Breathalyzer (alat yang digunakan oleh polisi untuk mengukur kadar alkohol dalam napas pengemudi)

Setiap tahun di Amerika Serikat sekitar 25.000 orang tewas dan 500.000 lainnya terluka akibat mengemudi dalam keadaan mabuk. Terlepas dari upaya untuk mengedukasi masyarakat tentang bahaya mengemudi saat mabuk dan hukuman lebih berat untuk pelanggaran mengemudi dalam keadaan mabuk, agen penegak hukum masih harus mencurahkan banyak pekerjaan untuk mengeluarkan pengemudi mabuk dari jalan Amerika.

Pupuk Kimia

Memberi makan populasi dunia yang meningkat pesat mengharuskan para petani menghasilkan tanaman yang semakin besar dan sehat. Setiap tahun mereka menambahkan ratusan juta ton pupuk kimia ke tanah untuk meningkatkan kualitas dan hasil panen. Selain karbon dioksida dan air, tanaman membutuhkan setidaknya enam unsur untuk pertumbuhan yang maksimal. Unsur-unsur itu adalah N, P, K, Ca, S, dan Mg. Persiapan dan sifat beberapa pupuk yang mengandung nitrogen dan fosfor menggambarkan beberapa prinsip yang diperkenalkan dalam bab ini.

Pupuk nitrogen mengandung garam nitrat (NO₃^-), garam amonium (NH₄⁺), dan senyawa lainnya. Tumbuhan dapat menyerap nitrogen dalam bentuk nitrat secara langsung, tetapi garam amonium dan amonia (NH₃) pertama-tama harus dikonversi menjadi nitrat melalui aksi bakteri tanah. Bahan baku utama pupuk nitrogen adalah amonia, disiapkan melalui reaksi antara hidrogen dan nitrogen:

3H₂ (g) + N₂(g)  →  2NH₃(g)

(Reaksi ini akan dibahas secara rinci dalam Bab 13 dan 14.) Dalam bentuk cairnya, amonia dapat disuntikkan langsung ke tanah.
Atau, amonia dapat dikonversi menjadi amonium nitrat, NH₄NO₃, ammonium sulfat, (NH₄)₂SO₄, atau amonium hidrogen fosfat, (NH₄)₂HPO₄, dalam reaksi asam-basa berikut:

NH₃(aq) + HNO₃(aq) → NH₄NO₃(aq)
2NH₃(aq) + H₂SO₄(aq) → (NH₄)₂SO₄(aq)
2NH₃(aq) + H₃PO₄(aq) → (NH₄)₂HPO₄(aq)

Metode lain untuk menyiapkan ammonium sulfat membutuhkan dua langkah:

2NH₃(aq) + CO₂(aq) + H₂O(l) → (NH₄)₂CO₃(aq)   (1)
(NH₄)₂CO₃(aq) + CaSO₄(aq) → (NH₄)₂SO₄(aq) + CaCO₃(s) (2) 

Pendekatan ini diinginkan karena bahan awal — karbon dioksida dan kalsium sulfat — lebih murah daripada asam sulfat. Untuk meningkatkan hasil, amonia dibuat sebagai reagen pembatas dalam Reaksi (1) dan amonium karbonat dibuat sebagai reagen pembatas dalam Reaksi (2).

Tabel ini mencantumkan komposisi persen berdasarkan massa nitrogen dalam beberapa pupuk umum. Persiapan urea dibahas dalam Contoh 3.15.

Persen Komposisi berdasarkan Massa Nitrogen dalam Lima Pupuk Umum

Beberapa faktor yang mempengaruhi pilihan satu pupuk atas yang lain: (1) biaya bahan baku yang diperlukan untuk menyiapkan pupuk; (2) kemudahan penyimpanan, transportasi, dan pemanfaatan; (3) persen komposisi berdasarkan massa unsur yang diinginkan; dan (4) kesesuaian senyawa, yaitu apakah senyawa tersebut larut dalam air dan apakah dapat segera diambil oleh tanaman. Mempertimbangkan semua faktor ini bersama-sama, kita menemukan bahwa NH₄NO₃ adalah pupuk yang mengandung nitrogen paling penting di dunia, meskipun amonia memiliki persentase tertinggi berdasarkan massa nitrogen.

Pupuk fosfor berasal dari batuan fosfat, yang disebut fluorapatite dengan rumus kimia Ca₅(PO₄)₃F. Fluorapatite tidak larut dalam air, sehingga harus terlebih dahulu dikonversi menjadi kalsium dihidrogen fosfat yang larut dalam air [Ca(H₂PO₄)₂] :

2Ca₅(PO₄)₃F(s) + 7H₂SO₄(aq) → 3Ca(H₂PO₄)₂(aq) + 7CaSO₄(aq) + 2HF(g)

Untuk hasil maksimal, fluorapatite dibuat sebagai reagen pembatas dalam reaksi ini.

Reaksi yang telah kita bahas untuk persiapan pupuk semuanya tampak relatif sederhana, namun banyak upaya telah dilakukan untuk meningkatkan hasil dengan mengubah kondisi seperti suhu, tekanan, dan sebagainya. Kimiawan industri biasanya menjalankan reaksi yang menjanjikan pertama kali di laboratorium dan kemudian mengujinya di fasilitas percontohan sebelum memasukkannya ke dalam produksi massal.

Distribusi Unsur-unsur di Bumi dan dalam Sistem Kehidupan

Kimia Sehari-hari
Distribusi Unsur-unsur di Bumi dan Dalam Sistem Kehidupan

Mayoritas unsur terjadi secara alami. Bagaimana unsur-unsur ini didistribusikan di Bumi, dan mana yang penting untuk sistem kehidupan?

Kerak Bumi memanjang dari permukaan hingga kedalaman sekitar 40 km (sekitar 25 mil). Karena kesulitan teknis, para ilmuwan belum mampu mempelajari bagian-bagian dalam Bumi semudah kerak. Namun demikian, diyakini bahwa ada inti padat yang sebagian besar terdiri dari besi di pusat Bumi. Di sekitar inti ada lapisan yang disebut mantel, yang terdiri dari cairan panas yang mengandung besi, karbon, silikon, dan belerang.

Dari 83 unsur yang ditemukan di alam, 12 diantaranya membentuk 99,7 persen kerak Bumi secara massal. Unsur-unsur itu adalah oksigen (O), silikon (Si), aluminium (Al), besi (Fe), kalsium (Ca), magnesium (Mg), natrium (Na), kalium (K), titanium (Ti), hidrogen (H), fosfor (P), dan mangan (Mn). Dalam membahas kelimpahan unsur alami ini, kita harus ingat bahwa (1) unsur-unsur tidak terdistribusi secara merata di seluruh kerak Bumi, dan (2) sebagian besar unsur berada dalam bentuk gabungan atau senyawa. Fakta-fakta ini memberikan dasar pada sebagian besar metode untuk memperoleh unsur-unsur murni dari senyawanya, seperti yang akan kita lihat di bab-bab selanjutnya.

Tabel yang disertai berikut mencantumkan unsur-unsur penting dalam tubuh manusia. Yang menarik adalah unsur-unsur jejak/penanda, seperti besi (Fe), tembaga (Cu), seng (Zn), yodium (I), dan kobalt (Co), yang bersama-sama membentuk sekitar 0,1 persen dari massa tubuh. Unsur-unsur ini diperlukan untuk fungsi biologis seperti pertumbuhan, transportasi oksigen untuk metabolisme, dan pertahanan terhadap penyakit. Ada keseimbangan yang harus ada dalam batasan tertentu berdasarkan jumlah unsur-unsur ini dalam tubuh kita. Terlalu banyak atau terlalu sedikit selama periode waktu yang panjang dapat menyebabkan penyakit serius, keterbelakangan, atau bahkan kematian.

(a) Kelimpahan alami unsur-unsur dalam persen berdasarkan massa. Misalnya, kelimpahan oksigen adalah 45,5 persen. Ini berarti bahwa dalam sampel 100g kerak bumi, rata-rata ada 45,5 g unsur oksigen. (b) Kelimpahan unsur-unsur dalam tubuh manusia dalam persen berdasarkan massa.

Pentingnya satuan

Pada bulan Desember 1998, NASA meluncurkan satelit $125 juta Mars Climate Orbiter, yang dimaksudkan sebagai satelit cuaca pertama planet merah tersebut. Setelah menempuh perjalanan 416 juta mil, pesawat ruang angkasa itu seharusnya mencapai orbit Mars pada tanggal 23 September 1999. Sebaliknya, pesawat masuk Mars di 100 km (62 mil) lebih rendah dari yang direncanakan dan dihancurkan oleh panas di sekitarnya. Kontroler misi mengatakan hilangnya pesawat ruang angkasa itu karena kegagalan mengkonversi satuan pengukuran Inggris ke satuan metrik dalam perangkat lunak navigasi.

Insinyur di Perusahaan Lockheed Martin yang khusus membuat pesawat ruang angkasa menggunakan pound untuk gaya dorongnya, yang merupakan satuan Inggris. Para ilmuwan di NASA Jet Propulsion Laboratory, di sisi lain, telah diasumsikan bahwa data dorongnya yang diterima dinyatakan dalam satuan metrik, yaitu newton (N). Biasanya, pon (pound) adalah satuan untuk massa. Disajikan sebagai satuan untuk gaya, namun, 1 lb adalah gaya karena daya tarik gravitasi pada objek massa itu. Untuk melaksanakan konversi antara pon dan newton, kita mulai dengan 1 lb = 0,4536 kg dan dari hukum kedua Newton tentang gerak,

gaya = massa x percepatan
        = 0,4536 kg x 9,81 m/s²
        = 4,45 kg m/s²
        = 4,45 N

karena 1 newton (N) = 1 kg m / s². Oleh karena itu, alih-alih mengubah satu pon gaya menjadi 4,45 N, para ilmuwan memperlakukannya sebagai 1 N. Dorongan mesin yang jauh lebih kecil yang dinyatakan dalam newton menghasilkan orbit yang lebih rendah dan menghancurkan pesawat ruang angkasa. Mengomentari kegagalan misi Mars, seorang ilmuwan mengatakan: "Ini akan menjadi kisah peringatan yang akan dimasukkan ke dalam pengenalan sistem metrik sejak sekolah dasar, sekolah menengah, dan pelatihan sains sampai akhir zaman."

Gambar 1.9 Climate Orbiter

Helium Primordial dan Teori Big Bang

Pernahkah Anda berpikir dari mana kita berasal? Bagaimana alam semesta dibentuk? Kapan sejarah alam semesta ini dimulai? Sebenarnya manusia telah membuat pertanyaan-pertanyaan ini sejak dahulu. Selama kita masih mampu berpikir, kita mencari jawaban dan memberikannya melalui metode ilmiah.

Pada tahun 1940 fisikawan Rusia-Amerika George Gamow membuat hipotesis bahwa alam semesta ini meledak yang terjadi miliaran tahun yang lalu dalam sebuah ledakan raksasa, atau yang dikenal dengan Big Bang. Pada saat-saat awal, alam semesta menempati volume kecil dan tak terbayangkan panasnya. Bola api terik radiasi bercampur dengan partikel mikroskopis dari materi secara bertahap mendingin sehingga cukup untuk atom-atom terbentuk. Di bawah pengaruh gravitasi, atom-atom ini mengelompok bersama-sama untuk membuat miliaran galaksi termasuk galaksi Bima Sakti.

Ide Gamow menarik dan sangat provokatif. Telah diuji secara eksperimental dalam beberapa cara. Pertama, pengukuran menunjukkan bahwa alam semesta berkembang; yaitu bahwa semua galaksi bergerak saling menjauh satu sama lain pada kecepatan tinggi. Fakta ini konsisten dengan kelahiran ledakan alam semesta. Dengan membayangkan perluasan berjalan mundur, seperti film secara terbalik, para astronom telah menyimpulkan bahwa alam semesta lahir atau terbentuk sekitar 13 miliar tahun yang lalu bahkan mungkin lebih. Pengamatan kedua yang mendukung hipotesis Gamow adalah deteksi radiasi kosmik. Selama miliaran tahun, alam semesta merupakan lautan panas yang kemudian telah mendingin sampai 3000°C (atau sekitar 2.270°C). Pada suhu ini, sebagian besar energi berada di wilayah microwave. Karena Big Bang terjadi secara serentak di seluruh volume kecil tersebut, alam semesta terbentuk, radiasi yang dihasilkan harus mengisi seluruh alam semesta. Dengan demikian, radiasi harus sama di setiap arah yang kita amati. Memang, arah sinyal microwave dicatat oleh para astronom secara independen.

Bagian ketiga dari bukti yang mendukung hipotesis Gamow adalah penemuan helium primordial. Para ilmuwan percaya bahwa helium dan hidrogen (unsur-unsur ringan) adalah unsur pertama yang dibentuk pada tahap awal evolusi kosmik (unsur-unsur yang lebih berat, seperti karbon, nitrogen, dan oksigen, yang diperkirakan berasal kemudian melalui reaksi inti yang melibatkan hidrogen dan helium di pusat bintang). Jika demikian, gas-gas berasal dari hidrogen dan helium dan menyebar menjadi alam semesta awal sebelum banyak galaksi terbentuk. Pada tahun 1995, astronom menganalisis sinar ultraviolet dari quasar yang jauh (sumber yang kuat dari gelombang cahaya dan radio yang dianggap sebuah galaksi yang meledak di tepi alam semesta) dan menemukan bahwa beberapa cahaya diserap oleh atom helium di jalan melalui bumi. Karena quasar tertentu ini adalah lebih dari 10 miliar tahun cahaya jaraknya dari bumi (satu tahun cahaya adalah jarak yang ditempuh oleh cahaya dalam satu tahun), cahaya yang mencapai bumi mengungkapkan peristiwa yang terjadi 10 miliar tahun yang lalu. Mengapa tidak hidrogen lebih berlimpah yang terdeteksi? Sebuah atom hidrogen hanya memiliki satu elektron, yang dilucuti oleh cahaya dari quasar dalam proses yang dikenal sebagai ionisasi. Atom hidrogen terionisasi tidak dapat menyerap cahaya quasar ini. Sebuah atom helium, di sisi lain, memiliki dua elektron. Radiasi dapat melucuti atom helium satu elektron, tetapi tidak selalu baik, atom helium terionisasi tunggal masih bisa menyerap cahaya dan karena itu dapat terdeteksi.

Para pendukung penjelasan Gamow ini bersukacita ketika terdeteksi helium dari pelosok alam semesta. Dalam pengakuan semua bukti yang mendukung, para ilmuwan sekarang mengacu pada hipotesis Gamow sebagai teori Big Bang yaitu asal usul terbentuknya alam semesta.