Asalamu'alaikum teman-teman. Tahukah kamu apa itu Karbon dioksida?
Karbon dioksida (
rumus kimia:
CO2) atau
zat asam arang adalah sejenis
senyawa kimia yang terdiri dari dua atom
oksigen yang terikat secara
kovalen dengan sebuah atom
karbon. Ia berbentuk
gas pada keadaan
temperatur dan tekanan standar dan hadir di
atmosfer bumi. Rata-rata konsentrasi karbon dioksida di atmosfer bumi kira-kira 387
ppm berdasarkan
volume [1] walaupun jumlah ini bisa bervariasi tergantung pada lokasi dan waktu. Karbon dioksida adalah
gas rumah kaca yang penting karena ia menyerap gelombang
inframerah dengan kuat.
Karbon dioksida dihasilkan oleh semua hewan, tumbuh-tumbuhan, fungi, dan mikroorganisme pada proses
respirasi dan digunakan oleh tumbuhan pada proses
fotosintesis. Oleh karena itu, karbon dioksida merupakan komponen penting dalam
siklus karbon. Karbon dioksida juga dihasilkan dari hasil samping pembakaran
bahan bakar fosil. Karbon dioksida
anorganik dikeluarkan dari
gunung berapi dan proses
geotermal lainnya seperti pada
mata air panas.
Karbon dioksida tidak mempunyai bentuk cair pada tekanan di bawah 5,1
atm namun langsung menjadi padat pada temperatur di bawah -78 °C. Dalam bentuk padat, karbon dioksida umumnya disebut sebagai
es kering.
CO
2 adalah
oksida asam. Larutan CO
2 mengubah warna
litmus dari biru menjadi merah muda.
Sifat-sifat kimia dan fisika
Diagram fase tekanan-temperatur karbon dioksida yang memperlihatkan
titik tripel karbon dioksida
Karbon dioksida adalah gas yang tidak berwarna dan tidak berbau.
Ketika dihirup pada konsentrasi yang lebih tinggi dari konsentrasi
karbon dioksida di atmosfer, ia akan terasa asam di mulut dan mengengat
di hidung dan tenggorokan. Efek ini disebabkan oleh pelarutan gas di
membran mukosa dan
saliva, membentuk larutan
asam karbonat yang lemah. Sensasi ini juga dapat dirasakan ketika seseorang bersendawa setelah meminum air
berkarbonat (misalnya
Coca Cola).
Konsentrasi yang lebih besar dari 5.000 ppm tidak baik untuk kesehatan,
sedangkan konsentrasi lebih dari 50.000 ppm dapat membahayakan
kehidupan hewan.
[2]
Pada keadaan
STP, rapatan karbon dioksida berkisar sekitar 1,98 kg/m³, kira kira 1,5 kali lebih berat dari
udara. Molekul karbon dioksida (O=C=O) mengandung dua
ikatan rangkap yang berbentuk linear. Ia tidak bersifat
dipol. Senyawa ini tidak begitu
reaktif dan tidak mudah terbakar, namun bisa membantu pembakaran logam seperti
magnesium.
Pelet kecil dari es kering yang menyublim di udara.
Struktur kristal es kering
Pada suhu −78,51°
C, karbon dioksida langsung
menyublim menjadi padat melalui proses
deposisi. Bentuk padat karbon dioksida biasa disebut sebagai "
es kering". Fenomena ini pertama kali dipantau oleh seorang kimiawan Perancis,
Charles Thilorier,
pada tahun 1825. Es kering biasanya digunakan sebagai zat pendingin
yang relatif murah. Sifat-sifat yang menyebabkannya sangat praktis
adalah karbon dioksida langsung menyublim menjadi gas dan tidak
meninggalkan cairan. Penggunaan lain dari es kering adalah untuk
pembersihan sembur.
Cairan kabon dioksida terbentuk hanya pada tekanan di atas 5,1 atm;
titik tripel karbon dioksida kira-kira 518
kPa pada −56,6 °C (Silakan lihat diagram fase di atas).
Titik kritis karbon dioksida adalah 7,38 MPa pada 31,1 °C.
[3]
Terdapat pula bentuk
amorf karbon dioksida yang seperti kaca, namun ia tidak terbentuk pada tekanan atmosfer.
[4] Bentuk kaca ini, disebut sebagai
karbonia, dihasilkan dari
pelewatbekuan CO
2 yang terlebih dahulu dipanaskan pada tekanan ekstrem (40-48
GPa atau kira-kira 400.000 atm) di
landasan intan.
Penemuan ini mengkonfirmasikan teori yang menyatakan bahwa karbon
dioksida bisa berbentuk kaca seperti senyawa lainnya yang sekelompok
dengan karbon, misalnya
silikon dan
germanium.
Tidak seperti kaca silikon dan germanium, kaca karbonia tidak stabil
pada tekanan normal dan akan kembali menjadi gas ketika tekanannya
dilepas.
Sejarah pemahaman manusia
Pada abad ke-17, seorang kimiawan
Fleming,
Jan Baptist van Helmont, menemukan bahwa
arang
yang dibakar pada bejana tertutup akan menghasilkan abu yang massanya
lebih kecil dari massa arang semula. Dia berkesimpulan bahwa sebagian
arang tersebut telah ditransmutasikan menjadi zat yang tak terlihat, ia
menamakan zat tersebut sebagai "gas" atau
spiritus sylvestre (Bahasa Indonesia: arwah liar).
Sifat-sifat karbon dioksida dipelajari lebih lanjut pada tahun 1750 oleh fisikawan Skotlandia
Joseph Black. Dia menemukan bahwa
batu kapur (
kalsium karbonat) dapat dibakar atau diberikan
asam dan menghasilkan gas yang dia namakan sebagai
"fixed air". Dia juga menemukan bahwa gas ini lebih berat daripada udara dan ketika digelembungkan dalam larutan kapur (
kalsium hidroksida) akan
mengendapkan
kalsium karbonat. Dia menggunakan fenomena ini untuk mengilustrasikan
bahwa karbon dioksida dihasilkan dari pernapasan hewan dan fermentasi
mikrob. Pada tahun 1772, seorang kimiawan Inggris
Joseph Priestley mempublikasikan sebuah jurnal yang berjudul
Impregnating Water with Fixed Air. Dalam jurnal tersebut, dia menjelaskan proses penetesan
asam sulfat (atau
minyak vitriol
seperti yang Priestley sebut) ke kapur untuk menghasilkan karbon
dioksida dan memaksa gas itu untuk larut dengan menggoncangkan semangkuk
air yang berkontak dengan gas.
[5]
Karbon dioksida pertama kali dicairkan (pada tekanan tinggi) pada tahun 1823 oleh
Humphry Davy dan
Michael Faraday.
[6] Deskripsi pertama mengenai karbon dioksida padat dilaporkan oleh
Charles Thilorier
ketika pada tahun 1834 dia membuka kontainer karbon dioksida cair yang
diberikan tekanan dan menemukan pendinginan tersebut menghasilkan
penguapan yang menghasilkan "salju" CO
2 padat.
[7]
Isolasi
Karbon dioksida bisa kita dapatkan dengan
distilasi udara. Namun cara ini hanya menghasilkan CO
2
yang sedikit. Berbagai jenis reaksi kimia dapat menghasilkan karbon
dioksida, seperti reaksi pada kebanyakan asam dengan karbonat logam.
Reaksi antara
asam sulfat dengan kalsium karbonat adalah:
- H2SO4 + CaCO3 → CaSO4 + H2CO3
H2CO3 kemudian terurai menjadi air dan CO
2. Reaksi ini diikuti dengan pembusaan atau penggelembungan.
Pembakaran dari semua bahan bakar yang mengandung karbon, seperti
metana (
gas alam), distilat minyak bumi (
bensin,
diesel,
minyak tanah,
propana), arang dan kayu akan menghasilkan karbon dioksida. Sebagai contohnya reaksi antara metana dan oksigen:
- CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
Besi direduksi dari oksida besi dengan
kokas pada
tungku sembur, menghasilkan
pig iron dan karbon dioksida:
- 2 Fe2O3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO2
Khamir mencerna
gula dan menghasilkan karbon dioksida beserta
etanol pada proses pembuatan anggur, bir, dan spiritus lainnya:
- C6H12O6 → 2 CO2 + 2 C2H5OH
Semua organisme aerob menghasilkan
CO2 dalam proses pembakaran
karbohidrat,
asam lemak,
dan protein pada mitokondria di dalam sel. Reaksi-reaksi yang terlibat
dalam proses pembakaran ini sangatlah rumit dan tidak bisa dijelaskan
dengan mudah. (Lihat pula:
respirasi sel,
respirasi anaerob, dan
fotosintesis).
Karbon dioksida
larut dalam air dan secara spontan membentuk
H2CO3 (
asam karbonat) dalam kesetimbangan dengan
CO2. Konsentrasi relatif antara
CO2, H2CO3, dan
HCO3− (
bikarbonat) dan
CO32−(
karbonat) bergantung pada kondisi
pH
larutan. Dalam air yang bersifat netral atau sedikit basa (pH >
6,5), bentuk bikarbonat mendominasi (>50%). Dalam air yang bersifat
basa kuat (pH > 10,4), bentuk karbonat mendominasi. Bentuk karbonat
dan bikarbonat memiliki kelarutan yang sangat baik. Dalam air laut
(dengan pH = 8,2 - 8,5), terdapat 120 mg bikarbonat per liter.
Produksi dalam skala industri
Karbon dioksida secara garis besar dihasilkan dari enam proses:
[8]
- Sebagai hasil samping dari pengilangan ammonia dan hidrogen, di mana metana dikonversikan menjadi CO2.
- Dari pembakaran kayu dan bahan bakar fosil;
- Sebagai hasil samping dari fermentasi gula pada proses peragian bir, wiski, dan minuman beralkohol lainnya;
- Dari proses penguraian termal batu kapur, CaCO3;
- Sebagai produk samping dari pembuatan natrium fosfat;
- Secara langsung di ambil dari mata air yang karbon dioksidanya dihasilkan dari pengasaman air pada batu kapur atau dolomit.
Di atomosfer bumi
Karbon dioksida di
atmosfer bumi dianggap sebagai
gas kelumit dengan konsentrasi sekitar 385 ppm berdasarkan volume dan 582 ppm berdasarkan massa. Massa
atmosfer bumi adalah 5,14×10
18 kg
[9], sehingga massa total karbon dioksida atmosfer adalah 3,0×10
15
kg (3.000 gigaton). Konsentrasi karbon dioksida bervariasi secara
musiman (lihat grafik di samping). Di wilayah perkotaan, konsentrasi
karbon dioksida secara umum lebih tinggi, sedangkan di ruangan tertutup,
ia dapat mencapai 10 kali lebih besar dari konsentrasi di atmosfer
terbuka.
Karbon dioksida adalah
gas rumah kaca. Lihat
Efek rumah kaca untuk informasi lebih lanjut.
Peningkatan tahunan CO
2 atmosfer: Rata-rata peningkatan tahunan pada tahun 1960-an adalah 37% dari rata-rata peningkatan tahunan tahun 2000-2007.
[10]
Oleh karena aktivitas manusia seperti pembakaran
bahan bakar fosil dan
penggundulan hutan, konsentrasi karbon dioksida di atmosfer telah meningkat sekitar 35% sejak dimulainya
revolusi industri.
[11] Pada tahun 1999, 2.244.804.000 ton
CO2 dihasilkan di Amerika Serikat dari pembangkitan energi listrik. Laju pengeluaran ini setara dengan 0,6083 kg per kWh.
[12]
Lima ratus juta tahun yang lalu, keberadaan karbon dioksida 20 kali
lipat lebih besar dari yang sekarang dan menurun 4-5 kali lipat semasa
periode
Jura dan secara lambat menurun sampai dengan
revolusi industri.
[13][14]
Sampai dengan 40% dari gas yang dimuntahkan oleh
gunung berapi semasa ledakan subaerial adalah karbon dioksida.
[15] Menurut perkiraan paling canggih, gunung berapi melepaskan sekitar 130-230 juta ton
CO2
ke atmosfer setiap tahun. Karbon dioksida juga dihasilkan oleh mata air
panas, seperti yang terdapat di situs Bossoleto dekat Terme Rapolano di
Toscana, Italia. Di sini, di depresi yang berbentuk mangkuk dengan
diameter kira-kira 100 m, konsentrasi
CO2
setempat meningkat sampai dengan lebih dari 75% dalam semalam, cukup
untuk membunuh serangga-serangga dan hewan yang kecil, namun menghangat
dengan cepat ketika cahaya matahari memancar dan berbaur secara konveksi
semasa pagi hari.
[16] Konsentrasi setempat
CO2 yang tinggi yang dihasilkan oleh gangguan air danau dalam yang jenuh dengan
CO2 diduga merupakan akibat dari terjadinya 37 kematian di
Danau Moboun,
Kamerun pada 1984 dan 1700 kematian di
Danau Nyos, Kamerun.
[17] Namun, emisi
CO2
yang diakibatkan oleh aktivitas manusia sekarang adalah 130 kali lipat
lebih besar dari kuantitas yang dikeluarkan gunung berapi, yaitu sekitar
27 milyar ton setiap tahun.
[18]
Di samudera
Terdapat sekitar 50 kali lebih banyak karbon yang terlarut di dalam samudera dalam bentuk
CO2 dan hidrasi
CO2 daripada yang terdapat di atmosfer. Samudera berperan sebagai
buangan karbon raksasa dan telah menyerap sekitar sepertiga dari emisi
CO2 yang dihasilkan manusia."
[19]
Secara umum, kelarutan akan berkurang ketika temperatur air bertambah.
Oleh karena itu, karbon dioksida akan dilepaskan dari air samudera ke
atmosfer ketika temperatur samudera meningkat.
Kebanyakan
CO2 yang berada di
samudera berbentuk asam karbonat. Sebagian dikonsumsi oleh organisme air
sewaktu fotosintesis dan sebagain kecil lainnya tenggelam dan
meninggalkan siklus karbon. Terdapat kekhawatiran meningkatnya
konsentrasi
CO2 di udara akan
meningkatkan keasaman air laut, sehiggga akan menimbulkan efek-efek yang
merugikan terhadap organisme-organisme yang hidup di air.
Peranan biologis
Karbon dioksida adalah hasil akhir dari organisme yang mendapatkan energi dari penguraian gula, lemak, dan
asam amino dengan
oksigen sebagai bagian dari
metabolisme dalam proses yang dikenal sebagai
respirasi sel.
Hal ini meliputi semua tumbuhan, hewan, kebanyakan jamur, dan beberapa
bakteri. Pada hewan tingkat tinggi, karbon dioksida mengalir di darah
dari jaringan tubuh ke paru-paru untuk dikeluarkan. Pada
tumbuh-tumbuhan, karbon dioksida diserap dari atmosfer sewaktu
fotosintesis.
Peranan pada fotosintesis
Tumbuh-tumbuhan mengurangi kadar karbon dioksida di atomosfer dengan melakukan fotosintesis, disebut juga sebagai
asimilasi karbon,
yang menggunakan energi cahaya untuk memproduksi materi organik dengan
mengkombinasi karbon dioksida dengan air. Oksigen bebas dilepaskan
sebagai gas dari penguraian molekul air, sedangkan hidrogen dipisahkan
menjadi proton dan elektron, dan digunakan untuk menghasilkan energi
kimia via
fotofosforilasi. Energi ini diperlukan untuk fiksasi karbon dioksida pada
siklus Kalvin untuk membentuk gula. Gula ini kemudian digunakan untuk pertumbuhan tumbuhan melalui repirasi
Walaupun terdapat lubang angin, karbon dioksida haruslah dimasukkan
ke dalam rumah kaca untuk menjaga pertumbuhan tanaman oleh karena
konsentrasi karbon dioksida dapat menurun selama siang hari ke level 200
ppm. Tumbuhan memiliki potensi tumbuh 50 persen lebih cepat pada
konsentrasi
CO2 sebesar 1.000 ppm.
[20]
Tumbuh-tumbuhan juga mengeluarkan
CO2 selama pernapasan, sehingga tumbuhan yang berada pada tahap pertumbuhan sajalah yang merupakan penyerap bersih
CO2. Sebagai contoh, hutan tumbuh akan menyerap berton-ton
CO2 setiap tahunnya, namun hutan matang akan menghasilkan
CO2 dari pernapasan dan dekomposisi sel-sel mati sebanyak yang dia gunakan untuk biosintesis tumbuhan.
[21] Walaupun demikian, hutan matang jugalah penting sebagai
buangan karbon, membantu menjaga keseimbangan atmosfer bumi. Selain itu, fitoplankton juga menyerap
CO2 yang larut di air laut, sehingga mempromosikan penyerapan
CO2 dari atmosfer.
[22]
Toksisitas
Kandungan karbon dioksida di udara segar bervariasi antara 0,03% (300ppm) sampai dengan 0,06% (600 ppm) bergantung pada lokasi.
Menurut Otoritas Keselamatan Maritim Australia, "Paparan
berkepanjangan terhadap konsentrasi karbon dioksida yang sedang dapat
menyebabkan asidosis dan efek-efek merugikan pada metabolisme kalsium
fosforus yang menyebabkan peningkatan endapan kalsium pada jaringan
lunak. Karbon dioksida beracun kepada jantung dan menyebabkan menurunnya
gaya kontraktil. Pada konsentrasi tiga persen berdasarkan volume di
udara, ia bersifat narkotik ringan dan menyebabkan peningkatan tekanan
darah dan denyut nadi, dan menyebabkan penurunan daya dengar. Pada
konsentrasi sekitar lima persen berdasarkan volume, ia menyebabkan
stimulasi pusat pernapasan, pusing-pusing, kebingungan, dan kesulitan
pernapasan yang diikuti sakit kepala dan sesak napas. Pada konsentrasi
delapan persen, ia menyebabkan sakit kepala, keringatan, penglihatan
buram, tremor, dan kehilangan kesadaran setelah paparan selama lima
sampai sepuluh menit."
[23]
Oleh karena bahaya kesehatan yang diasosiasikan dengan paparan karbon
dioksida, Administrasi Kesehatan dan Keselamatan Kerja Amerika Serikat
menyatakan bahwa paparan rata-rata untuk orang dewasa yang sehat selama
waktu kerja 8 jam sehari tidak boleh melebihi 5.000 ppm (0,5%). Batas
aman maksimum untuk balita, anak-anak, orang tua, dan individu dengan
masalah kesehatan kardiopulmonari (jatung dan paru-paru) secara
signifikan lebih kecil. Untuk paparan dalam jangka waktu pendek (di
bawah 10 menit), batasan dari Institut Nasional untuk Kesehatan dan
Keamanan Kerja Amerika Serikat (NIOSH) adalah 30.000 ppm (3%). NIOSH
juga menyatakan bahwa konsentrasi karbon dioksida yang melebihi 4%
adalah langsung berbahaya bagi keselamatan jiwa dan kesehatan.
[24]
Adaptasi terhadap peningkatan kadar
CO2 dapat terjadi pada manusia. Inhalasi
CO2
yang berkelanjutan dapat ditoleransi pada konsentrasi inspirasi tiga
persen paling sedikit selama satu bulan dan empat persen konsentrasi
insiparsi selama lebih dari satu minggu. Diajukan juga bahwa konsentrasi
insipirasi sebesar 2,0 persen dapat digunakan untuk ruangan tertutup
(seperti
kapal selam)
oleh karena adaptasi ini bersifat fisiologis dan reversibel. Penurunan
kinerja atau pada aktivitas fisik yang normal tidak terjadi pada tingkat
konsentrasi ini.
[25][26]
Gambaran-gambaran ini berlaku untuk karbon dioksida murni. Dalam
ruangan tertutup yang dipenuhi orang, konsentrasi karbondioksida akan
mencapai tingkat yang lebih tinggi daripada konsentrasi di udara bebas.
Konsentrasi yang lebih besar dari 1.000 ppm akan menyebabkan
ketidaknyamanan terhadap 20% penghuni dan ketidaknyamanan ini akan
meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi
CO2. Ketidaknyamanan ini diakibatkan oleh gas-gas yang dikeluarkan sewaktu pernapasan dan keringatan manusia, bukan oleh
CO2.
Pada konsentrasi 2.000 ppm, mayoritas penghuni akan merasakan
ketidaknyamanan yang signifikan dan banyak yang akan mual-mual dan sakit
kepala. Konsentrasi
CO2 antara 300 ppm sampai dengan 2.500 ppm digunakan sebagai indikator kualitas udara dalam ruangan.
Keracunan karbon dioksida akut dikenal sebagai
lembap hitam. Para
penambang
biasanya akan membawa sesangkar burung kenari ketika mereka sedang
bekerja untuk memperingati mereka ketika kadar karbon dioksida mencapat
tingkat yang berbahaya. Burung kenari akan terlebih dahulu mati sebelum
kadar
CO2 mencapai tingkat yang berbahaya untuk manusia. Karbon dioksida menyebabkan kematian yang luas di
Danau Nyos di
Kamerun pada tahun 1996.
[27] Karbon dioksida yang lebih berat yang dikeluarkan mendorong oksigen keluar, menyebabkan kematian hampir 2000 orang.
Fisiologi manusia
CO2 diangkut di darah dengan tiga cara yang berbeda:
CO2 + H
2O → H
2CO
3 → H
+ + HCO
3−.
Hemoglobin, molekul pengangkut oksigen yang utama pada
sel darah merah, mengangkut baik oksigen maupun karbon dioksida. Namun
CO2
yang diangkut hemoglobin tidak terikat pada tempat yang sama dengan
oksigen. Ia bergabung dengan gugus terminal-N pada empat rantai globin.
Namun, karena efek
alosterik pada molekul hemoglobin, pengikatan
CO2
mengurangi jumlah oksigen yang dapat diikat. Penurunan pengikatan
karbon dioksida oleh karena peningkatan kadar oksigen dikenal sebagai
efek Haldane dan penting dalam traspor karbon dioksida dari jaringan ke paru-paru. Sebaliknya, peningkatan tekanan parsial
CO2 atau penurunan pH akan menyebabkan pelepasan oksigen dari hemoglobin, dikenal sebagai
efek Bohr
Karbon dioksida adalah salah satu mediator
autoregulasi setempat suplai darah. Apabila kadar karbon dioksidanya tinggi,
kapiler akan mengembang untuk mengijinkan arus darah yang lebih besar ke jaringan yang dituju.
Ion bikarbonat sangatlah penting dalam meregulasi pH darah. Laju pernapasan seseorang dipengaruhi oleh kadar
CO2 dalam darahnya. Pernapasan yang terlalu lambat akan menyebabkan
asidosis pernapasan, sedangkan pernapasan yang terlalu cepat akan menimbulkan
hiperventilasi yang bisa menyebabkan
alkalosis pernapasan.
Walaupun tubuh memerlukan oksigen untuk metabolisme, kadar oksigen
yang rendah tidak akan menstimulasi pernapasan. Sebaliknya pernapasan
distimulasi oleh kadar karbon dioksida yang tinggi. Akibatnya, bernapas
pada udara bertekanan rendah atau campuran gas tanpa oksigen (seperti
nitrogen murni) dapat menyebabkan kehilangan kesadaran. Hal ini
sangatlah berbahaya bagi pilot tempur. Ini juga adalah alasan mengapa
penumpang pesawat diinstruksikan untuk memakai masker oksigen ke dirinya
sendiri terlebih dahulu sebelum membantu orang lain ketika tekanan
kabin berkurang, jika tidak maka terjadi risiko tidak sadarkan diri.
[28]
Menurut salah satu kajian dari
Departemen Pertanian Amerika Serikat, pernapasan orang pada umumnya menghasilkan kira-kira 450 liter (sekitar 900 gram) karbon dioksida perhari.
[29]