Beberapa Contoh Stoikiometri dalam Kehidupan Sehari-hari
Daftar Isi
Stoikiometri adalah salah satu konsep terpenting dalam kimia. Istilah ini berasal dari dua akar bahasa Yunani, “stoicheion,” yang berarti elemen, dan “metron,” yang berarti ukuran. Sama seperti koki mengukur bahan sebelum menyiapkan hidangan, stoikiometri adalah ilmu yang mengukur jumlah atau rasio massa unsur kimia dalam reaksi kimia tertentu.Pembuatan makanan adalah analogi yang tepat untuk memahami stoikiometri.
Misalnya, resep untuk membuat delapan pancake membutuhkan secangkir campuran pancake, sedikit susu, dan satu telur. “Persamaan” yang mewakili persiapan pancake per resep ini adalah sebagai berikut
1 cangkir adonan +
cangkir susu + 1 telur → 8 pancake
Jika dua lusin pancake dibutuhkan untuk sarapan keluarga besar, jumlah bahan harus ditambah secara proporsional sesuai dengan takaran yang diberikan dalam resep. Misal, jumlah telur yang dibutuhkan untuk membuat 24 pancake adalah
24 Pancake ×
= 3 telur
Persamaan kimia yang seimbang digunakan dengan cara yang sama untuk menentukan jumlah satu reaktan yang diperlukan untuk bereaksi dengan sejumlah reaktan tertentu, atau untuk menghasilkan sejumlah produk, dan seterusnya. Persamaan kimia yang seimbang adalah format ringkas untuk menyatakan reaksi kimia apa pun. Sementara rumus kimia memberikan identitas reaktan dan produk yang terlibat dalam perubahan kimia, koefisien mewakili jumlah relatif spesies kimia ini, memungkinkan penilaian kuantitatif hubungan antara jumlah zat yang dikonsumsi dan diproduksi oleh reaksi. Hubungan kuantitatif ini dikenal sebagai stoikiometri. Secara umum, ini adalah studi tentang jumlah reaktan dan produk dalam reaksi kimia.
Hukum dasar yang mengatur stoikiometri suatu reaksi kimia adalah Hukum kekekalan massa. Karena reaksi kimia tidak dapat menciptakan atau menghancurkan materi, juga tidak dapat mengubah satu unsur menjadi unsur lain, jumlah setiap unsur harus sama di seluruh reaksi secara keseluruhan. Hukum fisika inilah yang memungkinkan semua kalkulasi stoikiometri. Persamaan stoikiometri umum untuk reaksi kimia apa pun ditulis sebagai:
aA + bB + … → … + yY+ zZ
Ini memberikan informasi bahwa satu mol A bereaksi dengan b mol B menghasilkan y mol Y dan z mol Z. Koefisien dalam persamaan ini digunakan untuk menurunkan faktor stoikiometri yang memungkinkan penghitungan jumlah yang diinginkan. Meskipun koefisien stoikiometri dapat berupa pecahan, bilangan bulat sering digunakan dan sering kali lebih disukai. Meskipun tampaknya tidak penting, stoikiometri adalah inti dari solusi banyak masalah kehidupan nyata. Berikut kita lihat beberapa contoh bagaimana stoikiometri digunakan dalam kehidupan sehari-hari.
1. Desain Kantung udara
Kantung udara atau Airbag adalah fitur keselamatan di dalam kendaraan yang akan mengurangi dampak tabrakan pada pengemudi dan penumpang dalam suatu kecelakaan. Saat ini, kantung udara wajib ada di mobil baru untuk bertindak sebagai perangkat keselamatan tambahan selain sabuk pengaman. Pengaturan waktu adalah faktor penting dalam kemampuan kantong udara untuk menyelamatkan nyawa dalam benturan langsung. Pengoperasian kantung udara yang efektif memerlukannya untuk mengembang dengan cepat dengan jumlah (volume) gas yang sesuai dan dalam milidetik sejak tumbukan awal.
Prinsip sederhana untuk sensor tabrakan adalah bola baja yang meluncur di dalam lubang yang mulus. Bola ditahan di tempatnya dengan magnet permanen atau pegas kaku, yang menghambat gerakan bola saat kendaraan melewati gundukan atau lubang. Namun, saat mobil melambat dengan sangat cepat, seperti saat terjadi benturan langsung, bola tiba-tiba bergerak maju dan menyalakan sirkuit listrik, yang memulai proses menggembungkan kantung udara. Selama tumbukan, sirkuit listrik mengalirkan arus listrik melalui jumlah natrium azida NaN3 yang diukur dengan cermat untuk memulai penguraiannya:
(s) → 3
(g) + 2
(s)
Reaksi tersebut menghasilkan gas nitrogen yang dapat menyebarkan dan mengembangkan sepenuhnya jenis kantong udara dalam sepersekian detik (0,03–0,1 detik). Di antara banyak spesifikasi teknik lainnya, jumlah natrium azida yang digunakan harus sesuai untuk reaksi yang cepat. Ini dilakukan dengan bantuan penggunaan stoikiometri untuk memperkirakan jumlah natrium azida padat. Selain itu, badan atau kepala pengemudi (atau penumpang) juga harus tidak menabrak airbag saat masih menggembung, karena tekanan internal airbag yang tinggi akan membuat permukaan sekeras batu. Agar kantung udara melindungi kepala dan badan dengan udara untuk perlindungan maksimal, kantung udara harus mulai mengempis (yaitu, menurunkan tekanan internalnya) pada saat tubuh menghantamnya. Ketika gas nitrogen berhenti menghasilkan, molekul gas keluar dari kantong melalui ventilasi. Tekanan di dalam tas berkurang dan, tas mengempis sedikit untuk membuat bantalan empuk. Dalam 2 detik setelah benturan awal, tekanan di dalam kantong mencapai tekanan atmosfer.
2. Penggerak Roket
Keingintahuan umat manusia untuk menjelajahi yang tidak diketahui, menemukan dunia baru, dan mendorong batas pengetahuan ilmiah dan teknis kami telah bersifat universal dan bertahan lama. Namun, eksplorasi ruang angkasa merupakan tantangan yang cukup berat. Saat berpikir untuk mengirim pesawat ruang angkasa ke planet lain atau ke luar angkasa, kita mengajukan pertanyaan seperti, “Bagaimana kita bisa melepaskannya?” Memilih perbandingan bahan bakar yang efisien untuk mengangkat sesuatu yang seberat roket mungkin terdengar mustahil pada awalnya, tetapi cukup bisa dilakukan dengan bantuan stoikiometri.
Tidak seperti mesin jet yang hanya berisi bahan bakar dan memiliki oksigen atmosfer yang dapat digunakan untuk oksidasi, mesin utama banyak roket terutama ditenagai oleh reaksi eksotermik hidrogen dan oksigen. Menyalakan campuran memulai reaksi kimia yang kuat yang dengan cepat menghasilkan produk gas dalam jumlah besar. Gas-gas ini dikeluarkan dari mesin roket melalui noselnya, memberikan daya dorong yang diperlukan untuk mendorong muatan berat ke luar angkasa.
Sangat penting untuk berhati-hati mengatur proporsi bahan bakar dalam roket karena tangki bahan bakar merupakan penyusun sebagian besar berat roket, dan rasionya harus tepat untuk tenaga penggerak maksimum dengan massa minimum. Jika roket memiliki terlalu banyak satu atau reaktan lain di dalamnya, reaktan lainnya akan dibiarkan tidak terpakai.
3. Scrubber Lithium Hidroksida
Stoikiometri memberikan atmosfer seperti bumi dalam pesawat ulang-alik di mana astronot dapat bergerak dan bernapas tanpa pakaian luar angkasa. Meskipun mudah untuk menyediakan aliran oksigen yang konstan dari tangki bahan bakar di dalam roket, ekstraksi karbon dioksida yang dihembuskan oleh kru adalah salah satu dari banyak masalah yang belum pernah terjadi sebelumnya yang muncul ketika manusia memutuskan untuk pergi ke luar angkasa.
Tubuh manusia dapat bertahan hidup dengan baik bahkan dalam 15-17% konsentrasi oksigen di udara. Apapun yang kurang dari ambang batas ini dapat menyebabkan masalah serius dalam eksplorasi ruang angkasa dan dapat membahayakan keseluruhan program. Pesawat luar angkasa menggunakan metode penyerapan untuk menghilangkan karbon dioksida (CO2). Penyerapan karbon dioksida dilakukan dalam reaksi kimia menggunakan sorben yang dikenal sebagai litium hidroksida (LiOH). Metode ini mengandalkan reaksi eksotermik litium hidroksida dengan gas karbon dioksida untuk menghasilkan padatan litium karbonat (Li2CO3) dan air (H2O).
Litium hidroksida adalah pilihan yang menarik untuk penerbangan luar angkasa karena kapasitas penyerapannya yang tinggi untuk karbon dioksida dan sedikit panas yang dihasilkan dalam reaksi. Kerugiannya termasuk reaksi kimia yang tidak dapat dibalik. Hal ini menyebabkan penggantian tabung litium hidroksida menjadi aktivitas sehari-hari selama penerbangan pesawat ulang-alik. Perhitungan stoikiometri memberikan data yang diperlukan untuk memastikan penggantian tabung ini secara berkala.
4. Industri Farmasi
Industri farmasi mencakup berbagai macam kimia dengan stoikiometri sebagai pusatnya. Konsep perhitungan stoikiometri penting dalam industri ini karena jumlah senyawa harus tepat untuk menghasilkan jumlah obat yang tepat. Apoteker menggunakan berbagai besaran pengukuran seperti miligram untuk menentukan massa bahan aktif dalam obat tertentu. Bergantung pada kondisi medis pasien, dokter meresepkan dosis miligram tertentu dalam bentuk resepnya.
Kesalahan dalam mengukur bahan aktif obat tertentu dapat mengubah secara drastis potensi suatu obat, bahkan mengubah suatu obat menjadi racun. Kesalahan semacam itu menyebabkan penarikan obat dari pasar dan dapat menelan biaya jutaan dolar bagi perusahaan manufaktur. Perhitungan stoikiometri mencegah kesalahan tersebut dengan memperkirakan secara akurat jumlah reaktan yang diperlukan untuk menghasilkan bahan aktif yang diinginkan dari obat tertentu. Penting juga untuk mengambil dosis obat sesuai resep dokter karena asupan lebih banyak miligram bahan aktif juga dapat menyebabkan overdosis akut atau kronis.
5. Peran di Bidang Industri
Beberapa produk yang kita gunakan dalam kehidupan sehari-hari, seperti sabun, parfum, pasta gigi, dan lain-lain, diolah dari beberapa reaksi kimia yang dilakukan di industri. Dari ilmuwan yang membentuk persamaan kimia dasar untuk produk hingga insinyur kimia yang mensintesis produk tersebut dalam skala besar, stoikiometri memainkan peran yang sama pentingnya.
Ahli kimia, yang mengembangkan rute sintetis dari produk apa pun, menghitung mol berlebih dari setiap reagen yang digunakan dan mol yang terbentuk dari produk yang diinginkan. Mereka mencoba beberapa proporsi reaktan untuk mendapatkan hasil yang efisien. Laporan dari ilmuwan laboratorium kemudian dibagikan dengan ahli kimia, yang akan mencoba mereplikasi ide tersebut dalam skala yang lebih besar di pabrik percontohan industri. Bahkan di sana juga, beberapa perubahan stoikiometri dilakukan untuk memenuhi kebutuhan konsumen dan memberikan identitas merek yang unik pada produk tersebut.
Dalam industri apapun, biaya merupakan faktor yang mempengaruhi pasar dan untuk itu diperlukan proses yang ekonomis. Perhitungan stiokometri memberikan metode yang paling ekonomis untuk merancang dan mengembangkan produk tertentu
6. Kimia Hijau
Kimia hijau adalah nama lain yang diberikan untuk kimia berkelanjutan. Ini adalah area yang terutama berfokus pada desain produk dan proses kimia yang bertujuan untuk meminimalkan penggunaan zat berbahaya bagi lingkungan dan pembentukan limbah. Salah satu dari dua belas prinsip kimia hijau ditujukan secara khusus untuk memaksimalkan efisiensi proses untuk mensintesis produk kimia.
Konsep stoikiometri memainkan peran besar dalam mensintesis produk akhir yang mengandung bahan awal dalam proporsi maksimum. Secara umum, proses ini dikenal sebagai pemaksimalan ekonomi atom. Ini adalah ukuran efisiensi dan didefinisikan sebagai persentase massa produk akhir suatu sintesis relatif terhadap massa semua reaktan yang digunakan:
Ekonomi atom =
× 100%
Meskipun definisi ekonomi atom sekilas tampak sangat mirip dengan persen hasil, tetapi sifat ini mewakili perbedaan dalam efisiensi teoretis dari berbagai proses kimia. Persen hasil dari proses kimia tertentu, di sisi lain, mengevaluasi efisiensi suatu proses dengan membandingkan hasil produk yang sebenarnya diperoleh dengan hasil maksimum yang diprediksi oleh stoikiometri. Sintesis obat nyeri tanpa resep yang umum, ibuprofen, dengan tepat menggambarkan keberhasilan pendekatan kimia hijau.
7. Stoikiometri Ekologi
Stoikiometri ekologi adalah studi yang menemukan bagaimana kandungan kimiawi suatu organisme membentuk ekologinya. Mirip dengan stoikiometri kimia, stoikiometri ekologi didasarkan pada batasan keseimbangan massa yang diterapkan pada organisme dan interaksinya dalam ekosistem. Studi ini terutama berfokus pada antarmuka antara organisme dan sumber dayanya.
Komposisi komunitas untuk setiap organisme sering ditentukan oleh faktor biotik ekosistemnya. Misalnya, dalam sistem akuatik, stoikiometri nutrisi yang tersedia di sekitar, seperti nitrogen dan fosfor, digunakan untuk memprediksi komposisi spesies fitoplankton. Jika suatu spesies organisme tertentu dapat mempertahankan komposisi komunitas meskipun terjadi perubahan komposisi kimia dan ketersediaan sumber daya disebut sebagai homeostasis stoikiometri.