Menyaksikan Gerakan Elektron dalam Molekul Selama Reaksi Kimia

Sebuah kelompok riset yang dipimpin ETH Zurich, untuk pertama kalinya, berhasil memvisualisasikan gerakan elektron selama reaksi kimia. Temuan baru dalam percobaan yang sangat penting dan fundamental bagi fotokimia ini juga bisa membantu dalam desain sel surya menjadi lebih efisien.

Pada tahun 1999, Ahmed Zewail dianugerahi nobel dalam bidang kimia untuk studi reaksi kimia dengan menggunakan pulsa laser ultra-singkat. Zewail bisa menyaksikan gerakan atom, dan dengan demikian bisa memvisualisasikan keadaan transisi pada tingkat molekuler. Mampu menyaksikan dinamika elektron tunggal masih dianggap mimpi pada masa itu. Berkat perkembangan terbaru dalam teknologi laser dan penelitian dalam bidang spektroskopi attosecond (1 attosecond = 10^?18 detik) penelitian ini telah berkembang pesat. Untuk pertama kalinya, Prof. Hans Jakob Wörner dari Laboratorium Kimia Fisik di ETH Zurich, bersama rekan-rekan dari Kanada dan Perancis, mampu merekam gerakan elektronik selama reaksi kimia. Percobaan ini dideskripsikan dalam edisi terbaru Science.

Tim peneliti menyinari molekul nitrogen dioksida (NO₂) dengan pulsa ultraviolet yang sangat singkat. Selanjutnya, molekul mengambil energi dari pulsa yang mengatur elektron dalam gerakan. Elektron-elektron itu mulai menata ulang diri mereka sendiri, yang menyebabkan awan elektron berosilasi di antara dua bentuk yang berbeda dalam waktu yang sangat singkat, sebelum molekul mulai bergetar dan akhirnya terurai menjadi oksida nitrat dan sebuah atom oksigen.

Titik Potong Kerucut

Nitrogen dioksida memiliki karakter model yang berkenaan dengan pemahaman gerakan elektronik. Dalam molekul NO₂, dua keadaan elektron dapat memiliki energi yang sama untuk sebuah geometri tertentu – umumnya digambarkan sebagai titik potong kerucut. Titik potong kerucut sangat penting bagi fotokimia dan sering terjadi dalam proses kimia alami yang disebabkan oleh cahaya. Titik potong kerucut bekerja seperti saklar tukik. Misalnya, jika retina mata manusia disinari cahaya, elektron mulai bergerak, dan molekul retina mengubah bentuknya, yang akhirnya mengubah informasi cahaya menjadi informasi listrik bagi otak manusia. Aspek khusus tentang titik potong kerucut adalah bahwa gerakan elektron ditransfer menjadi gerakan atom yang sangat efisien.

Memotret elektron

Dalam artikel sebelumnya, Hans Jakob Wörner telah mempublikasikan bagaimana spektroskopi attosecond dapat digunakan untuk menyaksikan gerakan elektron. Pulsa ultraviolet lemah pertama mengatur elektron agar bergerak. Pulsa inframerah kuat kedua kemudian menghilangkan elektron dari molekul, mempercepat dan mendorongnya kembali ke molekul. Akibatnya, sebuah pulsa cahaya attosecond terpancarkan, membawa sebuah potret distribusi elektron dalam molekul. Wörner mengilustrasikan prinsip spektroskopi attosecond sebagai berikut: “Percobaan ini dapat dibandingkan dengan foto-foto, misalnya, gambar peluru yang ditembakkan melalui apel. Peluru itu akan terlalu cepat bagi penutup kamera, sehingga menghasilkan gambar yang buram. Dengan demikian, penutupnya dibiarkan terbuka dan gambar diterangi dengan cahaya berkedip, yang lebih cepat daripada peluru. Begitulah cara kami memperoleh potret tersebut.”

Dari percobaan hingga ke sel surya

Ketika elektron kembali ke molekul, ia melepaskan energi dalam bentuk cahaya. Dalam percobaan, Wörner dan rekan-rekannya mengukur cahaya elektron sehingga dapat menyimpulkan informasi rinci tentang distribusi elektron dan evolusinya seiring waktu. Informasi ini mengungkap rincian mekanisme reaksi kimia yang tidak bisa diakses pada sebagian besar teknik-teknik eksperimental sebelumnya. Percobaan pada NO₂ membantu memahami proses-proses fundamental dalam molekul dan merupakan ekstensi ideal bagi simulasi komputer untuk proses fotokimia: “Apa yang membuat percobaan kami begitu penting adalah, hal ini memverifikasi model teoritis,” kata Wörner. Kepentingan besar dalam proses fotokimia tidaklah mengejutkan, sebagaimana area penelitian ini bertujuan untuk pengembangan sel surya dan membuat fotosintesis buatan menjadi hal yang mungkin.

Bahan Bakar Fosil

Minyak bumi, gas alam, dan batu bara dikatakan sebagai bahan bakar fosil karena pada dasarnya mereka memang fosil. Bahan bakar fosil terbentuk lewat proses alamiah berupa pembusukan dari organisme yang mati ratusan juta tahun lalu. Dinosaurus, pepohonan, dan hampir semua mahluk hidup yang mati, terendapkan di tanah, dan sekarang telah menjadi minyak bumi, gas alam, atau batu bara. Gas alam berbentuk gas, minyak bumi berbentuk cair, dan batu bara berbentuk padat. Perbedaan wujud mereka disebabkan perbedaan pada tekanan dan panas yang mereka terima di perut bumi selama jutaan tahun.

Bahan bakar fosil adalah sumberdaya tak terbarukan karena perlu jutaan tahun untuk terbentuk, dan sumber yang ada lebih cepat habis ketimbang terbentuk yang baru. Produksi dan pemakaian bahan bakar fosil menyebabkan masalah-masalah lingkungan. Gerakan global menuju pembangkitan energi terbarukan dilakukan untuk membantu memenuhi meningkatkanya kebutuhan energi.

Ada banyak jenis senyawa hidrokarbon atau terbarukan dalam campuran bahan bakar tertentu. Campuran khusus hidrokarbon memberi sebuah bahan bakar sifat karakteristiknya, seperti titik didih, titik beku, kepadatan, kekentalan, dsb. Sebagian bahan bakar seperti gas alam, misalnya, mengandung komponen gas dengan titik didih yang sangat rendah. Yang lain seperti bensin dan diesel mengandung komponen dengan titik didih lebih tinggi.

Bahan bakar fosil itu penting karena bila dibakar (dioksidasi menjadi karbon dioksida dan air) akan menghasilkan energi yang besar per satuan berat. Penggunaan batu bara sebagai bahan bakar sudah dilakukan di masa prasejarah. Batu bara digunakan untuk menjalankan tungku pencairan bijih logam. Hidrokarbon setengah padat juga telah digunakan semenjak zaman kuno, namun bahan ini umumnya dipakai untuk bahan anti air dan balsem.

Minyak mentah berat, yang lebih kental dari minyak mentah biasa, dan pasir aspal yang merupakan campuran bitumen dengan pasir dan tanah liat, menjadi sumber bahan bakar fosil yang penting. Landas minyak dan bahan sejenis adalah batuan endapan yang mengandung kerogen, sebuah campuran kompleks senyawa organik dengan berat molekul besar, yang menghasilkan minyak mentah sintetis ketika dipanaskan (pirolisis). Bahan ini belum dieksploitasi secara komersial untuk saat ini. Bahan bakar ini dapat digunakan untuk mesin pembakaran internal, pembangkit listrik bahan bakar fosil, dan kegunaan lain.

Penggunaan Bahan Bakar Fosil

Pada paruh terakhir abad ke 18, kincir angin dan air memberi energi untuk menggiling tepung, menggergaji kayu, atau memompa sementara kayu atau gambut digunakan untuk memberikan pemanasan di musim dingin. Penggunaan bahan bakar fosil secara luas diawali oleh batu bara dan kemudian minyak bumi, untuk mentenagai mesin uap memungkinkan revolusi industri. Pada saat yang sama, cahaya gas menggunakan gas alam atau gas batu bara menjadi luas. Penemuan mesin pembakaran internal dan penggunaannya pada mobil dan truk meningkatkan kebutuhan bensin dan disel, keduanya dibuat dari bahan bakar fosil. Alat transportasi lain, kereta api dan pesawat, juga membutuhkan bahan bakar fosil. Penggunaan bahan bakar fosil lainnya mencakup pembangkitan listrik dan industri biokimia. Aspal, sisa dari ekstraksi minyak bumi, digunakan untuk membangun jalan.

Saat ini di dunia terdapat persediaan batu bara sebesar 905 miliar metrik ton yang setara dengan 4416 miliar barel (702.1 km3) minyak bumi. Sementara itu persediaan minyak bumi sendiri adalah 1119 miliar barel (177,9 km3) hingga 1317 miliar barel (209,4 km3). Gas alam lebih sedikit, yaitu hanya 175-181 triliun meter kubik, atau setara 1161 miliar barel minyak bumi.

Produksi harian bahan bakar fosil pada tahun 2006 adalah sebagai berikut:

Batu bara diproduksi 52 juta barel ekuivalen minyak per hari.

Minyak bumi diproduksi 84 juta barel per hari

Gas alam diproduksi 19 juta barel ekuivalen minyak per hari.

Saat ini diduga cadangan minyak dunia hanya cukup untuk 34 tahun lagi (per 2011). Sementara gas alam tinggal 52 tahun dan batu bara masih cukup untuk 139 tahun ke depan.

Dampak Lingkungan

Di Amerika Serikat, lebih dari 90% emisi gas rumah kaca datang dari pembakaran bahan bakar fosil. Pembakaran bahan bakar fosil juga menghasilkan pencemar lain, seperti nitrogen oksida, sulfur dioksida, senyawa organik berbau, dan logam berat.

Di Kanada, sektor listrik adalah sektor industri yang unik karena kontribusi emisinya yang sangat besar pada semua isu udara. Pembangkitan listrik menghasilkan sejumlah besar nitrogen oksida dan sulfur dioksida, yang menyebabkan kabut dan hujan asam serta terbentuknya materi bubuk halus. Ia merupakan sumber industri yang paling tidak terkendali dalam menghasilkan pencemaran raksa di Kanada. Pembangkit listrik berbahan bakar fosil juga memancarkan karbon dioksida yang menyumbang pada perubahan iklim. Selain itu, sektor ini berpengaruh besar pada air dan habitat serta spesies. Bendungan dan jalur transmisi berpengaruh nyata pada air dan keanekaragaman hayati. Menurut ilmuan AS Jerry Mahlman, secara ilmiah 99% pasti kalau bahan bakar fosil menjadi penyebab utama pemanasan global.

Pembakaran bahan bakar fosil menghasilkan asam sulfat, karbonik, dan nitrik, yang jatuh ke Bumi sebagai hujan asam, mempengaruhi daerah alamiah dan lingkungan buatan. Monumen dan pahatan yang dibuat dari pualam dan batu kapur rentan terhadapnya karena asam melarutkan kalsium karbonat.

Bahan bakar fosil juga mengandung bahan radioaktif, terutama uranium dan thorium, yang dilepaskan ke atmosfer. Tahun 2000, sekitar 12 ribu ton thorium dan 5 ribu ton uranium telah dilepaskan dari pembakaran batu bara di dunia. Diperkirakan kalau tahun 1982, pembakaran batu bara oleh AS telah melepaskan 155 kali lebih banyak radioaktif ke atmosfer ketimbang insiden Three Mile Island. Walau begitu, radioaktivitas dari pembakaran batu bara ini sangat kecil dalam tiap sumber dan tidak memiliki dampak yang nyata pada fisiologi manusia.

Pembakaran batu bara menyebabkan sejumlah besar abu dasar dan abu terbang. Bahan ini digunakan dalam berbagai jenis penerapan industri yang bahkan mencakup 40% produksi AS. Mantan direktur CIA, James Woolsey, menggariskan argumen keamanan nasional untuk segera berpindah dari bahan bakar fosil.

Sumber: Wikipedia. Fossil Fuel.

Field Trip: Menjelajahi Gelapnya Goa Pindul

Tas-tas masih tergeletak di depan bus, begitu pula dengan pemiliknya. Semuanya sudah bersiap-siap di halaman kampus. Hawa dingin yang menelanjangi kampus IAIN Cirebon membawa kami tak sabar untuk segera pemberangkatan. Jumat malam, 26 April 2014, sekitar pukul 09:00, setelah menunggu beberapa lama akhirnya yang ditunggu-tunggu tiba, memulai pemberangkatan dan mengemas barang-barang bawaan kami.

Akan tetapi, sebelum pemberangkatan, terlebih dahulu adanya pengarahan dari pembina (dosen) dan panitia, karena sudah seharusnya pengarahan ini dilakukan untuk persiapan ketika sampai di tempat tujuan. Ya, tempat tujuan kami tak lain adalah ke kota pendidikan. Sebuah tugas praktikum lapangan yang wajib dilakukan oleh mahasiswa Tadris IPA Biologi IAIN Syekh Nurjati Cirebon. Ini merupakan kali pertama di tahun akademik 2013-2014 kususnya semester 2. Tempat tujuan pertama kmai adalah ke Goa Pindul. Untuk sampai ke sana, kami menggunakan tiga bus, masing-masing berisi kelas biologi A, B dan C. Dan beberapa dosen serta asisten praktikum.

Sebelum pemberangkatan, tak lepas kami berdoa untuk keselamatan agar tiba selamat ke tempat. Mobil telah malaju, terus melaju membelah dinginnya kota Cirebon yang kian menjauh, diiringi harapan dan penasaran. Seperti apa goa pindul itu? Ada apa di dalamnya? pertannyaan itu terkadang menggantung di pikiran kami. Bagi yang belum pernah ke sana! Alunan musik dan udara dingin AC di dalam bus menemani kami dalam perjalanan. Hingga terlelap tidur.

***

Jadwal yang seharusnya sampai ke Goa Pindul pukul tujuh pagi, tampaknya tak sesuai rencana. Entahlah! Mungkin akibat perjalanan yang sedikit dalam kemacetan, atau laju mobil yang terlalu pelan, atau ketika pemberangkatan terlalup larut malam. Akan tetapi, tak sedikit masalah bagi kami, yang penting sampai dalam keadaan selamat. Jam menunjukan pukul lima pagi, untuk sampai ke Goa Pindul sekitar memerlukan waktu tiga jam lagi. Kami mencari masjid untuk melaksanakan shalat subuh. Setelah itu, perjalanan dilanjutkan kembali.

Rasa lelah semalaman duduk di bus sepertinya akan terbayar sudah ketika kami sudah melihat sinyal-sinyal Goa Pindul sudah dekat. Di mana spanduk-spanduk yang membuat kami penasaran itu terbentang di samping jalan-jalan. Alhamdulillah, sekitar pukul sembilan, akhirnya kami tiba di kawasan wisata Goa Pundul. Wisata ini terletak di Dusun Gelaran I, Desa Bejiharjo, Karangmojo, Gunungkidul, Yogyakarta. Masih terletak di sebelah selatan Yogyakarta.

Sesampai di sana, terlebih dahulu meluangkan waktu untuk istirahat meluruskan tulang-tulang yang kian bengkok ini, dan dilanjutkan dengan sarapan. Sebelum menjelajahi Goa Pindul, terlebih dahulu memakai pelampung dan ban untuk keselamatan, dan yang lebih terpenting adalah di bimbingan oleh beberapa pemandu. Untuk sampai ke kawasan Goa Pindul, nampaknya harus berjalan lagi. Dengan kondisi tanjakan dan banyak kerikil. Walau panas terik, tak menjadi penghalang bagi kami. Semangat kami jauh lebih besar.

Setelah tiba di tempat start, kami langsung menurunkan ban ke air yang dibawa masing-masing untuk menahan beban kami. Bila dilihat, untuk menyeburkan ke sungai harus menunggu antrian karena banyaknya para wisatawan, termasuk kami, mahasiswa IAIN Cirebon! belum lagi para wisatawan yang kian berdatangan. Sempat macet! bahkan untuk memasuki Goa Pindul, bisa menunggu beberapa menit.

Ketika sudah berada dalam permukaan sungai, dengan tubuh sudah dilapisi pelampung dan ditahan oleh ban besar, hal yang penting agar tidak terpisah adalah saling memegang tali ban satu sama lainnya. Kedalaman sungai kecil goa ini hingga 1-10 meter.

***

Gelap. Gema suara. Tetesan air. Itulah yang kami rasakan ketika berada di dalam goa. Hanya beberapa sorot cahaya senter oleh para pemandu. Pemandu ini pula bertugas untuk menjelaskan dan menggiring perjalanan kami selama penjelajahan di dalam Goa Pindul ini. Di antaranya, terdapat batuan-batuan stalaktit dan stalagmit yang begitu cantik. Kami melihat langsung keindahan pahatan alam dari tetesan air.

Batuan tersebut tak henti meneteskan air. Konon, batuan ini diperkirakan tumbuh sekitar 1 milimeter per 10 tahun. Ya, bila dibayangkan batuan ini mungkin telah terbentuk hingga jutaan tahun lalu. Pangkal stalaktit ini berdiameter sekitar 4-5 meter. Saking besarnya, ia pun disebut soko guru atau tiangnya gunung. Ada yang berbentuk bunga, dan bisa terlihat apabila diterangi oleh sinar atau senter, permukaannya juga seolah memantulkan cahaya.

Para pemandu tak henti menejelaskan kepada kami. Goa Pindul ini panjangnya sekitar 350 meter. Hingga setengah perjalanan, kami melewati beberapa celah sempit. Batuan-batuan indah yang disoroti senter tak henti menyapa wisatawan yang penuh semangat. Kelelawar yang berterbangan menjadi hiasan bingkai dalam gelapnya suasana. Konon, tetesan dari batuan stalaktit ini juga berkhasiat memberi awat muda apabila dioleskan ke wajah.

Untuk melewati Goa ini, kami harus melewati tiga zona yang berbeda. Yaitu gelap, remang dan terang. Berulah akan terlihat terang ketika akan sampai ke ujung goa. Ya, sebelum keluar dari bibir goa yang berbeda, terlihat cahaya yang masuk dari atas. Lumayan tinggu. Tak terasa sudah sekitar 50 menit kami menulusuri gelapnya Goa Pindul. Banyak pelajaran yang berharga yang kami terima. Goa Pindul ini merupakan salah satu dari beberapa banyak kebesaran-Nya. Ciptaan Allah Swt yang begitu indah dan tampak tersembunyi. Kami bisa menyaksikan dan merasakannya. Semoga dengan Praktikum Lapangan ini juga, bisa menumbuhkan iman kita semua.

Di akhir penjelajahan gelapnya Goa Pundul. Tidak afdol apabila tidak menyeburkan diri. Dan tujuan kami selanjutnya adalah ke pabrik penyulingan minyak kayu putih..

Penulis: Ari Irawan
Biologi C/2