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.

CO₂ adalah oksida asam. Larutan CO₂ mengubah warna litmus dari biru menjadi merah muda.

Sifat-sifat kimia dan fisika

Lihat pula: Karbon dioksida superkritis dan es kering

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 CO₂ 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" CO₂ padat.^[7]

Isolasi

Karbon dioksida bisa kita dapatkan dengan distilasi udara. Namun cara ini hanya menghasilkan CO₂ 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 CO₂. 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]

1. Sebagai hasil samping dari pengilangan ammonia dan hidrogen, di mana metana dikonversikan menjadi CO₂.
2. Dari pembakaran kayu dan bahan bakar fosil;
3. Sebagai hasil samping dari fermentasi gula pada proses peragian bir, wiski, dan minuman beralkohol lainnya;
4. Dari proses penguraian termal batu kapur, CaCO₃;
5. Sebagai produk samping dari pembuatan natrium fosfat;
6. Secara langsung di ambil dari mata air yang karbon dioksidanya dihasilkan dari pengasaman air pada batu kapur atau dolomit.