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.