Bagaimana bahan bakar menghasilkan energi dan berapa besar energi yang dihasilkan?

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 H₂ berada dalam keadaan stabil asalkan tidak bersentuhan dengan udara. Ikatan H-H yang dibentuk oleh senyawa H₂ sangat kuat. Kita memerlukan energi sebesar 432 kJ untuk memutuskan satu mol gas H₂ menjadi atom-atom H . Bagaimana kalau senyawa H₂ kita reaksikan dengan gas O₂ ? Akibat reaksi ini akan timbul percikan api dan ledakan yang sangat kuat. Ledakan itu merupakan hasil dari reaksi :

2H₂ + O₂ -> 2H₂O

Dari pernyataan di atas energi kimia dari H₂ didapat dari kereaktifannya dengan O₂. 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 H₂ dan satu molekul O₂.

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 O₂ adalah

CH₄ + 2O₂ -> CO₂ + 2H₂O

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 H₂. Hal ini bukan berarti bahwa metana terbakar lebih hebat dari H₂ melainkan karena jumlah molekul oksigen yang terlibat dalam kedua reaksi itu adalah berbeda. Jika kita bandingkan energi yang dibebaskan dari reaksi pembakaran metana dan H₂ per mol O₂, energi pembakaran metana menjadi 405 kJ , lebih kecil sedikit dari pembakaran H₂. Jadi reaksi satu molekul O₂ dengan H₂ 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 O₂, 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 m³ metana akan mempunyai energi tiga kali lebih besar dari 1 m³ 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( -CH₂-) + 3O₂ -> 2CO₂ + 2H₂O

Perhatikan : dalam reaksi pembakaran bahan bakar minyak ikatan C-C hanya dihitung sekali karena dalam (-CH₂-) 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:

C₂H₅OH + 3O₂ -> 2CO₂ + 3H₂O

Energi yang dilepaskan adalah 419 kJ per mol O₂, 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 O₂. 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- + O₂ ->CO₂ + H₂O

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