Kehidupan kita sehari-hari tidak lepas dari kebutuhan akan
bahan bakar.
Bahan bakar merupakan senyawa kimia yang dapat menghasilkan energi melalui perubahan kimia. Contoh yang paling sederhana adalah makanan yang kita santap sehari-hari. Makanan yang sebagian besar terdiri dari karbohidrat diubah di dalam tubuh kita menjadi senyawa gula yang mampu menghasilkan energi.
Dari manakah datangnya energi tersebut atau bagaimana energi tersebut terbentuk? Mari kita bersama-sama meneliti lebih lanjut dari sudut pandang atom dan molekul. Suatu molekul terdiri dari beberapa atom yang berhubungan satu dengan yang lain dalam bentuk ikatan. Ikatan-ikatan tersebut bervariasi kekuatannya dan semakin kuat ikatan tersebut semakin besar energi yang dibutuhkan untuk memutuskan ikatan tersebut. Ketika suatu molekul terputus ikatannya oleh suatu energi ( misalkan panas atau enzim ), atom-atom tersebut akan bereaksi dengan atom-atom lainnya membentuk suatu ikatan baru yang menghasilkan energi. Jikalau ikatan baru yang dihasilkan jauh lebih stabil daripada ikatan semula, hasil reaksi ini akan menghasilkan energi yang dapat dikonsumsi ( misalkan panas ).
Mungkin pernyataan di atas masih membingungkan anda. Mari kita lihat contoh-contoh dibawah ini untuk mempermudah pengertian tentang apa itu energi .
Sebuah balon berisi gas H
2 berada dalam keadaan stabil asalkan tidak bersentuhan dengan udara. Ikatan H-H yang dibentuk oleh senyawa H
2 sangat kuat. Kita memerlukan energi sebesar 432 kJ untuk memutuskan satu mol gas H
2 menjadi atom-atom H . Bagaimana kalau senyawa H
2 kita reaksikan dengan gas O
2 ? Akibat reaksi ini akan timbul percikan api dan ledakan yang sangat kuat. Ledakan itu merupakan hasil dari reaksi :
2H
2 + O
2 -> 2H
2O
Dari pernyataan di atas energi kimia dari H
2 didapat dari kereaktifannya dengan O
2. Dari reaksi ini dua molekul air terbentuk, dimana setiap molekulnya terdiri dari sepasang ikatan O-H dan energi yang dihasilkan dari pembentukan ikatan O-H adalah lebih dari energi yang dibutuhkan untuk pemutusan satu molekul H
2 dan satu molekul O
2.
Tabel 1 menunjukkan pemakaian energi dari reaksi-reaksi diatas. Energi total yang dihasilkan dari reaksi eksotermik diatas adalah 482 kJ, suatu energi yang cukup besar untuk membuat ledakan.
Cara yang sama bisa dipergunakan untuk memperkirakan energi yang dilepaskan atau dihasilkan dari
bahan bakar fosil (lihat tabel 1.4). Contohnya gas bumi yang sebagian besar merupakan metana, yang reaksinya dengan O
2 adalah
CH
4 + 2O
2 -> CO
2 + 2H
2O
Jika kita totalkan semua energi ikatan dari produk dan mengurangkannya dengan total energi ikatan
bahan asal, energi yang dilepas adalah 810 kJ (nilai-nilai ini tidak terlalu tepat, karena energi ikatan merupakan perkiraan rata-rata ikatan dari dua jenis atom, yang mungkin bervariasi dari satu molekul ke yang lain, tetapi variasi itu tidak menggangu dalam perbandingan yang dibuat dalam artikel ini)
Kita lihat bahwa energi yang dibebaskan dari reaksi pembakaran metana adalah lebih besar dari reaksi pembakaran H
2. Hal ini bukan berarti bahwa metana terbakar lebih hebat dari H
2 melainkan karena jumlah molekul oksigen yang terlibat dalam kedua reaksi itu adalah berbeda. Jika kita bandingkan energi yang dibebaskan dari reaksi pembakaran metana dan H
2 per mol O
2, energi pembakaran metana menjadi 405 kJ , lebih kecil sedikit dari pembakaran H
2. Jadi reaksi satu molekul O
2 dengan H
2 adalah sedikit lebih hebat dibandingkan dengan metana.
Dalam perspektif yang lain, satu mol metana mempunyai kandungan energi yang lebih besar dalam reaksi pembakaran dengan oksigen daripada satu mol hidrogen, karena 1 mol metana bereaksi dengan 2 mol O
2, sedangkan 1 mol hidrogen bereaksi dengan 0.5 mol hidrogen (lihat "per mol
bahan bakar").
Karena satu mol gas (gas apapun) akan memenuhi ruangan dengan volume yang sama (pada suhu dan tekanan yang sama, ingat rumus gas ideal PV=nRT), 1 m
3 metana akan mempunyai energi tiga kali lebih besar dari 1 m
3 gas hidrogen.
Tetapi jika berat yang diutamakan, maka hidrogen akan lebih berenergi dari metana. Hidrogen mengandung 2 kali energi per gram lebih besar daripada energi per gram metana. Hal ini dikarenakan berat molekul hidrogen yang delapan kali lebih kecil dari metana. Sehingga dalam satu gram, hidrogen mempunyai jumlah mol yang lebih tinggi dibandingkan dengan metana (ingat rumus G = n x Mr). Inilah salah satu alasan mengapa roket menggunakan
bahan bakar hidrogen cair. Semakin ringan
bahan bakar per unit energi akan semakin lebih baik, karena berat
bahan bakar roket berpengaruh dalam kinerja roket itu sendiri.
Dari penjelasan diatas kita bisa menganalisis kandungan energi dari
bahan bakar fosil yang lain.
Tabel 1 menunjukkan gambaran skematis kandungan energi dari
bahan bakar minyak.
Bahan bakar minyak bukan terdiri dari senyawa murni, tetapi campuran yang sebagian besar adalah hidrokarbon jenuh. Oleh karena itu, reaksi yang tepat untuk pembakaran dari
bahan bakar minyak adalah sebagai berikut:
2( -CH
2-) + 3O
2 -> 2CO
2 + 2H
2O
Perhatikan : dalam reaksi pembakaran
bahan bakar minyak ikatan C-C hanya dihitung sekali karena dalam (-CH
2-) dihitung 2 x C-C.
Seperti yang disebut dalam tabel 1, diperkirakan reaksi tersebut menghasilkan energi sebesar 1220 kJ. Per mol oksigen, energi yang dibebaskan hanyalah 407 kJ, energi yang setara dengan energi yang dihasilkan metana. Per gram
bahan bakar energi yang di bebaskan adalah 43.6 kJ , lebih sedikit dari metana. Hal ini disebabkan hidrokarbon jenuh (terutama rantai pendek) yang mempunyai perbandingan H/C lebih kecil dari 2/1 karena kumpulan metil di ujung rantai hidrokarbon. Selain itu,
bahan bakar minyak mempunyai campuran senyawa aromatik yang mempunyai perbandingan H/C lebih besar dari 2/1. Sebagai contoh, minyak mentah mempunyai kandungan energi per gram sebesar 45.2 kJ (menghampiri dengan perhitungan dalam tabel 1 untuk
bahan bakar minyak). Sedangkan minyak yang sudah diproses kandungan energi per gram nya meningkat ke 48.1 kJ (menandakan meningkatnya perbandingan H/C).
Metode energi ikatan dapat digunakan juga untuk perhitungan energi biomas, contohnya etanol:
C
2H
5OH + 3O
2 -> 2CO
2 + 3H
2O
Energi yang dilepaskan adalah 419 kJ per mol O
2, sedikit lebih besar dari energi yang dilepaskan oleh
bahan bakar fosil. Walaupun begitu, energi per gram etanol (27.3 kJ) jauh lebih kecil dari
bahan bakar fosil. Alasannya ialah etanol mempunyai satu atom oksigen yang sudah dalam keadaan tereduksi, yang tidak mempunyai peranan dalam energi pembakaran dengan O
2. Atom oksigen dalam etanol hanya menyumbang kepada berat total etanol (yang jelas lebih tinggi dibandingkan dengan etana). Walaupun berat jenis etanol (0.79 gr/cc) adalah 12 % lebih tinggi daripada berat jenis
bahan bakar minyak (0.70 gr/cc), tetapi konsentrasi kandungan energi dalam
bahan bakar minyak adalah lebih tinggi dibandingkan dengan etanol untuk volume yang sama (artinya mobil bisa berjalan lebih jauh dengan menggunakan 1L
bahan bakar minyak dibandingkan etanol).
Akhirnya, kita akan menggunakan perhitungan energi ikatan untuk memperkirakan energi yang dihasilkan dari pembakaran karbohidrat.
-CHOH- + O
2 ->CO
2 + H
2O
Energi per gram dari pembakaran karbohirat hanya 1/3 dari energi pembakaran hidrokarbon. Hal ini adalah fakta yang sangat sesuai dalam ilmu gizi, dimana lemak (yang sebagian besar komposisinya adalah hidrokarbon) mempunyai kalori yang lebih tinggi per gram daripada karbohidrat.
Tabel 1 Energi pembakaran ( diperkirakan dari energi ikatan )
| Kandungan Energi (kJ) |
| Entalpi | Per mol
O2 | Per mol
Bahan Bakar | Per gram
Bahan bakar |
Hidrogen
2H2 + O2 -> 2H2O
2(H-H) = 864 2(O-H) = 1840
O=O = 494
—–——-
1358 1840 | 482 | 482 | 241 | 120 |
Metana
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O
4C-H = 1640 2C=O = 1598
2O=O = 988 2(2O-H)= 1840
—–——-
26283438 | 810 | 405 | 810 | 516 |
Bahan Bakar Minyak
2( -CH2-) + 3O2 -> 2CO2 + 2H2O
2(2C-H) = 16402(2C=O) = 3196
2C-C= 6942(2O-H) = 1840
3(O=O) = 1482
—– ——-
3816 5036 | 1220 | 407 | 610 | 43.6 |
Etanol
C2H5OH + 3O2 -> 2CO2 + 3H2O
5C-H= 20502(2C=O) = 3196
C-C = 347 3(O-H) = 2766
C-O = 360
O-H =460
3(O=O) = 1482
—– ——-
4699 5956 | 1257 | 419 | 1257 | 27.3 |
Karbohidrat
-CHOH- + O2 ->CO2 + H2O
C-H = 4102 C=O = 3196
C-C = 347 2O-H = 2766
C-O = 360
O-H = 460
O=O = 494
—– ——-
2071 2518 | 447 | 447 | 447 |
|