2 lebih mudah untuk diserang. Seperti yang sudah kita lihat dari Gambar

6.17b, langkah besar telah terjadi di AS untuk mengurangi emisi SO2.



219

Gambar 6.28 Perubahan emisi di pembangkit listrik Milliken Station di Lansing, NY.

Tiga strategi utama telah digunakan untuk mengurangi emisi SO2: (1) beralih

ke “Batubara bersih " dengan kandungan sulfur rendah, (2) membersihkan batubarauntuk menghilangkan sulfur sebelum digunakan, dan (3) penggunaan cara kimia

untuk menetralisir asam sulfur dioksida di pembangkit listrik. Kita secara singkat

mempertimbangkan efektivitas dan biaya dari masing-masing.

Beralih batubara merupakan pilihan karena batubara bervariasi dalam

kandungan belerang dan kandungan panas mereka. Anthracite, atau “batubara

keras," ditemukan terutama di Pennsylvania. Ini menghasilkan jumlah terbesar energi

dan memiliki persen belerang terendah, namun pasokan praktis habis dan lebih

mahal. Bituminous, atau “batubara lembut," berlimpah di Midwest. Ini memiliki

kandungan panas hampir sama seperti antrasit tetapi biasanya berisi 3-5% belerang.

Negara Barat memiliki deposit besar batubara rendah sulfur sub -bituminous dan batu

bara muda (brown batubara), namun, batubara ini memiliki kandungan panas rendahdan dapat mengandung air hingga 40%.

Pencucian yang relatif mudah dan teknologi tersedia. Batubara dihancurkan

menjadi bubuk halus dan dicuci dengan air sehingga mineral berat yang mengandung

belerang tenggelam ke dasar. Tetapi proses ini hanya menghilangkan sekitar

setengah dari belerang, dan itu mahal –dari $ 500 sampai $ 1000 per ton SO2

dieliminasi.

Alternatif untuk beralih atau pencucian batubara adalah secara kimia

mengmabil SO2 selama atau setelah pembakaran di pembangkit listrik. Metode utama

untuk melakukan hal ini disebut scrubbing . Gas cerobong melewati bubur bubuk

kapur basah, CaCO3. Batu kapur menetralkan asam SO2 membentuk kalsium sulfat,

CaSO4.

[6.32]

Kapur murah dan mudah tersedia. Meskipun proses ini sangat berdayaguna,

pemasangan scrubber mahal, sehingga biaya metode ini telah diperkirakan pada $

400-600 per ton SO2 dihilangkan. Bagian dari biaya yang terkait dengan pembuangan

dari CaSO4 yang terbentuk. Kita tidak bisa menghindari hukum kekekalan materi.

Sulfur harus berakhir di suatu tempat, baik itu naik cerobong sebagai SO2 atau

terperangkap sebagai CaSO4.



220

Alasan utama kepatuhan dengan 1990 peraturan Amandemen Clean Air Act

adalah dicapai dan bahkan lebih baik adalah beralih batubara, di mana batubara

belerang tinggi diganti dengan batubara sulfur rendah. Pada awal 1990-an,

penggunaan operator kereta api baru dan menguntungkan tarif kereta api membuat

deposit batubara rendah sulfur luas yang lebih murah (bahkan kurang dari 1% S) diMontana dan Wyoming tersedia dengan biaya lebih rendah dari itu untuk Midwest

atau batubara rendah sulfur dari Timur. Pada tahun 1991, batubara rendah sulfur

barat rata-rata hanya $ 1,30 per juta Btu; batubara rendah sulfur timur $ 1,60-1,70 per

juta Btu. Harga batubara Tinggi sulfur Timur $ 1,35-1,55 per juta Btu. Mengingat harga

ini menguntungkan, tidak mengherankan bahwa hampir 60% pengurangan SO2

datang dari beralih ke batubara Barat rendah sulfur daripada menggunakan alternatif

yang lebih mahal, seperti scrubbing .

Tetapi konversi batubara rendah sulfur ini telah menyembunyikan biaya. Ini

mengabaikan dampak sosial dan ekonomi pada negara-negara yang memproduksi

batubara belerang tinggi. Sejak tahun 1990, telah diperkirakan bahwa beralih

batubara telah menyebabkan penurunan 30% dalam pekerjaan di daerah di manabatubara belerang tinggi ditambang. Ini termasuk wilayah Pennsylvania, Kentucky,

Illinois, Indiana, dan Ohio, meskipun setengah dari penurunan dapat dikaitkan untuk

otomatisasi dan faktor pasar lainnya. Negara-negara barat sekarang memproduksi

hampir 33% dari batubara yang ditambang di Amerika Serikat, naik dari hanya 6%

pada tahun 1970.

Pergeseran ke batubara rendah sulfur Barat memiliki sisi lain untuk itu. Karena

batubara menghasilkan sedikit panas per gram dibandingkan batubara timur,

pembangkit listrik harus membakar lebih dari itu untuk menghasilkan jumlah listrik

yang sama. Pembakaran batubara lebih mungkin melepaskan lebih banyak polutan.

Sebagai contoh, merkuri dan logam lainnya jejaknya lebih banyak terjadi di batubara

dari negara-negara barat. Jika lebih banyak batubara dibakar, logam yang dilepaskan juga lebih banyak kecuali ada langkah-langkah yang diambil untuk menghilangkan

mereka sebelum mereka naik cerobong asap (proposisi mahal).

6.15 Politik Hujan Asam

Netralisasi hujan asam akan membutuhkan lebih dari kimia. Seperti telah kita

ketahui seluruh buku ini, pemimpin industri, pejabat negara, politisi, dan warga negara

di seluruh bangsa semua pemain penting. Kita perlu solusi yang dapat dikerjakan -

baik secara ekonomi maupun dalam hal kesehatan manusia.

Salah satu larutan tersebut terletak pada fitur unik dari Clean Air Act

Amandemen 1990: sistem "cap and trade" nasional. Emisi SO2 yang dibatasi untuk

memenuhi tujuan yang semakin tinggi menjadi lebih rendah. Sebagai contoh, padatahun 2001 pelepasan SO2 didirikan pada 10,6 juta ton dari utilitas listrik, pada tahun

2010 pelepasan akan diturunkan menjadi 8.950.000 ton. Dalam rangka mencapai

tujuan tersebut, setiap perusahaan utilitas beroperasi dengan izin bahwa “cap” polusi

itu dapat secara legal dilepaskan per tahun. Melebihi maksimum ini didenda sampai

$ 25.000 per hari.



221

Gambar 6.29 Emisi topi dan konsep perdagangan. Sumber: EPA, Kliring Udara,

Fakta Tentang Capping dan Perdagangan Emisi 2002, halaman 3.

Bagian “perdagangan" dari sistem cap and trade bekerja melalui sistem

tunjangan. Perusahaan ditugaskan tunjangan emisi yang mengizinkan emisi 1 ton

SO2, baik selama tahun berjalan atau tahun sesudahnya. Pada akhir tahun, masing-

masing perusahaan harus memiliki tunjangan yang cukup untuk menutupi emisi

sebenarnya. Jika memiliki tunjangan tambahan, dapat menjual mereka ataumenyimpannya untuk tahun depan. Jika memiliki tunjangan yang tidak cukup, harus

membelinya. Sebagian besar penyisihan perdagangan telah terjadi di Lembah Ohio.

Sebuah contoh dari sistem cap and trade ditunjukkan pada Gambar 6.29.

Dengan tidak ada kontrol, 20.000 ton dipancarkan dari masing-masing dua unit.

Masing-masing dibatasi sebesar 10.000 ton, tapi satu, melalui lebih efisiens,

melakukan lebih baik. Unit dengan emisi di bawah “cap” yang diberikan kredit untuk

setiap ton SO2 disimpan. Kredit ini dapat dijual kepada pembangkit listrik yang tidak

bisa efisien memenuhi tunjangan emisi mereka. Jadi ada insentif keuangan untuk

produsen listrik untuk mencapai pengurangan emisi oksida asam yang signifikan. Di

sisi lain, membeli kredit oleh mereka yang belum bisa memenuhi standar yang lebih

ketat memungkinkan mereka terus operasi, pada atau di bawah tingkat izin,sedangkan pembangkit bekerja untuk mengurangi emisi.

Perdagangan tunjangan emisi pertama berdasarkan ketentuan hukum baru

terjadi pada tahun 1993. Sejak itu, tunjangan telah dibeli dan dijual dalam transaksi

pribadi dan pada lelang publik. Chicago Board of Trade bahkan memiliki perdagangan

komoditas pasar tunjangan emisi. harga memiliki berkisar jauh, paling kurang dari $

1000 diprediksi oleh petugas utilitas. Pada lelang asam hujan penyisihan 2005,



222

tawaran sukses terendah untuk tunjangan tahun berjalan adalah $ 300, dan tertinggi

di $ 750.

Sebuah program perdagangan emisi nasional belum difinalisasi untuk NOx.

Sementara itu, set program kompleks yang ada di seluruh Amerika Serikat yang

berbagi tujuan yang sama: mengurangi ozon troposfer. Salah satu program tersebut,Program Perdagangan Budget NOx, saat ini operasional di 11 negara bagian timur

laut. Sejak tahun 2003, program ini telah berhasil mencapai pengurangan NOx

signifikan pada sumber stasioner seperti pembangkit listrik pembakaran batu bara.

Pada gilirannya, tingkat ozon telah menurun di daerah tetangga.

Dalam jangka panjang, argumen yang paling menarik untuk pengurangan

emisi mungkin keuntungannya bagi kesehatan manusia. Tidak hanya udara bersih

menyebabkan kurangnya penyakit dan penderitaan, tetapi juga untuk penghematan

dolar yang nyata untuk perawatan kesehatan. Angka yang pasti yang memaksa.

Sebuah laporan kepada Kongres pada tahun 2003 ditujukan pada Program Hujan

Asam menyediakan " keuntungan kesehatan manusia tahunan yang jumlahnyaterbesar (lebih $ 70 milyar) dari setiap program peraturan federal yang dilaksanakan

di 10 tahun terakhir. “ Jika Anda melakukan matematika, Anda akan menemukan ini

adalah sebuah benefit -to – cost rasio lebih 40 ke 1. Kita berharap matematika yang

kita dikutip pada pembukaan bab ini akan berubah untuk menggambarkan hal ini.

Yakni, jika seseorang menghentikan lima orang di jalan dan menanya mereka tentang

emisi nitrogen (atau sulfur), kita berharap mereka akan melaporkan bahwa

mengurangi ini adalah investasi sangat cost-effective. x

Kesimpulan

Jika Anda telah belajar sesuatu dari bab ini, kita berharap sudah skeptisisme,

kehati-hatian, dan pengakuan bahwa masalah yang kompleks tidak bisa diselesaikandengan strategi sederhana atau yang disederhanakan. “Hujan Asam " bukan wabah

mengerikan yang pernah digambarkan oleh lingkungan dan wartawan. Juga bukan

masalah untuk diabaikan. Ini adalah cukup serius bahwa undang-undang federal, the

Clean Air Act Amendments of 1990, telah diberlakukan untuk mengurangi emisi SO2

dan NOx, prekursor untuk deposisi asam. Selain itu, emisi nitrogen terikat dengan

banyak masalah selain hujan asam. Pelepasan bentuk reaktif nitrogen di lingkungan

kita menyebabkan satu set Cascading masalah.

Kegagalan untuk mengakui hubungan yang terjalin melibatkan pembakaran

batubara dan bensin, produksi sulfur dan nitrogen oksida, dan mengurangi pH kabut

dan curah hujan untuk menyangkal beberapa fakta dasar kimia. Pengetahuan ekologi

dan sistem biologis juga diperlukan, sehingga hujan asam dapat dipahami dalamkonteks seluruh ekosistem, tugas yang membutuhkan para ahli dari beberapa disiplin

berkolaborasi.

Kesehatan masyarakat juga yang menjadi masalah. Analisis ekonomi

mengungkapkan bahwa mengalokasikan dana untuk mengurangi emisi sulfur dan

nitrogen akan memiliki sebuah hasil besar dalam hal tingkat mortalitas yang lebih

rendah, sedikit penyakit, dan kualitas hidup yang lebih tinggi.

Satu tanggapan bahwa kita sebagai individu dan sebagai masyarakat

mungkin membuat terhadap masalah hujan asam hampir tidak pernah disebutkan



223

dalam bab ini, namun berpotensi salah satu paling kuat. Hal ini untuk menghemat

energi. Sulfur dioksida dan nitrogen oksida merupakan hasil permintaan rakus kita

untuk energi, terutama untuk listrik dan transportasi. Karbon dioksida, tentu saja,

merupakan produk bahkan lebih banyak. Jika pribadi kita, nasional, dan global selera

untuk bahan bakar fosil terus tumbuh tak terkendali, lingkungan kita mungkin menjadibanyak lebih hangat dan banyak lebih asam. Selain itu, masalahnya mungkin

Intensifikasi minyak bumi dan batubara rendah sulfur dikonsumsi dan kita menjadi

lebih bergantung pada batubara belerang tinggi.

Ada sumber energi nuklir fisi, air dan angin, terbarukan biomassa, dan

matahari itu sendiri. Semua saat ini sedang digunakan, dan ini tidak diragukan lagi

akan meningkat. Kita menjelajah nuklir fisi di bab akhir. Tapi kita menyimpulkan bab

ini dengan saran sederhana yang, untuk banyak alasan, konservasi energi oleh

industri dan kolektif oleh individu bisa mendalam efek menguntungkan bagi

lingkungan kita.



224

BAB 7 PANAS DARI FISI NUKLIR

7.1. Kembali ke Energi NuklirSampai tahun 2005, pembangkit listrik nuklir menyediakan 6.3% dari jumlah

energi dunia, dan 15% dari listrik terpasang dunia. Negara-negara sepertiAmerika

Serikat, Perancis, dan Jepang menyumbang 56.5% dari seluruh energi nuklir dunia.

Tahun 2007, IAEA melaporkan ada 439 reaktor nuklir yang dioperasikan di 31 negara

di dunia. Pada bulan Desember 2009, jumlahnya turun menjadi 436 reaktor. Sejak

energi nuklir komersial mulai digunakan tahun 1950an, tahun 2008 adalah tahun

pertama dimana tidak ada satu pun reaktor nuklir yang dibangun, meskipun tahun

berikutnya ada 2 reaktor baru lagi yang dibangun.

Penggunaan energi nuklir belakangan ini sedikit menurun sejak tahun 2007,

turun 1.8% pada tahun 2009 menjadi 2558 TWh dengan menyumbang 13–14%

kebutuhan listrik dunia. Salah satu faktor penyebabnya adalah karena penutupanreaktor besar di Jepang di Pembangkit listrik nuklir Kashiwazaki-Kariwa karena

adanya Gempa Chūetsu 2007.

Amerika Serikat memproduksi paling banyak energi nuklir, dengan 19% dari

konsumsi listrik mereka diambil dari nuklir. Sedangkan Perancis adalah negara

pengguna nuklir dengan persentase terbesar- negara ini mengandalkan 80%

kebutuhan listriknya pada tahun 2006 dari nuklir. Di Uni Eropa secara keseluruhan,

energi nuklir menyediakan 30% kebutuhan listrik di kawasan itu. Peraturan energi

nuklir di setiap negara Uni Eropa berbeda-beda. Contohnya, ada beberapa negara

Uni Eropa seperti Austria, Estonia, Irlandia dan Italia, tidak mempunyai reaktor nuklir

aktif. Di sisi lain, Perancis memiliki pembangkit nuklir dalam jumlah besar, ada 16

pembangkit nuklir multi-unit yang sekarang digunakan.

7.2. Bagaimana Reaksi Fisi Menghasilkan Energi

Dalam fisika nuklir dan kimia nuklir, fisi nuklir adalah reaksi nuklir saat

nukleus atom terbagi menjadi bagian-bagian yang lebih kecil (nuklei yang lebih

ringan), yang seringkali menghasilkan foton dan neutron bebas (dalam bentuk sinar

gamma), dan melepaskan energi yang sangat besar. Dua nuklei yang dihasilkan

biasanya ukurannya sebanding, dengan rasio massa sekitar 3:2 untuk isotop fisil. Fisi

yang biasanya terjadi adalah fisi biner, namun kadang-kadang (2 hingga 4 kali per

1000 peristiwa), tiga pecahan bermuatan positif dihasilkan dalam fisi ternari. Bagian

terkecil dari ketiga nuklei ini ukurannya bervariasi antara sebesar proton hingga

nukleus argon. Salah satu contoh nya adalah reaksi fisi U-235 seperti pada gambar

7.1.

Reaksi nuklir energetik ini biasanya dipicu oleh neutron, meskipun kadang-

kadang fisi juga dianggap sebagai salah satu bentuk peluruhan radioaktifspontan,

terutama dalam isotop dengan nomor massa yang sangat besar. Komposisi hasil

yang tak dapat diprediksi (yang bervariasi dalam kemungkinan yang beragam dan

ketidakberaturan) membedakan fisi dari proses penerowongan kuantum murni seperti

emisi proton, peluruhan alfa, danpeluruhan kluster, yang menghasilkan produk yang

sama setiap saat.



225

Fisi elemen berat merupakan reaksi eksotermik yang dapat melepaskan

energi yang besar, baik sebagai radiasi elektromagnetik maupun energi

kinetikpecahan. Agar fisi dapat menghasilkan energi, jumlah energi pengikat dari

unsur yang dihasilkan harus lebih besar daripada unsur awal. Fisi merupakan salah

satu bentuk transmutasi nuklir karena pecahan yang dihasilkan tidak sama denganunsur atom awalnya.

Gambar 7.1. Reaksi fisi berantai U-235.

Fisi nuklir menghasilkan energi listrik dan dimanfaatkan sebagai senjata.

Pemanfaatan tersebut mungkin dilakukan karena substansi tertentu yang disebut

bahan nuklir mengalami fisi saat terkena neutron fisi, dan lalu menghasilkan neutron

saat mereka terbagi. Hal ini memungkinkan reaksi berantai yang melepaskan energi

dalam tingkat yang terkontrol di reaktor nuklir atau dalam tingkat yang sangat cepatdan tak terkontrol dalam senjata nuklir.

Jumlah energi bebas yang dikandung dalam bahan bakar nuklir adalah jutaan

kali jumlah energi bebas dalam bahan bakar kimia dengan massa yang sama

(contohnya bensin), sehingga fisi nuklir merupakan sumber energi yang sangat padat.

Akan tetapi, hasil dari fisi nuklir memiliki sifat radioaktif yang jauh lebih besar,

sehingga menimbulkan masalah limbah nuklir. Kekhawatiran akan limbah nuklir dan

daya hancur senjata nuklir telah memicu perdebatan.



226

7.3. Bagaimana Reaktor Nuklir Memproduksi Listrik

Ketika sebuah nukleus atom uranium-235 atau plutonium-239 menyerap

neutron dalam jumlah besar, maka hasilnya adalah fisi dari atom. Fisi menyebabkan

atom terbelah menjadi 2 bagian atau lebih yang lebih kecil dengan energi kinetik dan

juga melepaskan radiasi sinar gamma dan neutron bebas. Sebagian neutron lainnyadiserap oleh atom lainnya dan membuat fisi lainnya, yang melepaskan lebih banyak

neutron, dan seterusnya.

Reaksi rantai nuklir ini dapat dikontrol dengan menggunakan racun neutron

dan moderator neutron, sehingga neutron yang bisa menyebabkan fisi ini jumlahnya

bisa diubah-ubah. Reaktor nuklir memiliki sistem manual dan otomotis yang dapat

menghentikan reaksi fisi dengan segera jika terdeteksi adanya kondisi yang tidak

aman.

Ada banyak macam desain reaktor yang berbeda, menggunakan bahan bakar

yang berbeda, sistem pendinginan yang berbeda desain, serta sistem kontrol yang

berbeda pula, semuanya diatur sesuai dengan kebutuhan spesifik. Reaktor-reaktor di

kapal selam bertenaga nuklir misalnya, membutuhkan uranium yang diperkayadengan tinggi sebagai bahan bakar. Pemilihan bahan bakar ini dapat meningkatkan

kekuatan reaktor dan memperpanjang usia pemakaian, tapi biayanya lebih mahal dan

kemungkinan adanya kebocoran nuklir juga lebih tinggi.

Desain-desain terbaru untuk pembangkit nuklir, seperti contohnya Reaktor

Generasi 4, sekarang terus menjadi subjek penelitian, dan mungkin akan betul-betul

digunakan pada masa depan. Desain-desain ini terus diusahakan agar membuat

reaksi fisi nuklir semakin bersih, aman, dan semakin kecil kemungkinan munculnya

kebocoran nuklir, atau malah dikembangkan ke senjata nuklir. Keamanan pasif untuk

reaktor nuklir (seperti ESBWR) sudah siap untuk dibuat. Desain-desain reaktor ini

juga dibuat agar semakin tahan terhadap kesalahan-kesalahan pengoperasian yang

dilakukan manusia. Sekarang ini para ilmuwan berusaha untuk mengembangkanreaktor fusi, yang nantinya diharapkan dapat mengurangi atau malah menghilangkan

bahaya dari reaktor fusi sekarang ini. Reaktor fusi ini mungkin akan beroperasi pada

masa depan.

Sistem pendingin akan mengeluarkan panas dari inti reaktor dan

memindahkannya ke tempat lain, dimana panasnya ini dapat digunakan lagi untuk

memproduksi listrik. Biasanya, cairan panas ini akan digunakan sebagai sumber

panas untuk pendidih, dan panas bertekanan dari pendidih dapat digunakan untuk

memberi tenaga pada turbin uap untuk menggerakkan generator elektrik. Diagram

sederhana untuk menggambarkan kinerja sebuah reactor nuklir dalam menghasilkan

energy listrik dapat dilihat pada gambar 7.2.



227

Gambar 7.2. Digram sebuah pembangkit listrik tenaga nuklir

7.4. Tenaga Nuklir di Dunia

Pemasangan energi nuklir untuk elektrifikasi tumbuh sangat cepat, dari

sebelumnya kurang dari 1 gigawatt (GW) pada tahun 1960 menjadi 100 GW di akhir

1970-an, dan 300 GW di akhir 1980-an. Sejak akhir 1980-an pertumbuhannya mulai

melambat sampai akhirnya mencapai 366 GW tahun 2005. Lebih dari dua pertiga

pembangkit nuklir yang direncanakan akan dibangun, akhirnya dibatalkan setelah

awal tahun 1970. Total ada 63 pembangkit yang dibatalkan di AS antara tahun 1975

dan 1980.Selama tahun 1970-an dan 1980-an, biaya ekonomi naik (ditandai dengan

banyaknya pembangunan baru) dan harga minyak mentah yang turun drastis

membuat pembangkit nuklir tidak lagi menarik. Pertumbuhan energi listrik yang

melambat dan adanya liberalisasi listrik juga menyebabkan kurangnya minat untuk

membangun pembangkit baru.

Krisis minyak 1973 menyebabkan efek yang sangat drastis di beberapa

negara, seperti Perancis dan Jepang, karena mereka mengandalkan minyak bumi

sangat besar sebagai sumber bahan bakar pembangkit mereka (Perancis 39% dari

total kebutuhan dan Jepang 73% dari total kebutuhan) sehingga mereka berinvestasi

besar-besaran di nuklir. Saat ini, Perancis mengandalkan 80% kebutuhan listriknya

dari nuklir dan Jepang mengandalkan 30% kebutuhan listriknya dari nuklir.Beberapa oposisi lokal yang menolak energi nuklir mulai merebak di awal

1960-an, dan di akhir 1960-an beberapa anggota komunitas peneliti mulai

memberikan perhatian mereka. Perhatian mereka mengarah ke kecelakaan nuklir,

proliferasi nuklir, mahalnya pembangunan pembangkit nuklir, terorisme nuklir, dan

limbah radioaktif. Awal tahun 1970-an, ada protes besar tentang pembangkit nuklir

yang akan dibangun di Wyhl, Jerman. Akhirnya proyek ini dibatalkan tahun 1975, dan



228

aksi protes anti-nuklir di Wyhl ini menginspirasi banyak pihak oposisi lainnya di Eropa

dan Amerika Utara.

Di pertengahan 1970-an, aktivitas anti nuklir menjadi daya tarik bagi para

politisi lokal untuk mendapatkan simpati luas dai masyarakat, sehingga energi nuklir

menjadi isu protes utama di kalangan publik. Di beberapa negara, debat energi nuklirini "telah mencapai puncak intensitas dari semua kontroversi sepanjang sejarah

teknologi." Di Perancis, antara tahun 1975 dan 1977, ada 175.000 orang dalam 10

kali demontrasi menolak adanya energi nuklir.

Di Jerman Barat, antara Februari 1975 dan April 1979, ada 280.000 orang

dalam 7 demonstrasi berorasi di 7 lokasi nuklir. Beberapa lokasi itu juga dicoba untuk

diduduki oleh mereka. Setelah adanya musibah Three Mile Island tahun 1979,

120.000 orang melakukan demonstrasi menolak energi nuklir di Bonn. Bulan Mei

1979, ada sekitar 70.000 orang, termasuk Gubernur California Jerry Brown,

melakukan pawai menolak nuklir di Washington, D.C. Grup anti nuklir lainnya

kemudian tumbuh di setiap negara yang memiliki energi nuklir. Di beberapa negara,

para pemrotes ini juga memasang iklan-iklan mengenai isu nuklir dan energi.Tumbuhnya kesadaran mengenai keselamatan dan kesehatan, ditambah

musibah nuklir di Three Mile Island tahun 1979 dan Bencana Chernobyl tahun 1986,

memainkan peran penting dalam penyetopan pembangunan pembangkit listrik nuklir

baru di banyak negara.

Tidak seperti insiden Three Mile Island, bencana di Chernobyl yang lebih

besar pada tahun 1986 tidak membawa banyak pengaruh bagi perubahan regulasi di

negara-negara barat. Hal ini terjadi karena insiden di Chernobyl menggunakan

reaktor yang memang hanya didesain di Uni Soviet, yang pada dasarnya memiliki

banyak masalah. Sampai sekarang, masih banyak reaktor zaman Uni Soviet yang

masih dipakai, hanya saja dengan banyak perubahan, misalnya dengan

menggunakan uranium yang diperkaya lebih rendah, dan kontrol yang lebih ketatuntuk menghindari adanya kecelakaan lain. Sebuah organisasi internasional,

Asosiasi Dunia untuk Operator Nuklir, didirikan tahun 1989 untuk meningkatkan

keselamatan dan pengembangan profesional bagi fasilitas nuklir. Gambaran tentang

kondisi penggunaan tenaga nuklir di dunia dapat diamati pada gambar 7.3 dan 7.4.



229

Gambar 7.3. Gambaran reaktor yang aktif beroperasi (Desember 2005)

Gambar 7.4. Persentase penggunaan energi nuklir di beberapa Negara (November

2005)

7.5. Radioktivitas

Radioaktivitas atau peluruhan radioaktif adalah kumpulan beragam proses di

mana sebuah inti atom yang tidak stabil memancarkan partikel subatomik (partikel

radiasi). Peluruhan terjadi pada sebuah nukleus induk dan menghasilkan sebuah

nukleus anak . Ini adalah sebuah proses "acak" (random) sehingga sulit untuk

memprediksi peluruhan sebuah atom.

Satuan internasional (SI) untuk pengukuran peluruhan radioaktif adalah

becquerel (Bq). Jika sebuah material radioaktif menghasilkan 1 buah kejadian

peluruhan tiap 1 detik, maka dikatakan material tersebut mempunyai aktivitas 1 Bq.

Karena biasanya sebuah sampel material radiaktif mengandung banyak atom,1

becquerel akan tampak sebagai tingkat aktivitas yang rendah; satuan yang biasa

digunakan adalah dalam orde gigabecquerels.

Sebuah inti radioaktif dapat melakukan sejumlah reaksi peluruhan yang

berbeda. Reaksi-reaksi tersebut disarikan dalam gambar 7.5 berikut ini. Sebuah inti

atom dengan muatan (nomor atom) Z dan berat atom A ditampilkan dengan (A, Z).



230

Gambar 7.5. Seri peluruhan U-235.

7.6. Mundur ke Belakang atau Maju ke Depan

Pasca Perang Dunia II, kemungkinan digunakannya energi atom untuk

penggunaan sehari-hari, tidak untuk perang, diusahakan secara meluas sehingga

digunakan sebagai alasan agar semua penelitian nuklir tidak mesti diawasi olehsebuah lembaga militer. Meski begitu, para peneliti tetap setuju kalau seorang sipil

yang belajar nuklir membutuhkan sedikitnya satu dekade untuk dapat menguasai

nuklir. Fakta lainnya adalah reaktor nuklir juga dapat digunakan untuk memproduksi

senjata nuklir (plutonium) yang membuat pemerintahan di berbagai negara (termasuk

Amerika Serikat, Britania Raya, Kanada, dan Uni Soviet) mencoba menerapkan

aturan agar semua percobaan nuklir berada di bawah kontrol dan klasifikasi

pemerintah. Di Amerika Serikat, penelitian reaktor berada di bawah Komisi Energi

Atom Amerika Serikat, yang berlokasi di Oak Ridge, Tennessee, Situs Hanford, dan

Laboratorium Nasional Argonne.

Pekerjaan mengenai nuklir terus berlanjut di Amerika Serikat, Kanada, Inggris,

dan Uni Soviet di akhir 1940-an dan awal 1950-an. Listrik pertama yang dihasilkanoleh reaktor nuklir untuk pertama kali terjadi pada tanggal 20 Desember 1950 di

stasiun percobaan EBR-I dekat Arco, Idaho, dan berhasil memproduksi listrik sekitar

100 kW. Nuklir juga digunakan pada kapal selam Amerika Serikat, seperti pada kapal

selam USS Nautilus milik AS yang diluncurkan tahun 1955. Tahun 1953, Presiden

Amerika Dwight Eisenhower memberikan pidatonya yang berjudul "Atom untuk

Perdamaian" di Perserikatan Bangsa-Bangsa, ia menginginkan agar pengembangan

energi nuklir untuk tujuan "damai" dapat terealisasi dengan cepat.



231

7.7. Radioaktivitas dan Anda

Bahaya radioaktivitas dari radiasi tidak serta merta diketahui. Efek akut dari

radiasi pertama kali diamati oleh insinyur listrik Amerika Elihu Thomson yang secara

terus menerus mengarahkan sinar-X ke jari-jarinya pada 1896. Dia menerbitkan hasilpengamatannya terkait dengan efek bakar yang dihasilkan. Bisa dikatakan ia

menemukan bidang ilmu fisika medik (health physics); untungnya luka tersebut

sembuh dikemudian hari.

Efek genetis radiasi baru diketahui jauh dikemudian hari. Pada tahun 1927

Hermann Joseph Muller menerbitkan penelitiannya yang menunjukkan efek genetis

radiasi. Pada tahun 1947 dimendapat penghargaan hadiah Nobel untuk

penemuannya ini.

Sebelum efek biologi radiasi diketahui, banyak perusahan kesehatan yang

memasarkan obat paten yang mengandung bahan radioaktif; salah satunya adalah

penggunaan radium pada perawatan enema. Marie Curie menentang jenis perawatan

ini, ia memperingatkan efek radiasai pada tubuh manusia belum benar-benardiketahui (Curie dikemudian hari meninggal akibat Anemia Aplastik, yang hampir

dipastikan akibat lamanya ia terpapar Radium). Pada tahun 1930-an produk

pengobatan yang mengandung bahan radioaktif tidak ada lagi dipasaran bebas.

7.8. Limbah Nuklir: Sekarang dan Besok

Sekitar 5% dari bahan bakar nuklir direaksikan di dalam reaktor nuklir sampai

bahan bakar tersebut tidak dapat digunakan lagi. Sekarang ini, para peneliti sedang

melakukan percobaan bagaimana untuk mendaur ulang bahan bakar ini sehingga

bisa mengurangi banyaknya limbah, dan juga menggunakan aktinida yang tersisa

sebagai bahan bakar lagi (pemrosesan ulang ini telah dilakukan di beberapa negara).

Sebuah reaktor nuklir berkapasitas 1000-MWe akan menghasilkan sekitar 27ton bahan bakar nuklir terpakai setiap tahunnya. Tapi, volume padatnya sendiri hanya

sekitar 3 meter kubik jika diproses ulang. Bahan bakar nuklir terpakai yang sekarang

dihasilkan oleh semua pembangkit nuklir komersial di Amerika Serikat dapat

menutupi sebuah lapangan sepakbola setinggi satu meter.

Bahan bakar nuklir terpakai pada dasarnya bersifat sangat radioaktif dan

harus ditangani secara matang. Tingkat radioaktif bahan-bahan ini akan berkurang

secara bertahap seiring berjalannya waktu. Setelah 40 tahun, pancaran radioaktifnya

99.9% lebih rendah daripada saat bahan itu baru saja selesai digunakan. Tapi, sisa

0,1% radioaktif ini masih berbahaya. Setelah 10.000 tahun meluruh, barulah sisa

bahan bakar nuklir ini tidak lagi berbahaya bagi kesehatan dan keamanan.

Ketika pertama kali diekstrak, bahan bakar nuklir terpakai disimpan di baskomterlindung yang terisi air, biasanya terletak secara on-site. Air tersebut digunakan

untuk mendinginkan hasil reaksi fisi tersebut, dan melindungi dari proses radioaktif

yang terus berjalan. Setelah beberapa tahun (biasanya 5 tahun untuk reaktor di AS),

sisa bahan nuklir tadi telah mengalami pendinginan dan tingkat radioaktivitasnya

sudah rendah, maka dipindahkan lagi ke tempat penyimpanan kering, dimana bahan

bakar tadi disimpan di ruangan berdinding baja dan bata.

Sampai tahun 2007, Amerika Serikat sudah mengumpulkan lebih dari 50.000

metrik ton bahan bakar nuklir terpakai dari reaktor-reaktor nuklir mereka Tempat



232

penyimpanan permanen sebenarnya sudah direncanakan di daerah Gunung Yucca,

tapi sampai saat ini proyeknya dibatalkan dan masalah limbah radioaktif ini masih

menjadi masalah yang tidak terselesaikan.

Jumlah limbah tingkat tinggi yang banyak ini dapat dikurangi dengan proses

ulang nuklir. Meski begitu, sifat radioaktifnya masih akan bertahan selama paling tidak300 tahun (kalau aktinidanya dihilangkan) dan bisa memakan ribuan tahun kalau

aktinidanya tidak dihilangkan. Masalah ini menjadi masalah dengan jangka waktu

yang lama. Jika menggunakan Reaktor subcritical ataureaktor fusi, maka dapat

mengurangi waktu yang dibutuhkan untuk menyimpan limbahnya.

Menurut cerita penayangan 60 Minutes pada tahun 2007, energi nuklir

membuat Perancis menjadi negara yang udaranya paling bersih di antara semua

negara industri lainnya, dan juga biaya listriknya paling murah di antara semua negara

Eropa. Perancis memproses ulang limbah nuklir sehingga massanya berkurang dan

bisa memproduksi energi lagi. Meski begitu, artikel itu juga mengatakan bahwa, "Hari

ini kita menyimpan berkontainer-kontainer limbah karena para peneliti yang sekarang

tidak tahu bagaimana cara mengurangi atau menghilangkan tingkat beracunnya. Tapimungkin 100 tahun lagi para peneliti itu akan bisa... Limbah nuklir sampai saat ini

menjadi problem serius sehingga sampai saat ini belum ada negara yang bisa

menemukan jalan keluarnya. Jika Perancis tidak tahu cara menyelesaikan masalah

ini, kata Mandil, maka "aku tidak bisa melihat bagaimana kita akan melanjutkan

program nuklir ini." Tambah lagi, pemrosesan ulang nuklir ini juga dikritik oleh Union

of Concerned Scientists.

7.9. Penanganan Limbah Nuklir

Limbah radioaktif adalah jenis limbah yang mengandung atau terkontaminasi

radionuklida pada konsentrasi atau aktivitas yang melebihi batas yang diijinkan

(Clearance level) yang ditetapkan oleh Badan Pengawas Tenaga Nuklir. Definisitersebut digunakan di dalam peraturan perundang-undangan. Pengertian limbah

radioaktif yang lain mendefinisikan sebagai zat radioaktif yang sudah tidak dapat

digunakan lagi, dan/atau bahan serta peralatan yang terkena zat radioaktif atau

menjadi radioaktif dan sudah tidak dapat difungsikan/dimanfaatkan. Bahan atau

peralatan tersebut terkena atau menjadi radioaktif kemungkinan karena

pengoperasian instalasi nuklir atau instalasi yang memanfaatkan radiasi pengion.

Limbah radioaktif umumnya berasal dari setiap pemanfaatan tenaga nuklir, baik

pemanfaatan untuk pembangkitan daya listrik menggunakan reaktor nuklir, maupun

pemanfaatan nuklir untuk keperluan industri dan rumah sakit.

Berdasarkan Undang-Undang Republik Indonesia Nomor 10 tahun 1997

tentang Ketenaganukliran, Bab VI Pengelolaan Limbah Radioaktif Pasal 23,Pengelolaan limbah radioaktif dilaksanakan oleh Badan Pelaksana. Sesuai dengan

Peraturan Pemerintah Republik Indonesia Nomor 18 tahun 1999 tentang Pengelolaan

Limbah Bahan Berbahaya dan Beracun, Pasal 5 dan penjelasannya ditentukan

bahwa Badan Tenaga Atom Nasional (BATAN) adalah instansi pengelola limbah

radioaktif. Selain itu, limbah radioaktif juga diatur dalam Peraturan pemerintah No. 27

tahun 2002 tentang Pengelolaan Limbah Radioaktif. Dengan demikian, BATAN

merupakan satu-satunya institusi resmi di Indonesia yang melaksanakan pengelolaan

limbah radioaktif. BATAN memiliki satu Pusat yang khusus bertugas dalam



233

pengelolaan limbah radioaktif yaitu Pusat Teknologi Limbah Radioaktif (PTLR). Bagi

industri atau rumah sakit yang menghasilkan limbah radioaktif dapat mengirim

limbahnya ke PTLR. Pengelolaan limbah radioaktif di Indonesia diawasi

pelaksanaannya oleh Badan Pengawas Tenaga Nuklir (BAPETEN).

7.10. Senjata Nuklir

Senjata nuklir adalah senjata yang mendapat tenaga dari reaksi nuklir dan

mempunyai daya pemusnah yang dahsyat - sebuah bom nuklir mampu

memusnahkan sebuah kota. Senjata nuklir telah digunakan hanya dua kali dalam

pertempuran - semasa Perang Dunia II oleh Amerika Serikat terhadap kota-kota

Jepang, Hiroshima dan Nagasaki. Pada masa itu daya ledak bom nuklir yg dijatuhkan

di Hiroshima dan Nagasaki sebesar 20 kilo (ribuan) ton TNT. Sedangkan bom nuklir

sekarang ini berdaya ledak lebih dari 70 mega (jutaan) ton TNT

Gambar 7.6. Awan cendawan pengeboman Nagasaki, Jepang, 1945,

menjulang sampai 18 km di atas hiposentrum.

Negara pemilik senjata nuklir yang dikonfirmasi adalah Amerika Serikat,

Rusia, Britania Raya (Inggris), Perancis, Republik Rakyat Cina, India, Korea Utara

dan Pakistan. Selain itu, negara Israel dipercayai mempunyai senjata nuklir,

walaupun tidak diuji dan Israel enggan mengkonfirmasi apakah memiliki senjata nuklir

ataupun tidak. Lihat daftar negara dengan senjata nuklir lebih lanjut.



234

Gambar 7.7. Bentuk bom nuklir yang dijatuhkan di Hiroshima dan Nagasaki

Senjata nuklir kini dapat dilancarkan melalui berbagai cara, seperti melalui

pesawat pengebom, peluru kendali, peluru kendali balistik, dan Peluru kendali balistik

jarak benua.

Senjata nuklir mempunyai dua tipe dasar. Tipe pertama menghasilkan energi

ledakannya hanya dari proses reaksi fisi. Senjata tipe ini secara umum dinamai bom

atom (atomic bomb, A-bombs). Energinya hanya diproduksi dari inti atom.

Pada senjata tipe fisi, masa fissile material (uranium yang diperkaya atau

plutonium) dirancang mencapai supercritical mass - jumlah massa yang diperlukan

untuk membentuk reaksi rantai- dengan menabrakkan sebutir bahan sub-critical

terhadap butiran lainnya (the "gun" method), atau dengan memampatkan bulatan

bahan sub-critical menggunakan bahan peledak kimia sehingga mencapai tingkat

kepadatan beberapa kali lipat dari nilai semula. (the "implosion" method). Metoda

yang kedua dianggap lebih canggih dibandingkan yang pertama. Dan jugapenggunaan plutonium sebagai bahan fisil hanya bisa di metoda kedua.

Tantangan utama di semua desain senjata nuklir adalah untuk memastikan

sebanyak mungkin bahan bakar fisi terkonsumsi sebelum senjata itu hancur. Jumlah

energi yang dilepaskan oleh pembelahan bom dapat berkisar dari sekitar satu ton

TNT ke sekitar 500.000 ton (500 kilotons) dari TNT.

Tipe kedua memproduksi sebagian besar energinya melalui reaksi fusi nuklir.

Senjata jenis ini disebut senjata termonuklir atau bom hidrogen (disingkat sebagai

bom-H), karena tipe ini didasari proses fusi nuklir yang menggabungkan isotop-isotop

hidrogen (deuterium dan tritium). Meski, semua senjata tipe ini mendapatkan

kebanyakan energinya dari proses fisi (termasuk fisi yang dihasilkan karena induksi

neutron dari hasil reaksi fusi.) Tidak seperti tipe senjata fisi, senjata fusi tidak memilikibatasan besarnya energi yang dapat dihasilkan dari sebuah sejata termonuklir.



235

Gambar 7.8. Dasar kerja desain Tellr-Ulam pada bomb hidrogen: sebuah bomb fisi

menghasilkan radiasi yang kemudian mengkompresi dan memanasi butiran bahan

fusi pada bagian lain.

7.11. Resiko dan Keuntungan Energi Nuklir

Ekonomi yang dihasilkan dari sebuah pembangkit listrik tenaga nuklir sampai

saat ini masih merupakan seseatu yang kontroversial. Pembangkit listrik tenaga nuklir

membutuhkan biaya yang tinggi untuk membangun reaktornya, tapi biaya bahan

bakarnya rendah. Biaya ini juga mesti ditambah dengan biaya penutupan reaktor jika

sudah tidak lagi digunakan serta biaya limbah radioaktif. Di sisi lain, adanya

pemanasan global juga bisa memberikan manfaat ekonomi lebih bagi energi nuklir.

Pada tahun-tahun belakangan ini, permintaaan listrik agak menurun serta

keadaan keuangan juga semakin sulit, sehingga proyek-proyek besar seperti reaktor

nuklir pasti akan terkena dampaknya. Di Eropa Timur, proyek nuklir mengalami

masalah keuangan, seperti di Belene (Bulgaria) dan reaktor tambahan di Cernavoda

(Romania). Selain itu, harga gas yang cukup murah menjadikan proyek nuklir ini

menjadi hambatan bagi proyek nuklir.

Setelah adanya kecelakaan nuklir di reaktor Fukushima I di Jepang tahun2011, ongkos untuk mengoperasikan reaktor baru kelihatannya akan semakin mahal

dikarenakan adanya penambahan biaya untuk manajemen dan desain dasar.

Sebuah bahaya nuklir dideklarasikan setelah munculnya tsunami dan

kegagalan dari bencana nuklir Fukushima di Jepang. Hal ini merupakan pertama

kalinya bencana nuklir dideklarasikan di Jepang. Sebanyak 140.000 penduduk

dievakuasi dari jarak 20 km dari pembangkit nuklir.



236

Beberapa negara, seperti Britania Raya, Perancis, dan beberapa negara lain

menginstruksikan warganya untuk keluar dari Tokyo agar tidak terkontaminasi nuklir.

Kecelakaan ini menyebabkan pemerintah Jepang ingin mengevaluasi ulang program

nuklirnya. Sampai bulan April 2011, air masih dialirkan ke reaktor yang rusak untuk

mendinginkan bahan nuklir yang meleleh. John Price, mantan anggota Safety PolicyUnit di Lembaga Nuklir Nasional Britania Raya, berkata bahwa masalah nuklir

Fukushima di Jepang mungkin akan membutuhkan 100 tahun sampai pembangkit itu

benar-benar aman.

Banyaknya teknologi dan material yang digunakan dalam program energi

nuklir dapat menjadi dualisme, yaitu negara yang bersangkutan juga bisa membuat

senjata nuklir kalau mereka mau. Ketika mereka memilih untuk melakukan program

senjata nuklir, hal ini dapat berujung ke pembuatan bom nuklir. Hal ini juga yang

sekarang menjadi perhatian di Iran. Seluruh negara di dunia berusaha memperkecil

adanya resiko menuju senjata nuklir, karena jika nuklir tidak dimanajemen dengan

baik, masa depannya akan menjadi sangat berbahaya.

7.12. Bagaimana Masa Depan Energi Nuklir?

Reaksi fusi nuklir mempunyai potensi karena diyakini lebih aman dan

mengeluarkan sifat radioaktif lebih kecil daripada fisi nuklir. Meski begitu, secara

teknik masih susah untuk direalisasikan, dan masih butuh pengembangan lagi

sehingga skala penggunaannya bisa cocok untuk sebuah pembangkit listrik.

Penelitian terhadap digunakannya fusi nuklir sudah dilakukan sejak tahun 1950-an.

Dalam fisika, fusi nuklir (reaksi termonuklir) adalah sebuah proses saat dua

inti atom bergabung, membentuk inti atom yang lebih besar dan melepaskan energi.

Fusi nuklir adalah sumber energi yang menyebabkan bintang bersinar, dan Bom

Hidrogen meledak. Senjata nuklir adalah senjata yang menggunakan prinsip reaksi

fisi nuklir dan fusi nuklir.Proses ini membutuhkan energi yang besar untuk menggabungkan inti nuklir,

bahkan elemen yang paling ringan, hidrogen. Tetapi fusi inti atom yang ringan, yang

membentuk inti atom yang lebih berat dan neutron bebas, akan menghasilkan energi

yang lebih besar lagi dari energi yang dibutuhkan untuk menggabungkan mereka --

sebuah reaksi eksotermik yang dapat menciptakan reaksi yang terjadi sendirinya.

Energi yang dilepas di banyak reaksi nuklir lebih besar dari reaksi kimia,

karena energi pengikat yang mengelem kedua inti atom jauh lebih besar dari energi

yang menahan elektron ke inti atom. Contoh, energi ionisasi yang diperoleh dari

penambahan elektron ke hidrogen adalah 13.6 elektronvolt -- lebih kecil satu per

sejuta dari 17 MeV yang dilepas oleh reaksi D-T seperti gambar 7.9.



237

Gambar 7.9. Reaksi fusi deuterium-tritium (D-T) dipertimbangkan sebagai

proses yang paling menjanjikan dalam memproduksi tenaga fusi.



238

BAB 8 ENERGI DARI TRANSFER ELEKTRON

8.1. Elektron, Sel, dan Baterai: Dasar-DasarBaterai adalah alat listrik-kimiawi yang menyimpan energi dan mengeluarkan

tenaganya dalam bentuk listrik. Sebuah baterai biasanya terdiri dari tiga komponen

penting, yaitu: batang karbon sebagai anode (kutub positif baterai), seng (Zn) sebagai

katode (kutub negatif baterai), dan pasta sebagai elektrolit (penghantar).

Baterai yang biasa dijual (disposable/sekali pakai) mempunyai tegangan listrik

1,5 volt. Baterai ada yang berbentuk tabung atau kotak. Ada juga yang dinamakan

rechargeable battery , yaitu baterai yang dapat diisi ulang, seperti yang biasa terdapat

pada telepon genggam. Baterai sekali pakai disebut juga dengan baterai primer,

sedangkan baterai isi ulang disebut dengan baterai sekunder.

Baik baterai primer maupun baterai sekunder, kedua-duanya bersifat

mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Baterai primer hanya bisa dipakaisekali, karena menggunakan reaksi kimia yang bersifat tidak bisa dibalik (irreversible

reaction). Sedangkan baterai sekunder dapat diisi ulang karena reaksi kimianya

bersifat bisa dibalik (reversible reaction).

Gambar 8.1. Baterai dengan bermacam ukuran dan Voltase

8.2. Beberapa Jenis Baterai

Reaksi elektroda pada baterai sekunder dapat terjadi dari segala arah,

sehingga baterai dapat diisi ulang. Selama pengisian, kerja listrik dilakukan pada sel

untuk menyediakan energi bebas yang dibutuhkan untuk memacu reaksi pada arah

non-spontannya. Sel primer, contohnya baterai biasa untuk senter, tidak dapat diisi

ulang dengan berbagaif efisiensi, sehingga jumlah energi yang dapat diberikan

terbatas pada yang diperoleh dari reaktan yang ditempatkan di dalamnya pada saat

pembuatannya.



239

Baterai primer yang dikenal adalah sel kering yang digunakan secara luas

untuk baterai senter dan sejenisnya. Sel kering modern ditemukan oleh George

Lesclanche pada 1866. Reaksi elektrodanya:

Zn Zn2+ + 2e-

2MnO2 + 2H+ + 2e- Mn2O3 + H2OSel ini, walaupun namanya sel kering, tetapi tidak benar-benar kering;

elektrolitnya berupa pasta basah mengandung NH4Cl untuk mensuplai ion hidrogen.

Kimia sel ini lebih kompleks daripada sebelumnya dan terdapat beberapa reaksi

samping. Versi modernnya diperkenalkan tahun 1949 adalah sel alkalin yang

menggunakan elektrolit KOH dan anoda serbuk seng (Zn) yang memungkinkan sel

mendistribusikan arus lebih tinggi.

Gambar 8.2. Sel Leclanche modern

Gambar 8.3. Diagram sebuah baterai alkaline



240

8.3. Baterai Asam-Timbal

Akumulator (accu, aki) atau dikenal juga sebagai baterai asam-timbal adalah

sebuah alat yang dapat menyimpan energi (umumnya energi listrik) dalam bentuk

energi kimia. Dalam standar internasional setiap satu cell akumulator memiliki

tegangan sebesar 2 volt. sehingga aki 12 volt, memiliki 6 cell sedangkan aki 24 voltmemiliki 12 cell. Aki merupakan sel yang banyak kita jumpai karena banyak

digunakan pada sepeda motor maupun mobil. Aki temasuk sel sekunder, karena

selain menghasilkan arus listrik, aki juga dapat diisi arus listrik kembali. secara

sederhana aki merupakan sel yang terdiri dari elektrode Pb sebagai anode dan PbO2

sebagai katode dengan elektrolit H2SO4.

Sel penyimpan yang dikenal adalah sel asam-timbal, ditemukan oleh Gaston

Plante pada 1859 dan masih dipakai secara luas. Penggambaran sel:

Pb(s) | PbSO4(s) | H2SO4(aq) || PbSO4(s), PbO2(s) | PbS

Reaksi total sel:

Pb(s) + PbO2(s) + H2SO4(aq) PbSO4(s) + 2 H2O

Reaksi terjadi ke kanan selama proses pelucutan (discharge) dan ke kiriselama pengisian (charging). Keadaan muatan dapat diestimasi dengan mengukur

densitas elektrolit; asam sulfat sekitar dua kali kerapatan air, sehingga ketika sel

dilucuti, densitas selektrolit berkurang.

Gambar 8.4. Diagram sebuah baterai asam-timbal.

8.4. Kendaraan Hibrid

Sebuah kendaran hibrida adalah sebuah kendaraan yang menggunakan dua

atau banyak sumber tenaga untuk menggerakkan kendaraan tersebut. Sebutan ini

lebih umum merujuk pada kendaraan listrik hibrida (HEV) yang menggabungkan

sebuah mesin pembakaran dalam dengan satu atau banyak motor listrik.



241

Gambar 8.5.

(a) Toyota Prius yang merupakan mobil hibrid bensin-listrik

(b) Mesin Toyota Prius. Baterai NiMH tidak terlihat karena posisinya dibawah jok

belakang

8.5. Fuel Cell

Baterai konvensional mensuplai energi listrik dari reaktan kimia yang ada di

dalamnya; jika reaktan ini digunakan, baterai akan mati. Alternatif pendekatan adalah

konsumsi reaktan oleh sel hanya jika dibutuhkan saja, sehingga sel dapat

dioperasikan terus-menerus. Dalam hal ini, reaktan dapat dianggap sebagai “fuel”

untuk mennjalankan sel, sehingga disebut Fuel Cell . Pada fuel cell (1839

diperkenalkan oleh Sir William Grove) dikenal bahwa air dapat terdekomposisi

menjadi hidrogen dan oksigen oleh elektrolisis; Grove mencoba rekombinasi dua gas

dalam alat sederhana dan menemukan “elektrolisis bolak-balik”:

Anoda : H2(g)

2 H+

+ 2e-

E0

= 0 vKatoda : ½ O2 + 2 H+ + 2e- H2O(l) E0 = 1,23 v

Total : ½ O2 + 2 H+ H2O(l) E0 = 1,23 v

Sampai 1959 sel hidrogen-oksigen inilah yang dikembangkan. Sel modern

menggunakan elektrolit alkalin, sehingga reaksi elektroda berbeda dengan yang di

atas. Caranya, dengan menambahkan OH- pada ke dua sisi persamaan, reaksinya:

Anoda : H2(g) +2 OH- 2 H2O + 2e-

Katoda : ½ O2(g) + 2 H2O + 2e- 2 OH-

Total : H2(g) + ½ O2(g) H2O

Hidrogen (anoda) dapat digunakan alkohol, hidrokarbon cair, atau cairan batu

bara; metanol merupakan yang paling menjanjikan untuk fuel cell. Pada fuel cell,

tahap oksidasi dan reduksi terjadi pada wadah terpisah, tidak seperti pembakaran

konvensional. Fuel pada sel ini adalah hidrogen, tetapi metanol atau fuel lainnya

dapat pula digunakan. Pengembangan permukaan elektroda katalitik yang aktif dan

permanen merupakan masalah utama teknik fuel cell yang harus dipecahkan.

Satu alasan pentingnya fuel cell adalah sel ini adalah penggunaan energi

kimia yang lebih efisien dibandingkan konversi panas konvensional. Kerja yang

dipoeroleh pada poerasi limit reversibel fuel cell adalah 229 kJ/mol dari pembentukan

H2O. Jika hidrogen dibakar dengan iksigen, panas yang diperoleh adalah –ΔH0 = 242

kJ/mol, tetapi tidak lebih dri setengah panas ini dapat diubah menjadi kerja sehingga



242

output tidak akan lebih dari 121 kJ/mol. Limit ini sesuai dengan hukum ke dua

Termodinamika.

Kelemahan fuel cell adalah laju reaksi elektroda, di mana oksigen tereduksi

cenderung sangat kecil, sehingga menghasilkan arus yang kecil pula. Pelapisan

elektroda dengan material katalitik yang sesuai selalu diperlukan untuk menghasilkanoutput yang tinggi, tetapi katalis yang baik seperti platina sangat mahal, sehingga sel

ini sangat mahal untuk penggunaannya. Perlu dikembangkan elektroda katalitik yang

murah seihingga dihasilakan fuel cell yang ekonomis.

Gambar 8.6. Sebuah PEM fuel cell: H2 dan O2 bergabung membentuk air tanpa

pembakaran

Gambar 8.7. Sebuah Honda FCX yang menggunakan fuel cell hidrogen sebagai

tenaganya.

8.6. Sel Surya



243

Sel surya atau sel photovoltaic, adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri

dari sebuah wilayah-besar diode p-n junction, di mana, dalam hadirnya cahaya

matahari mampu menciptakan energi listrik yang berguna. Pengubahan ini disebut

efek photovoltaic. Bidang riset berhubungan dengan sel surya dikenal sebagai

photovoltaics.Sel surya memiliki banyak aplikasi. Mereka terutama cocok untuk digunakan

bila tenaga listrik dari grid tidak tersedia, seperti di wilayah terpencil, satelit pengorbit

bumi, kalkulator genggam, pompa air, dll. Sel surya (dalam bentuk modul atau panel

surya) dapat dipasang di atap gedung di mana mereka berhubungan dengan inverter

ke grid listrik dalam sebuah pengaturan net metering. Banyak bahan semikonduktor

yang dapat dipakai untuk membuat sel surya diantaranya Silikon, Titanium Oksida,

Germanium, dll.

Gambar 8.7. Diagram skematik sebuah sel surya.



244

Gambar 8.8. Taksi tenaga surya sedang dipamerkan pada KTT Perubahan Iklim di

Nusa Dua Bali

Gambar 8.9. Sebuah sel surya, terbuat dari wafer silikon poly-crystalline.



245

Gambar 8.10. Pandangan dari udara yang meliputi kawasan Solar Park Gut Erlasee

di Bavaria yang ada kapasitas maksimalnya mapu menghasilkan listrik seberar 12

MW.



246

BAB 9 DUNIA POLIMER DAN PLASTIK

9.1 PolimerPolimer adalah molekul besar yang terdiri dari rantai panjang atau rantai atom

kovalen yang terikat bersama. Sebuah molekul polimer dapat berisi ribuan atom dan

memiliki massa molar lebih dari satu juta gram. Mengingat ukuran mereka, polimer

disebut sebagai makromolekul, yaitu molekul dengan massa molekul besar karena

ukurannya yang besar.

Monomer (mono berarti "satu"; meros berarti "unit") adalah molekul kecil yang

digunakan untuk mensintesis rantai polimer yang lebih besar. Setiap monomer analog

dengan mata rantai dari suatu rantai. Polimer (poly berate "banyak") dapat dibentuk

dari jenis monomer yang sama atau dari kombinasi monomer.

Gambar 9.1 Gambaran dari monomer (mata rantai tunggal) dan polimer (rantai

panjang) yang terbuat dari satu jenis monomer.

Gambar 9.2 Kayu Oak dan rumput memiliki polimer alam yang sama, selulosa dengan

monomer glukosa.



247

Gambar 9.3 (a) Botol yang terbuat dari polietilena. (b) Tanda yang dipasang pada

mobil tangki kereta api yang mengangkut cair etilena. Angka 1038 mengidentifikasi

etilena, berlian merah menunjukkan sangat mudah terbakar, dan 2 menunjukkan

reaktivitas sedang.

9.2 Penambahan Monomer

Polietilena akan menjadi contoh pertama. Seperti namanya, polietilena disintesis dari

monomer etilena, H2C=CH2. Etilena adalah nama umum untuk etena, anggota terkecil

di keluarga hidrokarbon yang mengandung C-C ikatan rangkap dua. Dalam reaksi

polimerisasi, n molekul etilena bergabung membentuk polietilena.

Gambar 9.4 Polimerisasi polietilena



248

Dengan bertambahnya setiap monomer etilena, terjadi dua hal: ikatan rangkap antar

karbon berubah menjadi ikatan tunggal, dan membentuk ikatan baru antar monomer

dan rantai tumbuh memanjang. Proses ini diulang berkali-kali secara bersamaan,

kadang-kadang, ujung dua rantai polimer bergabung. Proses pertumbuhan rantai

dapat dihentikan dengan menambahkan senyawa tertentu untuk “menutup” ujungrantai yang reaktif; Dan tentu saja proses akan berhenti sendiri jika semua monomer

habis bereaksi. Hasil dari semua reaksi kimia ini adalah bahwa gas etilena diubah

menjadi polimer polietilena padat.

Gambar 9.5 Wadah-wadah yang terbuat dari polimer polietilena

9.3 Polietilena: Pengamatan lebih dalam

Polietilena memiliki berbagai kegunaan. Sebagai contoh, ditemukan dalam botol susuplastik, wadah deterjen, bahan-bahan tas, dan bahan kemasan (Gambar 9.5).

Namun, seperti yang telah kita lihat dalam bagian sebelumnya, semua polietilena

terbuat dari bahan awal yang sama, H2C=CH2. Bagaimana bisa ini dari satu jenis

monomer dibentuk bermacam-macam polimer dengan kegunaan yang berbeda-

beda?



249

Gambar 5.6 (a) Selembar tas plastik diulur

sampai menciut "necks" (B) Sebuah

gambaran dari "Penciutan" pada tingkat

molekuler.

Suatu strategi untuk mengontrol struktur

molekul dan sifat fisik polimer adalah untuk

mengatur percabangan dari rantai polimer.

Pendekatan ini digunakan untuk

menghasilkan high density polyethylene

(HDPE) dan low density polyethylene

(LDPE) (Gambar 9.7).



250

Gambar 9.7 High-density (linier) polietilena dan low-density (bercabang) polietilena.

(a) Rincian ikatan. (b) gambaran skematis.

9.4 The "Big Six": Tema dan Variasi

Sampai saat ini, lebih dari 60.000 polimer sintetis telah diketahui. Sejak tahun 1976,

Amerika Serikat telah menghasilkan volume polimer sintetis lebih besar dari

gabungan volume baja, tembaga, dan aluminium. Meskipun banyak polimer yang

dikembangkan untuk keperluan khusus, enam macam polimer mewakili sekitar 75%

dari seluruh polimer yang digunakan di Amerika Serikat. Polimer-polimer sehari-hari

disebut sebagai "Big Six" Keenam polimer, tercantum dalam Tabel 9.1, adalah

polietilena (low -density dan high-density ), PE; polipropilena,PP; polistirena, PS;

polivinil klorida, PVC atau V; dan polietilena tereftalat, PET.

Tabel 9.1 mencantumkan beberapa sifat penting dari enam polimer. Semua

merupakan padatan yang dapat diwarnai dengan pigmen. Meskipun semua tidak larut

dalam air, beberapa larut atau melunak dalam senyawa hidrokarbon, seperti lemak,

dan minyak. Keenam polimer termoplastik, yang berarti bahwa dengan panas mereka

dapat dilelehkan dan dapat dibentuk kembali secara berulang-ulang. Mereka memiliki

berbagai titik leleh berbeda-beda tergantung rute mereka diproduksi. Secara umum,

polietilena memiliki titik leleh yang relatif rendah, LDPE dan HDPE masing-masing

meleleh pada suhu sekitar 120 dan 130 oC,. Polipropilena (PP) memiliki titik lebur

yang lebih tinggi dari 160-170 oC. Tabel 9.1 juga menunjukkan ada enam monomer

yang digunakan untuk membuat enam polimer yang berbeda. Dua dari polimer

menggunakan monomer yang sama, etilen. Tiga polimer lainnya menggunakan

monomer yang terkait erat dengan etilena: stirena, vinil klorida, dan propilena. Pada

vinil klorida, salah satu atom hidrogen dalam etilen digantikan oleh atom klor;



251

Propilena, gugus metil (-CH3) menggantikan satu atom hydrogen; dan stirena,

substituen (gugus pengganti) adalah -C6H5, yang dikenal sebagai gugus fenil. Polimer

keenam, polietilena tereftalat, berbeda dari lima polimer lain, dibuat menggunakan

dua monomer yang berbeda.



252

Gambar 9.8 Tiga kemungkinan penataan monomer-monomer dalam PVC

Gambar 9.9 (a) Penataan acak (Random) pada polistirena (b) Paralatan pesta terbuat

dari "kristal" polistirena

9.5 Kondensasi MonomerUntuk memahami monomer yang berbeda, akan sangat membantu jika Anda memiliki

cara untuk mengelompokkan gugus dari atom yang mereka miliki. Kelompok-

kelompok ini dikenal sebagai gugus fungsi. Gugus fungsi adalah pengaturan khas

dari kelompok atom yang memberikan karakteristik sifat kimia molekul yang

mengandung mereka (Tabel 9.2).



253

Gambar 9.10 Dua monomer yang berbeda yang digunakan untuk membuat PET,

poliester. Gugus fungsi ester diberi tanda.

Polietilena tereftalat ( PET atau PETE ) dibentuk melalui proses polimerisasi

kondensasi, suatu proses bergabungnya monomer-monomer disertai hilangnya

(dilepaskan keluar) molekul kecil seperti air . Dengan demikian, polimerisasi



254

kondensasi memiliki dua produk: polimer itu sendiri ditambah molekul yang

dilepaskan selama pembentukan polimer . Banyak polimer yang dibentuk melalui

reaksi kondensasi. Contoh polimerisasi kondensasi di alam meliputi selulosa , pati ,

wol , sutra , dan protein; Contoh polimerisasi kondensasi sintetis termasuk nilon ,

Dacron , Kevlar , ABS , dan Lexan. PET adalah kopolimer , kombinasi dari dua ataulebih monomer yaitu etilen glikol dan asam tereftalat (lihat Tabel 9.1).

9.6 Poliamida: Alami dan Nylon

Tidak lengkap diskusi tentang polimerisasi kondensasi tanpa memperhatikan dua

polimer ini, yaitu protein, yang merupakan polimer alam, dan nilon, polimer sintetis

yang dapat menggantikan beberapa sifat dari sutra, suatu protein alami. Protein alami

lainnya dapat ditemukan dalam kulit kita, kuku, rambut, dan jaringan otot.

Asam amino adalah monomer untuk membangun protein. Setiap molekul asam

amino berisi dua gugus fungsi:satu gugus amina (-NH2) dan gugus asam karboksilat

(-COOH). Dua puluh asam amino yang berbeda terjadi secara alami, masing-masing

hanya berbeda satu gugus yang terikat pada atom karbon pusat. Rantai samping inidiwakili dengan R, seperti yang ditunjukkan dalam rumus struktur umum untuk

sebuah asam amino.

Dalam beberapa asam amino, R hanya terdiri dari atom karbon dan hidrogen, pada

asam amino lain, R mungkin terdapat atom tambahan, seperti oksigen, nitrogen, dan

sulfur. Beberapa kelompok R memiliki sifat asam, sedangkan yang lain adalah basa. Asam amino bergabung membentuk rantai panjang protein melalui polimerisasi

kondensasi.



255

Dalam reaksi ini, gugus amida terbentuk dan sebuah molekul air dihasilkan. Amida

ini berisi ikatan C-to-N dikenal sebagai ikatan peptida, ikatan kovalen yang terbentuk

ketika-COOH dari satu asam amino bereaksi dengan-NH2 dari asam amino lain.

Kimiawan sering mencoba untuk meniru kimia alam. Misalnya, Wallace

Carothers (1896-1937), ahli kimia yang bekerja untuk DuPont Company, mempelajaribanyak reaksi polimerisasi, termasuk pembentukan ikatan peptida. Alih-alih

menggunakan asam amino, Carothers mencoba menggabungkan asam adipat dan

heksametilenadiamina, juga dikenal sebagai 1,6-diaminoheksana. Seperti dalam

kasus sintesis protein, gugus asam dan amina bereaksi untuk melepaskan air dan

membentuk amida. Tapi dalam hal ini, polimer yang terbentuk terdiri dari dua

monomer bergantian. Polimer ini dikenal sebagai nilon.

Gambar 9.12 Pelanggan bersemangat berbaris untuk membeli stoking nilon pada

tahun 1940, ketika produk ini pertama tersedia secara komersial

9.7 Daur Ulang PlastikMenurut badan yang mengurusi plastik di Amerika, jumlah plastik yang dapat

didaur ulang terus meningkat. Perhatikan Tabel 9.3 untuk melihat keberhasilan

mereka untuk polimer jenis PET dan HDPE.

Daur ualang PET adalah contoh keberhasilan dalam daur ulang plastik. Meski

demikian botol minuman ringan PET perlu penanganan khusus sebelum mereka

dapat dilelehkan dan digunakan kembali. Wadah-wadah ini biasanya disortir untuk

memisahkan wadah PET berwarna dan wadah PVC. Jika PVC dibiarkan tercampur

dalam PET dapat melemahkan kekuatan produk akhir. Setiap label, tutup botol, atau



256

makanan yang menempel pada plastik juga harus dipisahkan atau digosok off. Tutup

botol, misalnya, biasanya terbuat dari polipropilena yang lebih kuat.

Gambar 9.13 Apa yang ada di sampah Anda? Komposisi berat sampah kota di

Amerika Serikat sebelum daur ulang pada tahun 2003



257

BAB 10 REKAYASA MOLEKUL DAN PERANCANGAN OBAT

PENDAHULUANPada pertemuan ini akan dibahas tentang rekayasa molekul dan perancangan

obat. Obat adalah senyawa kimia yang sangat penting di dalam kehidupan manusia.

Kehidupan manusia tidak pernah terlepas dari sakit dan penyakit. Untuk mengatasi

masalah penyakit maka berbagai upaya senantiasa dilakukan oleh manusia melalui

ilmu pengetahuan dan teknologi. Salah satu hal penting untuk mengatasi penyakit

manusia adalah obat. Pencarian obat untuk mengatasi penyakit telah dilakukan

manusia sejak jaman dahulu dengan memanfaatkan sumber daya alam hayati.

Secara tradisional, manusia telah menemukan obat dari tumbuhan, jamur atau

mikroba, namun obat yang dipergunakan masih dalam bentuk campuran, bukan

senyawa yang aktif.

Obat merupakan senyawa kimia yang berfungsi untuk menyembuhkan ataumengurangi dampak penyakit yang diderita oleh makhluk hidup. Senyawa ini

merupakan zat aktif yang spesifik untuk satu jenis penyakit. Aktifitas dan spesifitas

senyawa obat sangat erat kaitannya dengan struktur molekul. Hal ini disebabkan

karena interaksi molekul obat dengan target penyakit sangat spesifik seperti interaksi

“gembok” dan “kunci” atau Lock and Key . Senyawa obat, sebagian besar merupakan

senyawa organik, atau senyawa karbon. Senyawa karbon adalah senyawa yang

mengandung rantai karbon beserta gugus-gugus fungsional tertentu. Gugus fungsi

inilah yang memilki aktifitas untuk menghambat atau mematikan sumber penyakit.

Manfaat mempelajari bab ini bagi peserta pembelajaran adalah difahaminya

tentang konsep obat adalah senyawa kimia. Pada bab ini peserta pembelajaran juga

harus memahami tentang struktur, sifat dan fungsi molekul senyawa obat dalam

kaitannya dengan aktifitasnya untuk menyembuhkan atau mengurangi dampak

penyakit. Kajian tentang hubungan struktur molekul dengan aktifitas merupakan

langkah awal penelitian untuk menemukan obat baru. Berdasarkan kajian tersebut

dilakukan perancangan obat melalui komputasi kemudian dilakukan sintesis atau

semisintesis dari bahan alam untuk menemukan obat baru. Pada bab ini, peserta

pembelajaran juga akan diberikan wawasan tentang langkah-langkah penemuan obat

baru, mulai dari perancangan, isolasi bahan alam, rekayasa molekul melalui sintesis

kimia dan pengujian obat baru

PENYAJIAN

Senyawa kimia obat

Sebagian besar senyawa obat merupakan senyawa organik atau senyawa

karbon. Senyawa obat pada mulanya ditemukan dari bahan alam yaitu bahan yang

dihasilkan oleh makhluk hidup seperti tumbuhan, jamur atau mikroba. Salah satu

tumbuhan penghasil obat adalah tanaman white willow yang merupakan penghasil

salisin.



258

Gambar 10.1. Pohon White willow

Salisin yang dihasilkan dari pohon ini dapat disintesis secara kimia menghasilkan obat

yang dikenal sebagai analgesik yaitu aspirin. Konversi salisin menjadi aspirin adalah

salah satu contoh metode semisintesis, yaitu sintesis obat baru dari bahan alam

sebagai bahan bakunya.

Gambar 10.2 Konversi salisin menjadi aspirin

Secara komersial, aspirin disintesis berdasarkan reaksi sebagai berikut :

Asam salisilat asam asetat anhidrid Aspirin asam asetat

Gambar 10.3 Reaksi sintesis aspirin

Salisin



259

Dengan demikian dapat dikatakan bahwa obat-obatan yang telah diproduksi

sebagian merupakan hasil dari konversi bahan alam. Melalui prinsip reaksi kimia

organik bahan alam yang semula aktifitasnya rendah atau bahkan tidak aktif dapat

diubah menjadi obat yang aktif dan dapat menyembuhkan orang sakit. Untuk

memahami tentang aktifitas suatu senyawa dan konversinya menjadi obat yang lebihaktif, maka harus difahami tentang struktur dan sifat senyawa-senyawa tersebut.

Sebagian besar obat merupakan senyawa organik, sehingga untuk memahami

tentang kimiawi obat maka harus dipelajari terlebih dahulu tentang kimia organik atau

kimia karbon.

Senyawa karbon (organik)

Kimia organik adalah cabang ilmu kimia yang mempelajari tentang senyawa-

senyawa yang berasal dari makhluk hidup (organisme). Dalam perkembangannya

ternyata senyawa-senyawa yang semula dihasilkan oleh organisme tersebut ternyata

bisa disintesis diluar organisme, sehingga definisi kimia organik menjadi tidak tepat.

Senyawa-senyawa organik lebih tepat disebut dengan senyawa karbon, karenasemua senyawa tersebut memiliki persamaan yaitu tersusun dari rangkaian atom

karbon yang disebut rantai karbon. Atom karbon dapat terikat dengan sesama karbon

atau dengan atom lain dengan berbagai cara. Beberapa cara karbon berikatan

dengan sesama karbon adalah sebagai berikut :

Gambar 10.3 beberapa model ikatan karbon dengan sesama karbon dan atom

lain

Senyawa karbon terdiri dari rantai karbon dan unsur-unsur lain seperti H, O,

N, S, halogen dan beberapa logam. Atom-atom tersebut dapat membentuk gugus

fungsional tertentu. Gugus fungsional merupakan cirikhas suatu senyawa dan pusat

reaktifitas. Jika suatu rantai karbon mengikat suatu gugus fungsional, maka sifat dan

reaktifitasnya berbeda dengan senyawa lain yang memiliki gugus fungsi yang

berbeda. Beberapa Gugus fungsional di dalam senyawa karbon adalah sebagai

berikut :

Pada senyawa obat, gugus fungsional memiliki peranan yang sangat penting,

karena gugus fungsional ini merupakan gugus aktif yang dapat mengurangi ataumenghilangkan dampak penyakit. Jika gugus fungsional tersebut digantikan maka

aktifitas obat bisa berkurang atau hilang sama sekali. Gugus fungsi juga merupakan

pusat reaktifitas suatu molekul senyawa karbon, sehingga rekayasa atau modifikasi

molekul obat harus memperhatikan sifat reaktifitas molekul tersebut.

Gugus fungsional yang terdapat pada senyawa obat juga merupakan indikasi

kelarutan obat terutama di dalam air. Senyawa karbon yang memiliki gugus

fungsional polar, seperti alkohol dan asam karboksilat akan mudah terlarut di dalam

air (hidrofilik), sedangkan senyawa yang mengandung hidrokarbon yang panjang,



260

maka akan sulit terlarut di dalam air (hidrofobik). Pengetahuan tentang kelarutan obat

di dalam air sangat penting karena senyawa obat akan terdistribusi di seluruh tubuh

melalui media air. Jika suatu senyawa obat tidak larut atau kurang larut di dalam air,

maka dapat dilakukan modifikasi dengan cara membuat senyawa tersebut menjadi

garam yang bersifat ionik seperti pada reaksi berikut :

Tabel 10.1 Beberapa gugus fungsional di dalam senyawa karbon

Pseudoefedrin pseudoefedrin HCl (larut

dalam air)

Gambar 10.4 modifikasi struktur senyawa obat untuk membuat terlarut di

dalam air

Mekanisme aksi obatSenyawa obat memiliki aktifitas untuk mengurangi atau menghilangkan

penyakit karena molekul senyawa ini terikat secara spesifik pada makromolekul target

seperti interaksi antara gembok (lock ) dengan kunci (key ). Interaksi ini tergantung dari

kesesuaian antara struktur molekul obat dengan celah (cavity ) makromolekul target.

Kesesuaian tersebut tergantung dari struktur dan gugus fungsi molekul obat. Struktur

dan gugus fungsi yang berbeda akan memberikan efek farmakologi yang berbeda,

atau bahkan tidak memiliki efek sama sekali.



261

Beberapa struktur molekul obat bersifat sterik atau berorientasi ruang.

Beberapa molekul obat bersifat kiral (chiral ), yaitu memiliki isomeri karena orientasi

ruang atau disebut stereoisomeri. Secara sederhana, molekul kiral didefinisikan

sebagai molekul yang mengandung atom karbon yang mengikat empat gugus yang

berbeda. Suatu fenomena unik pada molekul kiral adalah stereoisomeri, dimanamolekul tersebut memiliki “bayangan cermin” yang berbeda dari molekul asalnya.

Molekul bayangan cermin tersebut merupakan isomer ruang (stereoisomer) yang

secara spesifik disebut dengan enantiomer. Suatu molekul obat akan memiliki

aktifitas yang berbeda dari molekul enantiomernya. Suatu contoh senyawa obat yang

memiliki enantiomer adalah sebagai berikut :

Gambar 10.5 Dua molekul enantiomer yang memiliki aktifitas farmakologi yang

berbeda.

Dektrometorfan merupakan senyawa obat yeng memiliki aktifitas sebagai supresor

batuk, sedangkan enantiomernya yaitu levometorfan adalah suatu zat aditif. Dengan

demikian stereoisomeri merupakan hal yang penting di dalam aktifitas obat.

Perancangan obat untuk menemukan obat baru

Penelitian untuk menemukan obat baru senantiasa dilakukan oleh para

ilmuwan. Hal ini harus dilakukan karena semakin lama banyak penyakit yang resistenatau pasien yang sensitif terhadap satu jenis obat. Demikian juga karena adanya

fenomena penyakit baru yang senantiasa muncul dan sulit untuk mencari obatnya.

Seperti yang sudah diuraikan pada pembahasan sebelumnya, maka penelitian untuk

menemukan obat baru (drug discovery ) tidak lepas dari pengetahuan tentang ilmu

kimia, khususnya ilmu kimia organik dan kimia medisinal.

Proses penemuan obat baru bukanlah proses yang singkat, namun

memerlukan waktu yang panjang. Langkah-langkah penemuan obat baru dapt

digambarkan dengan skema sebagai berikut :



262

Identify disease

Isolate protein

Find drug

Preclinical testing

GENOMICS, PROTEOMICS & BIOPHARM.

HIGH THROUGHPUT SCREENING

MOLECULAR MODELING

VIRTUAL SCREENING

COMBINATORIAL CHEMISTRY

IN VITRO & IN SILICO ADME MODELS

Potentially producing many more targets

and “personalized” targets

Screening up to 100,000 compounds a

day for activity against a target protein

Using a computer to

predict activity

Rapidly producing vast numbers

of compounds

Computer graphics & models help improve activity

Tissue and computer models begin to replace animal testing

Gambar 10.6 skema langkah-langkah penemuan obat baru.

Dari skema di atas terlihat bahwa penemuan obat baru memerlukan langkah

panjang dan waktu yang lama. Penelitian ini diawali dengan identifikasi penyakit untuk

mengetahui penyebab suatu penyakit dan mekanismenya. Setelah itu dilakukan

kajian genomik, proteomik dan biofarma. Pada dua tahap ini diperlukan pengetahuan

ilmu kedokteran, biologi, biokimia dan farmasi. Selanjutnya dilakukan skrining

terhadap kandidat molekul obat dan uji secara in silico (komputasi). Pada tahap ini

diperlukan pengetahuan ilmu kimia, terutama kimia organik, kimia medisinal dan satu

cabang ilmu kimia baru yaitu kimia komputasi. Pada tahap ini akan dikaji tentang

hubungan antara struktur dengan aktifitas molekul sebagai obat. Salah satu metode

yang sering digunakan untuk mengkaji hubungan struktur dan aktifitas ini adalah

QSAR (hubungan kuantitatif struktur dan aktivitas). Pada prinsipnya, setiap molekul

dengan gugus fungsi yang berbeda akan memilki aktifias farmakologi yang berbeda.

Dengan menghubungkan antara aktifitas serangkaian molekul-molekul homolog

dengan sifat-sifat elektroniknya melalui perhitungan komputasi maka dapat diprediksi

kandidat senyawa obat yang memiliki aktifitas terbaik. Metode in silico lain yang

sering digunakan untuk merancang penemuan obat baru adalah docking moleul

(molecular docking ). Metode ini didasarkan pada interaksi lock and key antara

kandidat calon obat dengan makromolekul target. Berdasarkan interaksi mekanika

molekuler, maka dapat diprediksi posisi dan kekuatan pengikatan molekul obat pada

sisi aktif makromolekul target.

Dari kajian in silico maka diperoleh kandidat molekul yang berpotensi sebagai

senyawa obat karena memiliki aktifitas terbaik. Setelah proses ini dilakukan sintesis

atau semisintesis. Sintesis senyawa obat berasal dari bahan-bahan sintetik,



263

sedangkan semisintesis berasal dari senyawa murni yang diisolasi dari bahan alam.

Untuk melakukan isolasi, sintesis atau semisintesis sangat diperlukan pemahaman

tentang prinsip reaksi dan teknik laboratorium kimia karbon. Setelah senyawa obat

baru disintesis, maka dilakukan serangkaian uji, terdiri dari uji in vitro yaitu pengujian

di luar makhluk hidup, uji pra klinis secara invivo yaitu menggunakan makhluk hidup.Uji in vitro dilakukan untuk mengetahui efek farmakologis seperti daya hambat, daya

lethal dll. Sedangkan uji in vivo dilakukan untuk mengetahui farmakokinetik, toksisitas

dll. Uji invivo dilakukan menggunakan hewan uji dan akhirnya menggunakan relawan

manusia pada tahap akhir.

PENUTUP

Untuk memahami materi yang telah disampaikan diskusikan beberapa hal berikut ini

:

1. Jelaskan struktur molekul kimia karbon! Apa yang dimaksud dengan rantai

karbon dan gugus fungsional?

2. Jelaskan hubungan antara struktur molekul dengan aktifitasnya sebagai obat!Mengapa molekul senyawa karbon dapat berperan sebagai obat?

3. Gambarkan struktur asam salisilat! Berdasarkan struktur molekul asam

salisilat, jelaskan sifat kimia dan kelarutannya di dalam air!

4. Jelaskan prinsip penelitian penemuan obat baru (drug discovery ) !

5. Jelaskan prinsip QSAR dan docking molekul untuk merancang calon molekul

senyawa obat!



264

BAB 11 NUTRISI: BAHAN UNTUK DIPIKIRKAN

11.1 Anda Adalah Apa yang Anda Makan Apakah kita makan kreasi kuliner lezat atau melahap junk food di jalankan, semua

kita makan karena makanan menyediakan empat macam dasar bahan yang

dibutuhkan untuk menjaga badan kita berfungsi, yaitu: air, sumber energi, bahan

baku, dan regulator metabolism. Air berfungsi baik sebagai reaktan dan produk dalam

reaksi metabolisme, sebagai pendingin dan regulator termal, dan sebagai pelarut

untuk zat-zat yang penting bagi kehidupan. Tubuh kita adalah sekitar 60% air, tetapi

H2O tidak dapat dibakar dalam tubuh atau tempat lain. Oleh karena itu, kita

membutuhkan makanan sebagai sumber energi untuk memberi tenaga proses-

proses seperti aksi otot, otak dan impuls saraf, dan pergerakan molekul dan ion pada

waktu dan tempat yang tepat. Kita juga makan karena kita membutuhkan bahan baku

untuk sintesis tulang baru, darah, enzim, otot, rambut, dan untuk penggantian danperbaikan bahan sel dalam tubuh. Terakhir makanan memasok beberapa enzim dan

hormon yang berfungsi untuk mengontrol reaksi biokimia yang terkait dengan

metabolisme dan semua proses vital lainnya.

Gambar 11.1 Komposisi tubuh manusia

Makan dengan benar adalah bagaimana mengkonsumsi berbagai makanan yang

tepat, bukan hanya makan sejumlah makanan yang cukup. Malnutrisi adalah kondisiyang disebabkan oleh pola makan dengan campuran nutrisi/gizi yang kurang tepat,

meskipun kandungan energi dari makanan yang dimakan mencukupi. Kebalikan dari

kondisi malnutrisi adalah kekurangan gizi, pada kondisi ini asupan kalori seseorang

tidak mencukupi kebutuhan metabolism tubuhnya.

Makanan olahan wajib memberikan informasi gizi . Sebuah label , seperti pada

Gambar 11.2, menampilkan jumlah lemak , karbohidrat , dan protein. Zat-zat ini

adalah makronutrisi yang menyediakan semua kebutuhan energi dan sebagian besar

bahan baku untuk proses perbaikan dan sintesis dalam tubuh. Ion natrium dan kalium



265

(bukan dalam bentuk logamnya) terdapat

dalam konsentrasi yang lebih rendah,

tetapi ion-ion ini sangat penting untuk

keseimbangan elektrolit dalam tubuh.

Beberapa mineral lainnya dan vitamin(Bagian 11.5) tercantum dalam hal

persentase harian yang direkomendasikan

untuk satu porsi produk.

Gambar 11.2 Label fakta gizi dari paket

kacang

11.2 Lemak dan Minyak: Sebagian

keluarga Lipida

Beberapa sifat lemak yang umum telah

kita ketahui adalah berminyak, licin, lunak,padatan dengan titik leleh rendah, dan

tidak larut dalam air. Mentega, keju,

cream, susu, dan daging tertentu dan

beberapa ikan banyak mengandung

lemak. Semua ini produk yang berasal dari

hewan. Tapi margarin dan minyak goreng

yang berasal dari tumbuhan. Minyak,

seperti yang diperoleh dari buah zaitun,

jagung, atau kacang-kacangan,

menunjukkan banyak sifat seperti lemak

hewani. Namun tidak seperti lemak, minyak adalah cairan. Baik berupa padatan ataucairan, lemak dan minyak termasuk keluarga senyawa yang dikenal sebagai lipida,

golongan senyawa yang mencakup tidak hanya lemak yang dapat dimakan dan

minyak, tetapi juga bahan yang beragam seperti kolesterol dan steroid. Molekul asam

lemak alami ditandai dengan rantai hidrokarbon nonpolar panjang yang umumnya

mengandung atom karbon dalam jumlah genap (biasanya 12-24)

dan gugus asam karboksilat polar pada akhir rantai. Sebagai contoh, perhatikan asam

lemak yang umum ditemukan di lemak sapi, asam stearat, C17H35COOH (Gambar

11.3)



266

Gambar 11.3 Gambaran asam stearat, suatu asam lemak

Molekul kedua pebentuk lemak dan minyak adalah senyawa gliserol atau gliserin.

Gliserol bersifat lengket, cairan manis sering ditambahkan ke produk sabun dan lotion

tangan. Gambar 11.4 menunjukkan bahwa molekul gliserol yang berisi tiga gugus -

OH, sehingga termasuk golongan alkohol.

Gambar 11.4 Gambaran molekul gliserol, suatu alcohol

Jika tiga asam lemak bereaksi dengan gliserol, satu produk adalah trigliserida-ester

dari tiga molekul asam lemak dan satu molekul gliserol-, produk lainnya adalah tiga

molekul air.

3 molekul asam lemak + 1 molekul gliserol 1 molekul trigliserida + 3 molekul

air



267

Lemak dan minyak berbeda sifat tidak hanya karena panjang rantai hidrokarbon

dalam asam lemak pembentuk trigliserida, tetapi juga karena ikatan dalam rantai itu.

Asam lemak jenuh (saturated fatty acids) adalah asam lemak dengan rantai

hidrokarbon hanya mengandung ikatan tunggal antar atom karbon.

Asam lemak tak jenuh (unsaturated fatty acids) adalah asam lemak dengan molekul

berisi satu atau lebih ikatan rangkap antar atom-atom karbon. Asam oleat, dengan

hanya satu ikatan rangkap atom karbon per molekul, dikelompokkan sebagai tak jenuh tunggal. Asam lemak tak jenuh ganda (Polyunsaturated fatty acids)

mengandung lebih dari satu ikatan rangkap antar atom karbon per molekul. Asam

linoleat, yang berisi dua ikatan C-C rangkap per molekul, dan asam linolenat dengan

tiga ikatan rangkap C- C per molekul, adalah contoh dari asam lemak tak jenuh

ganda. Perhatikan pada Gambar 11.5 semua asam lemak tak jenuh tersebut

mengandung 18 atom karbon.



268

Gambar 11.5 Asam lemak tak jenuh

Kategori lain dari lemak yang akhir-akhir ini banyak beritakan adalah lemak “trans”

(trans fats), lemak yang telah diubah dengan penambahan hidrogen ke minyak nabati

tak jenuh. Ini adalah contoh proses hidrogenasi, di mana gas hidrogen (H2) dengan

bantuan katalis logam, ditambahkan ke ikatan rangkap sehingga berubah menjadi

ikatan tunggal.

Hidrogenasi, selain mengganti ikatan rangkap dengan ikatan tunggal, dapatmengkonfigurasi ulang geometri sekitar ikatan ganda sehingga atom hidrogen di sisi

berlawanan dari ikatan rangkap. Sebagai contoh, asam oleat dan asam elaidat

memiliki rumus kimia yang sama, tetapi sifat, penggunaan, dan mungkin efek

terhadap kesehatan berbeda.

Asam oleat adalah suatu asam

lemak tak jenuh alami komponen utama dari minyak zaitun, tetapi asam elaidat,

ditemukan di beberapa jenis margarin lunak, adalah asam lemak “trans”.

Kolesterol adalah lemak, tetapi memiliki struktur yang sangat berbeda dari lemak dan

minyak yang kita telah membahas. Molekul kolesterol memiliki struktur empat-cincin

dengan rantai hidrokarbon yang melekat pada cincin lima-karbon. Struktur ini mirip

dengan yang ditemukan pada hormon seperti progesteron dan testosteron. Golongan

senyawa ini yang dikenal sebagai steroid, dan kolesterol adalah steroid yang paling



269

melimpah dalam tubuh manusia, baik yang disintesis secara internal dan dicerna dari

makanan.

Dua senyawa yang ada dalam tubuh membantu membawa kolesterol dan trigliserida

melalui aliran darah adalah: HDL (high-density lipoprotein) dan LDL (low-density

lipoprotein). The HDL adalah lipoprotein "baik", lebih efektif dalam mengangkutkolesterol daripada LDL. Tampaknya bahwa orang dengan rasio-nilai yang tinggi LDL

relatif terhadap konsentrasi HDL sangat rentan terhadap penyakit jantung. Membatasi

asupan makanan kolesterol, dikombinasikan dengan olahraga yang juga berfungsi

untuk membakar kalori, proses yang diperlukan untuk mencegah kenaikan berat

badan. Namun, mungkin faktor yang paling mempengaruhi kadar kolesterol dalam

darah kita adalah factor genetika.

11.3 Karbohidrat: Manis dan Bertepung

Karbohidrat memiliki tugas menyediakan energy untuk semua sel dalam

tubuh. Karbohidrat diet yang paling terkenal adalah gula-sederhana karbohidrat

seperti yang ditemukan dalam buah-buahan dan makanan olahan. Karbohidratsederhana dikenal dengan rasa manis dan mudah dicerna oleh tubuh. Karbohidrat

kompleks paling terkenal adalah kemungkinan pati, ditemukan di hampir semua

makanan nabati seperti biji-bijian, kentang, dan beras. Karbohidrat kompleks dalam

kepiting terasa lebih enak, tetapi mereka tidak memiliki rasa manis dan perlu waktu

lama untuk dicerna.

Secara kimiawi, karbohidrat adalah senyawa yang mengandung karbon,

hidrogen, dan oksigen, dua elemen terakhir dalam rasio atom 2:1 seperti yang

ditemukan dalam air. Glukosa, misalnya, memiliki rumus C6H12O6. Molekul

karbohidrat yang dibangun dari cincin yang mengandung atom karbon dan atom

oksigen. Atom hidrogen dan gugus -OH yang melekat pada atom karbon. Ada banyak

kemungkinan perbedaan dalam struktur molekul yang disebut isomer, sebagaicontoh, 32 isomer berbeda (termasuk isomer kiral) untuk C6H12O6.

Gambar 11.6 Struktur molekul tiga monosakarida

Gambar 11.7 Pembentukan sukros, suatu disakarida



270

Penyambungan molekul monosakarida tidak berarti terbatas hanya pada

pembentukan disakarida. Beberapa karbohidrat yang paling umum dan melimpah

adalah polisakarida, polimer terdiri dari ribuan unit glukosa. Monomer monosakarida

bergabung untuk membentuk polisakarida, melepaskan sebuah molekul air setiap kali

monomer yang dimasukkan ke dalam rantai. Pati, selulosa, dan glikogen adalah tigacontoh umum polisakarida, yang juga disebut karbohidrat kompleks.

Seperti pati, selulosa merupakan polimer dari glukosa, tapi dua polisakarida

ini bersifat sangat berbeda di dalam tubuh kita. Manusia dapat mencerna pati dengan

memecahnya menjadi unit-unit glukosa, sebaliknya, kita tidak bisa mencerna

selulosa. Alasannya adalah perbedaan kecil bagaimana unit glukosa bergabung

dalam pati dan selulosa. Dalam pati tautan α yang menghubungkan antar unit glukosa

memiliki orientasi tertentu, sedangkan tautan β antar unit glukosa dalam selulosa

mempunyai orientasi yang berbeda (Gambar 11.8)

Gambar 11.8 Tautan antar unit glukosa dalam (a) pati (b) selulosa

Intoleransi laktosa adalah disfungsi metabolik umum yang mirip dengan

perbedaan antara prose cerna pati dan selulosa. Kecuali dalam kasus pada bayi yang

sangat muda, intoleransi laktosa pada sebagian besar orang, membuat mereka sulituntuk mencerna produk susu. Konsumsi makanan ini sering diikuti dengan diare dan

kembung (buang gas berlebih). Gejala ini akibat dari ketidakmampuan untuk

memecah laktosa (gula susu) menjadi monosakarida komponennya, glukosa dan

galaktosa. Tautan antara dua monosakarida dalam laktosa adalah tautan β, mirip

dengan yang di selulosa. Orang yang tidak toleran terhadap laktosa memiliki

kekurangan atau konsentrasi laktase rendah, enzim yang mengkatalisis pemutusan

tautan ini. Pada individu tersebut, laktosa dicerna bukan oleh usus mereka sendiri



271

tetapi difermentasi bakteri. Proses ini menghasilkan gas karbon dioksida dan gas

hidrogen, dan asam laktat, penyebab utama diare.

11.4 Protein

Protein adalah poliamida atau polipeptida, polimer dibangun dari monomerasam amino. Sebagian besar protein yang dibuat dari berbagai kombinasi 20 asam

amino yang berbeda. Molekul dari semua asam amino mempunyai pola umum

struktur yang sama. Empat gugus fungsi atau atom yang melekat pada sebuah atom

karbon adalah: (1) gugus asam karboksilat, (2) gugus amina, (3)atom hidrogen, dan

(4) rantai samping R yang ditunjuk dalam struktur pada Gambar 11.9.

Gambar 11.9 Struktur umum asam amino

Gambar 11.10 Struktur asam-asam amino dengan rantai samping berbeda

Tubuh biasanya tidak menyimpan pasokan cadangan protein, sehingga

makanan yang mengandung protein harus dimakan secara teratur. Sebagai sumberutama nitrogen bagi tubuh, protein terus-menerus dipecah dan direkonstruksi.

Seorang dewasa sehat dengan diet seimbang akan mempunyai keseimbangan

nitrogen, membuang nitrogen (terutama sebagai urea dalam urin) sebanyak yang ia

makan. Anak-anak, wanita hamil, dan orang-orang pulih dari sakit jangka panjang

atau luka bakar memiliki keseimbangan nitrogen positif. Ini berarti bahwa mereka

mengkonsumsi lebih banyak nitrogen dari yang mereka keluarkan karena mereka

menggunakan elemen untuk mensintesis protein tambahan. Keseimbangan nitrogen



272

negatif terjadi ketika lebih banyak protein dipecah/diurai daripada yang dibuat. Hal ini

terjadi pada kasus kelaparan, ketika kebutuhan energi tubuh tidak terpenuhi dari

makanan, dan otot dimetabolisme untuk mempertahankan fungsi fisiologis.

Penyebab lain dari keseimbangan nitrogen negatif kemungkinan asupan

asam amino esensial yang tidak cukup. Asam amino esensial adalah asam aminoyang dibutuhkan untuk sintesis protein tapi itu harus diperoleh dari makanan karena

tubuh tidak dapat mensintesis mereka. Dari 20 asam amino alami yang membentuk

protein, tubuh kita dapat mensintesis 11 asam amino dari molekul sederhana, tetapi

9 asam amino harus diperoleh dari makanan langsung. Jika salah satu dari sembilan

asam amino esensial pada Tabel 11.4 hilang dari diet, bisa menyebabkan malnutrisi

parah karena beberapa asam amino yang termakan tidak dapat dimanfaatkan dan

diekskresikan.

11.5 Vitamin dan Mineral

Diet harian Anda tidak hanya harus menyediakan jumlah memadai kalori dan

macronutrients, tetapi juga harus menyediakan vitamin dan mineral. Vitamin dan

mineral adalah mikronutrien, zat yang dibutuhkan hanya dalam jumlah sangat kecil,

tetapi penting bagi tubuh untuk memproduksi enzim, hormon, dan zat lainnya yang

diperlukan untuk pertumbuhan dan perkembangan.

Vitamin sering diklasifikasikan berdasarkan kelarutannya. Vitamin yang larut dalam

minyak/lemak (lipid -soluble) atau larut dalam air (water soluble). Sebagai contoh,

struktur molekul vitamin A, yang ditunjukkan pada Gambar 11.11, hampir hanya

mengandung atom karbon dan hidrogen mirip dengan hidrokarbon yang berasal dari

minyak bumi. Vitamin yang tidak larut dalam lemak akan larut dalam air karena

molekul-molekul mengandung atom/gugus polar seperti gugus -OH yang membentuk

ikatan hidrogen dengan molekul air. Contoh Vitamin C

Gambar 11.11 Vitamin yang larut dalam lemak/minyak dan larut dalam air

Perbedaan kelarutan vitamin ini memiliki implikasi yang signifikan untuk gizi

dan kesehatan. Vitamin A, D, E, dan K larut dalam lemak/minyak sehingga akan

disimpan dalam sel-sel yang kaya lipida. Ini berarti bahwa vitamin yang larut dalam

lemak/minyak tidak perlu diminum setiap hari karena dapat beracun jika dikonsumsi



273

terlalu jauh melebihi kebutuhan normal. Sebagai contoh, dosis tinggi dari vitamin A

dapat menyebabkan kelelahan, sakit kepala, pusing, penglihatan kabur, kulit kering,

mual, dan kerusakan hati.

Banyak vitamin yang larut dalam air berfungsi sebagai koenzim, molekul yang

bekerja sama dengan enzim untuk meningkatkan aktivitas enzim. Lipid, protein, dansintesis karbohidrat dan metabolisme semua tergantung pada fungsi penting ini.

Anggota keluarga vitamin B banyak berfungsi sebagai koenzim, seperti Niacin yang

berperan penting dalam transfer energi dalam metabolisme glukosa dan lemak.

Pasokan yang cukup dari diet mineral (ion atau senyawa anorganik) juga

penting untuk kesehatan yang baik. Ada tujuh makromineral-Ca, P, Cl, K, S, Na, Mg-

adalah unsur-unsur yang penting bagi kehidupan namun tidak sebanyak seperti O,

C, H, atau N. Makromineral hanya dibutuhkan dalam jumlah lebih besar dari 100 mg

(0.100 g) atau hadir dalam tubuh dalam jumlah yang lebih besar dari 0,01% dari berat

badan.

Tubuh membutuhkan jumlah yang lebih kecil dari Fe, Cu, dan Zn-yang disebut

mikromineral. Mineral runut (trace mineral ), termasuk I F, Se, V, Cr, Mn, Co, Ni, Mo,B, Si, dan Sn, biasanya diukur dalam mikrogram (µg). Meskipun jumlah total elemen

dalam tubuh hanya sekitar 25-30 g, jumlah sedikit mereka sering mengaburkan

pentingnya mereka dalam menjaga kesehatan yang baik.

Gambar 11.12 Tabel periodik yang menunjukkan diet mineral yang diperlukan untuk

kehidupan manusia

11.6 Energi dari Metabolism Makanan

Selama metabolisme, proses fotosintesis dibalik, makanan diubah menjadi senyawa

yang lebih sederhana dan energi yang tersimpan dilepaskan.



274

Gambar 11.13 Keseimnbangan energi untuk fotosintesis dan metabolism glukosa

Sumber utama energi dalam diet seimbang adalah lemak. Pada basis gram per gram,

lemak menyediakan sekitar 2,5 kali lebih banyak energi dari makronutrien lainnya.

Penjelasan untuk perbedaan besar kandungan energi antara lemak dan karbohidrat

adalah terlihat dari komposisi kimia dari kedua jenis material tersebut

Meskipun protein, seperti karbohidrat, menghasilkan sekitar 4 Cal / g jika

dimetabolisme, protein tidak digunakan dalam tubuh sebagai sumber energi utama,

tetapi protein menyimpan bagian molekul untuk membangun kulit, otot, tendon,

ligamen, darah, dan enzim.

11.7 Pengawetan Makanan

Keracunan makanan adalah masalah serius. Jika Anda pernah mengalami

bahkan untuk kasus yang ringan, Anda mengetahui ketidaknyamanan dan kadang-

kadang memalukan. Dalam kasus yang parah, keracunan makanan dapat merenggut

kehidupan orang-orang terkasih. Dengan demikian selama berabad-abad, orang-

orang dalam setiap kebudayaan telah menemukan cara untuk mengawetkan

makanan.

Dua cara pengawetan yang telah teruji adalah pengawet makanan dengan

gula dan garam. Seperti yang Anda ketahui, jeli, selai, dan acar memanfaatkanmereka. Pengawet ini bekerja dengan menciptakan lingkungan dengan konsentrasi

garam atau gula tinggi, yang tidak menguntungkan bagi pertumbuhan bakteri, ragi,

dan jamur. Dengan proses osmosis, air akan mengalir keluar dari sel-sel dari

organisme ini, sehingga sel mereka rusak. Kekurangannya cara ini adalah bahwa

gula dan garam sangat mengubah rasa makanan, meskipun beberapa perubahan

rasa ada yang diinginkan (acar ikan herring adalah kelezatan sebagian orang).

Metode pengawetan lain adalah dengan memanaskan atau mendinginkan makanan.



275

Jika Anda memeriksa label makanan yang mengandung lemak atau minyak,

Anda mungkin menemukan bahwa BHT atau BHA telah ditambahkan baik ke

makanan atau kemasan karton. Senyawa ini butil hidroksi toluena (BHT) dan butil

hidroksi anisol (BHA) adalah antioksidan. Antioksidan adalah senyawa yang

ditambahkan ke makanan, obat-obatan, dan kosmetik untuk meminimalkan oksidasiminyak dan lemak tak jenuh yang dapat menyebabkan tengik, kehilangan warna, dan

perubahan rasa. BHT dan BHA bertindak dengan mencegah penumpukan radikal

bebas yang terbentuk ketika lemak dan minyak bereaksi dengan oksigen dari udara.

Radikal bebas memiliki elektron tidak berpasangan yang sangat reaktif. BHT,

BHA, dan antioksidan lainnya menangkap elektron tidak berpasangan dari radikal

bebas untuk membentuk spesies stabil. Hal ini untuk mencegah oksidasi lebih lanjut

dari lemak, sehingga menjaga sereal, kue, dan keripik kentang lebih lezat dan bebas

dari minyak tengik.

Gambar 11.14 Struktur antioksidan BHT dan BHA



276

BAB 12 REKAYASA GENETIKA DAN MOLEKUL-MOLEKULKEHIDUPAN

PENDAHULUAN

Pada pokok bahasan ini akan dipelajari tentang molekul luar biasa yang

mengendalikan kehidupan suatu organisme. Molekul ini diwariskan kepada generasi

selanjutnya sehingga keturunan dari suatu spesies akan memiliki sifat fisik yang sama

dengan induknya. Sistem pewarisan sifat inilah yang disebut dengan genetika.

Molekul ini berfungsi untuk mengkode sintesis protein suatu spesies, sehingga

spesies tersebut memiliki protein tertentu yang mirip dengan protein induknya. Protein

menentukan sifat fisik suatu spesies, jika struktur protein suatu spesies berbeda dari

spesies lain, maka sifat fisik spesies-spesies tersebut berbeda.

Molekul yang mengendalikan genetika suatu organisme tersebut berada di

dalam inti sel (nukleus) dan bersifat asam, sehingga molekul ini dinamakan asamnukleat. Asam nukleat adalah suatu makromolekul yang luar biasa dan hanya dimiliki

oleh makhluk hidup. Ada dua macam asam nukleat yaitu deoxyribo nucleic acid

(DNA) dan ribonecleic acid (RNA). Fungsi utama asam nukleat ada dua yaitu

mewariskan sifat kepada generasi selanjutnya dan mengkode sintesis protein.

Pewarisan sifat hanya dilakukan oleh DNA, sedangkan pengkodean sintesis protein

dilakukan oleh DNA dan RNA.

Keberadaan asam nukleat menyebabkan suatu individu memiliki sifat fisik

yang berbeda dari individu lainnya. Makromolekul ini juga menyebabkan suatu

spesies memiliki sifat fisik yang mirip dengan sifat fisik spesies induknya. Hal ini

karena asam nukleat (DNA) diwariskan dari induk ke anaknya sehingga susunan DNA

yang mirip antara induk dengan anaknya akan menghasilkan protein yang mirip juga.Susunan DNA suatu organisme menentukan susunan protein tertentu sehingga sifat

fisik suatu organisme sangat tergantung dari susunan DNA nya. Jika DNA suatu

organisme diubah maka protein yang dihasilkan dari organisme tersebut bisa

berubah. Hal inilah yang melandasi rekayasa genetik untuk mengubah organisme

alami menjadi organisme baru dengan DNA yang terekayasa sehingga akan

menghasilkan protein baru dan organisme baru yang memiliki sifat baru yang lebih

unggul.

Setelah mempelajari pokok bahasan ini, peserta pembelajaran diharapkan

dapat memahami tentang arti penting molekul kehidupan yang sangat luar biasa yaitu

asam nukleat. Mahasiswa juga diharapkan mampu mempelajari struktur molekul dan

fungsi asam nukleat serta hubungan antara asam nukleat dengan protein. Pada

bagian akhir diharapkan para mahasiswa memahami tentang prinsip rekayasa

genetik untuk menghasilkan organisme baru yang lebih unggul daripada organisme

alami.



277

PENYAJIAN

Asam Nukleat, molekul kehidupan

Di dalam sistem hayati (life system) ada suatu kepastian bahwa suatu spesies

akan menurunkan anak atau generasi yang sama spesisnya, atau jika dua spesies

kawin silang, maka akan menghasilkan spesies campuran (hibrida) yang mewarisisifat dari kedua induknya. Hal ini disebabkan oleh adanya suatu molekul yang

mengendalikan pewarisan sifat (heriditas) dari induk ke generasi selanjutnya. Molekul

tersebut membawa seluruh informasi genetik suatu organisme dan diwariskan ketika

terjadi proses regenerasi dari induk kepada anaknya, sehingga anak akan mewarisi

sifat fisik induknya. Suatu molekul yang sangat luar biasa ini hanya ada pada makhluk

hidup dan berada pada suatu tempat yaitu di dalam inti sel (nukleus) dan karena

sifatnya asam maka dinamakan asam nukleat.

Asam nukleat ada dua macam yaitu asam deoksiribonukleat

(deoxyribonucleic acid) atau lebih dikenal dengan singkatan DNA dan asam

ribonukleat (ribonucleic acid) atau RNA. DNA merupakan makromolekul yang sangat

panjang yang terdapat di dalam inti sel (untuk sel eukaryot) dan dikemas dengan caradililitkan pada suatu protein like histone. DNA yang dikemas tersebut disebut dengan

kromosom. Kromosom memuat semua informasi genetik yang terdapat di dalam DNA

dari suatu organisme. Secara skematis DNA yang dikemas sebagai kromosom

adalah sebagai berikut :

Gambar 12.1 DNA yang dikemas sebagai kromosaom

DNA adalah makro molekul yang tersusun dari monomer yang disebut

nukleotida. Setiap nukleotida tersusun dari tiga bagian yaitu gula deoksiribosa, fosfat

dan basa nitrogen. Basa nitrogen terdiri dari dua macam yaitu Purin dan Pirimidin,

masing-masing terdiri dari dua macam basa, yaitu purin terdiri dari Adenin (A) dan

Guanin (G), sedangkan pirimidin terdiri dari Sitosin (C) dan Timin (T). Struktur molekul

penyusun nukleotida digambarkan sebagai berikut :



278

Gambar 12.2 Struktur molekul penyusun nukleotida

Struktur salah satu nukleotida dengan basa adenin adalah sebagai berikut :

Gambar 12.3 struktur suatu nukleotida (adenosin monofosfat)

Gambar 12.3 menunjukkan struktur salah satu nukleotida dengan basa

adenin, sehingga namanya adalah adenosin monofosfat. Jika basanya diganti

dengan guanin maka disebut guanosin monofosfat, jika sitosin maka sitidin

monofosfat dan jika timin maka timidin monofosfat. Dengan demikian terdapat empat

macam nukleotida yang hanya berbeda pada jenis basanya saja. Jika nukleotida

tersebut terangkaikan menjadi polinukleotida, maka polinukleotida satu berbeda dari

polinukleotida lain karena perbedaaan urutan basanya. Struktur polinukleotida dapat

digambarkan sebagai berikut :



279

Gambar 10. 4 contoh struktur polinukleotida (T-A-C-G)

Pada gambar 10.4 terlihat adanya struktur polinukleotida dengan urutan

Timin-Adenin-Sitosin-Guanin (T-A-C-G). Jika urutan basa tersebut diubah, misalnya

A-T-G-C atau T-C-G-A dsb. maka akan menjadi polinukleotida yang berbeda. Dengan

demikian perbedaan polinukleotida satu dengan yang lain terletak urutan basanya.DNA merupakan makromolekul yang berbentuk untai ganda (double helix ).

Struktur double helix ini ditemukan oleh James Watson dan Frederick Crick yang

mendapatkan hadiah Nobel bidang kimia tahun 1962. Struktur double helix ini

disebabkan karena adanya ikatan hidrogen antar dua basa dari dua untai

polinukleotida. Ikatan hidrogen ini selalu terjadi antara adenin dengan timin (A-T) dan

antara guanin dengan sitosin (G-C). struktur double helix DNA dapat digambarkan

secara skematis adalah sebagai berikut :



280

Gambar 10.5 skema double helix DNA. Keterangan : S = sugar (gula deoksiribosa),

P = fosfat, A = adenin, T = timin, G = guanin dan C= sitosin

Ikatan hidrogen selalu terjadi antara A dengan T dan G dengan C. Hal inilah

yang menjadikan struktur DNA selalu pasti tidak pernah berubah jika sel melakukan

pembelahan. Jika sel melakukan pembelahan maka setiap sel akan membawa DNA

yang sama. Karena prinsip ini, maka pewarisan sifat dapat terjadi. Ikatan hidrogen ini

juga memegang peranan yang sangat penting di dalam sintesis protein, sehingga

urutan DNA tertentu akan menghasilkan protein tertentu pula. Model ikatan hidrogen

antar dua basa ini dapat digambarkan sebagai berikut :



281

Gambar 10.6 Model ikatan hidrogen antara A-T dan G-C

Replikasi dan pewarisan sifat

Salah satu keistimewaan DNA adalah kemampuannya untuk mereplikasi diri.

Hal ini tidak dimiliki oleh molekul-molekul lain. Replikasi DNA adalah pembentukan

copy molekul DNA yang sama persis dengan DNA asalnya. Replikasi ini terjadi

karena adanya kepastian ikatan hidrogen antara A-T dan G-C. Replikasi adalah awal

dari pembelahan sel dan pewarisan sifat. Proses replikasi dapat digambarkan secara

skematis sebagai berikut :

Gambar 12.7 Proses replikasi DNA

Dari skema pada gambar 12.7 terlihat skema proses replikasi. Dari gambar

tersebut terlihat bahwa satu double helix DNA direplikasi (dicopy) menjadi dua double

helix yang sama persis. Proses replikasi ini dinamakan semikonservatif, dimana DNA

double helix akan membelah dan masing-masing untai akan membentuk untai



282

pasangannya. Pembentukan untai pasangan ini sesuai dengan kaidah pasangan

ikatan hidrogen, dimana A berikatan dengan T dan G dengan C. Karena kepastian

pasangan ikatan hidrogen ini maka replikasi dapat dipastikan akan menghasilkan

DNA yang sama persis. Replikasi merupakan awal dari pembelahan sel, sehingga

replikasi bertanggungjawab terhadap proses pewarisan sifat. Karena kepastianproses replikasi inilah maka generasi selanjutnya akan membawa DNA dari induknya

sehingga akan memiliki sifat yang mirip.

Asam Nukleat dan Sintesis Protein

Suatu organisme yang memiliki kemiripan urutan DNA dengan organisme lain,

maka secara fisik keduanya mirip. Dua orang yang kembar identik, maka secara fisik

mereka sangat mirip. Hal ini disebabkan karena urutan DNA keduanya sangat mirip.

Mengapa hal ini bisa terjadi? Karena DNA merupakan penyandi di dalam proses

sintesis protein. Protein adalah sifat yang nampak dari suatu organisme (fenotipe),

sehingga jika DNA mirip, maka protein pun juga pasti mirip dan jika DNA berbeda,

maka protein pun pasti berbeda. Proses penyandian protein oleh DNA terjadi melaluidua proses, yaitu transkripsi dan translasi.

Gambar 12.8 Proses penyandian sintesis protein

Dari gambar 12.8 dapat dijelaskan bahwa :

1. Untai DNA yang sangat panjang menyimpan semua informasi genetik dari

suatu organisme. Informasi genetik tersebut merupakan urutan basa penyandiurutan asam amino untuk membentuk suatu protein. Tidak semua urutan DNA

merupakan penyandi urutan asam amino untuk membentuk protein.

2. Satu urutan DNA yang menyandi satu protein disebut dengan gen, sehingga

satu gen akan menyandi satu protein. Dengan demikian, jika di dalam

organisme terdapat seribu macam protein, maka pada untai DNA akan

terdapat seribu gen.

3. Suatu gen akan menyandi satu protein melalui dua tahap yaitu transkripsi dan

translasi



283

4. Transkripsi adalah proses sintesis mRNA (RNA pembawa pesan) yang terjadi

di dalam inti sel (nukleus). Proses ini terjadi melalui penyandian DNA

membentuk mRNA. Satu gen dari untai DNA akan disandi menghasilkan satu

mRNA. Proses penyandian terjadi melalui pasangan ikatan hidrogen dimana

setiap A disandi ke untai mRNA oleh U (urasil), T oleh A, G oleh C dan C olehG. Jadi untai A-T-G-C pada DNA ditranskripsikan menjadi untai mRNA U-A-

C-G.

5. Untai mRNA merupakan cetakan untuk sintesis protein, dimana setiap tiga

basa pada mRNA menyandi satu asam amino tertentu. Tiga basa penyandi

satu asam amino ini disebut dengan kodon, setiap beberapa kodon akan

menyandi satu asam amino.

6. Proses penyandian sintesis protein dari mRNA disebut translasi. Proses

translasi melibatkan mRNA sebagai cetakan, tRNA sebagai pembawa asam

amino yang memiliki antikodon untuk berpasangan dengan kodon melalui

ikatan hidrogen. Translasi akan menghasilkan satu untai polipeptida yang

akan diproses menjadi satu protein.7. Setiap asam nukleat tertentu akan menyandi satu protein tertentu. Protein

adalah senyawa yang menentukan sifat fisik dan memiliki fungsi tertentu di

dalam organisme. Dengan demikian asam nukleat adalah molekul yang

mengendalikan pembentukan protein, sehingga molekul ini merupakan

molekul yang mengendalikan kehidupan suatu organisme.

Rekayasa Genetika

Asam nukleat merupakan penyandi sintesis protein. Jika asam nukleat suatu

organisme diubah, maka sifat fisik (fenotipe) suatu organisme juga bisa mengalami

perubahan. Organisme tersebut bisa berubah menjadi lebih unggul, produktif, tahan

penyakit dll atau sebaliknya menjadi lebih rentan, tidak produktif dsb. Atas dasar haltersebut maka melalui ilmu bioteknologi, para ilmuwan telah melakukan rekayasa

pada level molekuler terhadap DNA dan telah berhasil menghasilkan organisme baru

yang terekayasa. Organisme transgenik, kloning dan teknologi DNA rekombinan

merupakan hasil dari rekayasa ini. Pengubahan DNA suatu organisme seperti

pengurangan, penyisipan atau penggantian DNA akan menghasilkan organisme baru

yang berbeda sifat dari organisme aslinya.

Penyisipan DNA asing ke dalam DNA suatu organisme merupakan teknik

yang paling banyak dilakukan. DNA asing yang menyandi suatu protein yang berguna

dapat disisipkan sehingga organisme alami (wild type) akan berubah menjadi

organisme yang terekayasa yang dapat menghasilkan protein baru. Salah satu

contoh adalah mikroba yang berhasil menghasilkan insulin karena disisipi oleh genpenyandi insulin. Tanaman dan hewan transgenik yang memiliki sifat unggul seperti

produktif, tahan hama dan sebagainya juga telah berhasil dibuat. Tanaman dan

hewan transgenik tersebut sekarang bahkan telah dikonsumsi. Berikut adalah skema

langkah-langkah teknologi DNA rekombinan dan teknik tanaman transgenik.



284

Gambar 12.9 Skema teknologi DNA Rekombinan

Secara singkat dapat dijelaskan bahwa gen asing dari suatu organisme yang

telah diketahui dapat menyandi suatu protein yang diharapkan direstriksi (dipotong)

untuk kemudian diinsersikan (disisipkan) pada suatu vektor (plasmid). Plasmid adalah

untai DNA non kromosomal yang dimiliki oleh bakteri. Plasmid yang telah diinsersi

gen asing kemudian diinsersikan ke sel bakteri kemudian diseleksi menggunakan

antibiotik tertentu dan dikloning sehingga akan diperoleh klon berupa bakteri yang

memiliki sifat baru yang lebih bermanfaat. Teknologi tanaman dan hewan transgenik

kurang lebih sama. Perbedaannya adalah setelah plasmid telah membawa gen baru

maka diinsersikan ke kromosom tanaman atau hewan sehingga akan diperoleh

tananman atau hewan baru yang lebih unggul.

PENUTUP

Diskusikan hal-hal berikut :

1. Jelaskan hunungan antara asam nukleat dengan protein!

2. Gambarkan dan jelaskan struktur umum dari DNA dan RNA!

3. Mengapa DNA yang sangat panjang (2 meter) berada pada sel yang sangat

kecil?



285

7506_Buku Ajar Kimia Kontekstual BOPTN P3 UGM

Documents

Transcript of 7506_Buku Ajar Kimia Kontekstual BOPTN P3 UGM