Stoikiometri gas dan gas berbahaya dari reaksi: volume gas, konsentrasi ppm, dan ventilasi

Di ruang cuci piring sebuah restoran, seorang petugas merendam nosel mesin dalam bak kecil berisi pembersih kerak asam. Petugas lain, yang tidak tahu, menuang setengah liter pemutih ke bak yang sama untuk menghilangkan noda. Dalam beberapa detik muncul bau tajam, mata pedih, dan keduanya batuk. Ruang itu kecil, berukuran sekitar dua puluh meter kubik, dan kipas pembuangnya mati.

Penyelia ingin tahu seberapa parah kejadian itu dan berapa lama ruangan harus dikosongkan. Pertanyaan itu dijawab dengan stoikiometri gas: menghitung berapa mol gas yang terbentuk dari reaksi, mengubahnya menjadi liter, lalu membandingkannya dengan volume udara di ruangan. Bab sebelumnya tentang mol dan stoikiometri sudah memakai volume molar untuk karbon dioksida dari pembersihan kerak. Bab ini memperluasnya ke konsentrasi gas di udara, gas berbahaya yang lazim terbentuk di lapangan, dan cara ventilasi menurunkannya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas volume gas dari jumlah mol, hukum perbandingan volume, satuan konsentrasi gas di udara, gas berbahaya dari reaksi yang lazim, berat gas dibandingkan udara, gas yang mendesak oksigen, dan perhitungan ventilasi. Sumber pemilik adalah narasi disiplin Kimia, yang memuat volume molar dan perbandingan volume gas dari buku Kimia Dasar, kadar karbon monoksida dalam ppm dari diktat Kimia Dasar, definisi klorin bebas dari buku penukar ion, dan pembentukan gas klorin dari buku teknologi reaksi kimia, serta narasi Keselamatan Teknik tentang ruang terbatas.

Mol dan volume molar dibahas di bab mol dan stoikiometri, jenis reaksi yang membentuk gas di bab jenis reaksi dalam air, dan persamaan keadaan gas ideal di bab gas ideal pada rak Fisika. Campuran pemutih yang berbahaya dibahas di Bab 8 · Laundry, dan isolasi bahaya serta kondisi berhenti di Bab 1 · Keselamatan. Bab ini tidak memuat nilai batas paparan gas dari peraturan mana pun; nilai itu dibaca dari lembar data keselamatan dan peraturan yang berlaku.

Dari mol ke volume gas

Persamaan gas ideal $pV = nRT$ menghubungkan jumlah mol gas dengan volumenya. Pada tekanan 1 atm, satu mol gas apa pun menempati sekitar 22,4 L pada 0 °C dan sekitar 24,0 L pada 20 °C. Buku Kimia Dasar 1 dalam sumber membandingkan volume molar pada STP, sekitar 22,4 L, dengan sebuah bola basket, dan buku Access to Chemistry dalam sumber memakai 24 dm³ untuk satu mol helium pada keadaan yang disebutnya standar. Perbedaan kedua angka itu berasal dari suhu acuan yang berbeda: 0 °C untuk 22,4 L dan sekitar 20 °C untuk 24 L. Untuk keadaan ruang kerja, bab ini memakai 24,0 L/mol.

Volume gas yang terbentuk dari reaksi dihitung dengan tiga langkah yang sama seperti di bab mol dan stoikiometri: ubah massa pereaksi menjadi mol, pakai perbandingan koefisien untuk memperoleh mol gas, lalu kalikan dengan volume molar. Buku Kimia Dasar 1 lain dalam sumber memberi soal menghitung volume gas oksigen yang dihasilkan pada keadaan standar, dan buku pengantar kimia dalam sumber memakai massa jenis oksigen 1,4290 g/L pada STP untuk mengubah massa menjadi 330 mL gas. Massa jenis gas pada keadaan standar sama dengan massa molar dibagi volume molar.

Volume gas sangat besar dibandingkan bahan asalnya. Satu mol klorin, 70,9 g, kira-kira segenggam bila berupa cairan, menempati 24 L sebagai gas pada suhu ruang. Karena itu pelepasan beberapa puluh gram gas sudah cukup untuk mencemari udara satu ruangan.

Hukum perbandingan volume

Bila semua pereaksi dan hasil reaksi berupa gas pada suhu dan tekanan yang sama, perbandingan volumenya sama dengan perbandingan koefisien persamaan reaksi. Hubungan ini adalah hukum perbandingan volume, yang ditemukan Gay-Lussac dan dijelaskan oleh hukum Avogadro. Buku Kimia Dasar 1 dalam sumber menggambarkan hubungan volume gas dalam reaksi kimia, dan buku Kimia Dasar 1 lain dalam sumber memberi contoh pembentukan 4 L gas amonia dari gas nitrogen.

Untuk reaksi pembentukan amonia:

$\text{N}_2(g) + 3\,\text{H}_2(g) \rightarrow 2\,\text{NH}_3(g)$

2 L nitrogen bereaksi dengan 6 L hidrogen menghasilkan 4 L amonia, tanpa perlu menghitung mol. Hukum ini praktis untuk gas buang pembakaran dan untuk memperkirakan berapa liter udara yang diperlukan untuk membakar bahan bakar gas.

Konsentrasi gas di udara

Konsentrasi gas dalam udara dinyatakan dengan tiga cara yang umum:

• Persen volume: liter gas per 100 L udara. Dipakai untuk kadar tinggi, seperti oksigen 20,9 persen di udara kering.
• Bagian per juta (ppm): liter gas per satu juta liter udara, yaitu mililiter gas per meter kubik. Dipakai untuk gas beracun. Satu persen volume sama dengan 10.000 ppm.
• Miligram per meter kubik (mg/m³): massa gas per volume udara. Dipakai di banyak lembar data keselamatan dan peraturan.

Diktat Kimia Dasar dalam sumber memberi contoh kadar karbon monoksida dalam udara hasil pembakaran sebesar 425 ppm. Konversi antara ppm dan mg/m³ memerlukan massa molar gas dan volume molar pada suhu acuan:

$C_{\text{mg/m}^3} = C_\text{ppm} \times \frac{M}{24{,}0}$

dengan $M$ dalam g/mol, untuk 20 °C dan 1 atm. Lembar data keselamatan kadang memakai suhu acuan 25 °C, dengan volume molar 24,45 L, sehingga angka konversinya sedikit berbeda. Satuan dan suhu acuan selalu dibaca sebelum dua angka dibandingkan.

Konsentrasi gas dari pelepasan ke ruangan, dengan anggapan gas tercampur merata:

$C_\text{ppm} = \frac{V_\text{gas}}{V_\text{ruang}} \times 10^6$

dengan kedua volume dalam satuan yang sama. Anggapan tercampur merata hampir tidak pernah benar di awal: dekat sumber, konsentrasinya jauh lebih tinggi daripada rata-rata ruangan.

Gas berbahaya dari reaksi di lapangan

Gas berbahaya di laundry, dapur, dan ruang utilitas jarang dibeli sebagai gas. Kebanyakan terbentuk dari reaksi bahan yang tercampur, dari pembakaran yang tidak sempurna, atau dari pembusukan di saluran. Daftar berikut adalah pegangan editorial; reaksinya dibahas di bab jenis reaksi dalam air:

Buku penukar ion dalam sumber mendefinisikan klorin bebas sebagai klorin dalam bentuk cair atau gas, dan buku teknologi reaksi kimia dalam sumber mencatat proses industri yang mengubah gas hidrogen klorida menjadi gas klorin. Di lapangan, sumber klorin yang paling sering justru kecelakaan pencampuran pemutih dengan asam. Buku kimia umum dalam sumber mencatat bahwa hidrogen selenida, gas yang sekerabat dengan hidrogen sulfida, berbau busuk dan dapat menyebabkan radang mata dan saluran napas; hidrogen sulfida berbahaya dengan cara serupa. Karbon monoksida sangat berbahaya justru karena tidak berbau. Buku kursus kimia tingkat menengah dalam sumber membahas karbon monoksida yang teroksidasi menjadi karbon dioksida, reaksi yang tidak terjadi bila udara pembakaran kurang.

Berat gas dibandingkan udara

Gas yang lebih berat daripada udara mengalir ke bawah dan berkumpul di lantai, lubang, saluran, dan bak. Gas yang lebih ringan naik dan berkumpul di bawah langit-langit. Pada suhu dan tekanan yang sama, perbandingan massa jenis gas dengan udara sama dengan perbandingan massa molarnya, dengan massa molar rata-rata udara kering sekitar 28,96 g/mol (nilai baku):

Pegangan ini berlaku untuk gas pada suhu ruang. Gas panas dari pembakaran naik walaupun komponennya berat, dan setelah tercampur merata gas tidak memisah lagi dengan sendirinya. Akibat praktisnya: pengukuran klorin, karbon dioksida, atau hidrogen sulfida dilakukan dekat lantai dan di dalam lubang, sedangkan hidrogen dicari di titik tertinggi tangki atau ruangan.

Gas yang mendesak oksigen

Gas yang tidak beracun pun berbahaya bila jumlahnya cukup untuk mendesak oksigen. Nitrogen, argon, dan karbon dioksida dalam jumlah besar menurunkan kadar oksigen udara. Karbon dioksida juga berbahaya sendiri: kadar beberapa persen volume sudah menyebabkan napas cepat, pusing, dan kebingungan, sebelum kadar oksigen turun banyak. Orang yang berada di dalam gas itu sering tidak menyadari bahayanya karena karbon dioksida tidak berbau.

Ruang terbatas, seperti bak penampung, saluran, tangki, dan lubang pemeriksaan, adalah tempat gas berat dan gas yang mendesak oksigen paling sering terkumpul. Buku instalasi listrik dalam narasi Keselamatan Teknik menyarankan menghindari masuk ke ruang terbatas, misalnya dengan mengerjakan pekerjaan dari luar. Masuk ke ruang terbatas memerlukan izin kerja, pengukuran gas sebelum dan selama bekerja, ventilasi, dan pengawas di luar, sesuai Bab 1 · Keselamatan. Banyak korban ruang terbatas adalah penolong yang masuk tanpa pelindung napas.

Gas mudah terbakar dan batas nyala

Gas mudah terbakar hanya dapat menyala bila kadarnya di udara berada di antara batas bawah dan batas atas mudah terbakar. Di bawah batas bawah campurannya terlalu miskin bahan bakar; di atas batas atas terlalu miskin oksigen. Nilai baku pendekatan pada suhu ruang: hidrogen sekitar 4 sampai 75 persen volume, metana sekitar 5 sampai 15 persen, dan propana sekitar 2 sampai 10 persen. Rentang hidrogen sangat lebar, dan energi penyalaannya sangat kecil, sehingga percikan dari sakelar, motor, atau listrik statis sudah cukup.

Detektor gas mudah terbakar biasanya menampilkan kadar sebagai persen dari batas bawah, bukan persen volume. Pembacaan 10 persen batas bawah untuk metana berarti sekitar 0,5 persen volume. Campuran yang kadarnya di atas batas atas pun tetap berbahaya, karena begitu udara masuk, misalnya ketika tutup tangki dibuka atau ventilasi dinyalakan, kadarnya turun melewati rentang nyala. Karena itu ruangan atau tangki yang berisi gas mudah terbakar diventilasi tanpa sumber nyala di dekatnya, dan peralatan listrik di area itu tidak dinyalakan atau dimatikan sampai kadar terukur aman.

Ventilasi: keadaan tunak dan pengenceran

Ventilasi menurunkan konsentrasi gas dengan mengganti udara tercemar dengan udara bersih. Dua perhitungan dasar, dengan anggapan udara tercampur merata, cukup untuk memperkirakan kebutuhan ventilasi.

Keadaan tunak. Bila sumber terus melepaskan gas dengan laju $G$ (m³/jam) ke ruangan yang diventilasi dengan laju udara $Q$ (m³/jam), konsentrasi akhirnya:

$C = \frac{G}{Q}$

Konsentrasi ini tidak bergantung pada volume ruangan; volume hanya menentukan berapa lama sampai keadaan tunak tercapai.

Pengenceran setelah pelepasan. Bila gas sudah terlepas dan sumbernya berhenti, konsentrasi turun secara eksponensial:

$C(t) = C_0\,e^{-Qt/V}$

dengan $V$ volume ruangan. Besaran $Q/V$ adalah jumlah pergantian udara per jam. Waktu untuk menurunkan konsentrasi menjadi sepersekian nilai awal adalah $t = (V/Q)\ln(C_0/C)$. Fungsi eksponensial ini dijelaskan di sini tanpa kalkulus: setiap selang waktu yang sama, konsentrasi turun dengan faktor yang sama.

Kedua rumus memakai anggapan tercampur merata. Di ruang nyata, ada sudut mati dan lapisan gas berat di lantai yang turun jauh lebih lambat daripada perhitungan. Karena itu ruangan baru dimasuki lagi setelah konsentrasi diukur, bukan hanya setelah waktu hitungan lewat.

Pengukuran gas dan batas paparan

Detektor gas portabel mengukur oksigen, gas mudah terbakar, dan beberapa gas beracun seperti karbon monoksida dan hidrogen sulfida. Sensor tiap gas punya rentang, waktu tanggap, dan gangguan silang dari gas lain, sehingga hasilnya dibaca bersama keterangan alatnya. Detektor perlu diuji dengan gas uji sebelum dipakai, karena sensor yang mati tidak memberi tanda.

Nilai batas paparan kerja dan batas bahaya langsung untuk setiap gas ditetapkan oleh peraturan dan tercantum di lembar data keselamatan bahan, seperti dibahas di Bab 10. Bab ini sengaja tidak menyalin angka-angka itu. Yang dapat dihitung adalah konsentrasi perkiraan dari reaksi dan ventilasi, dan angka itu kemudian dibandingkan dengan batas yang berlaku saat itu.

Contoh kerja

Contoh 1. Kasus pembuka: klorin dari pemutih. Pemutih 500 mL dengan kadar natrium hipoklorit 5 persen massa dan massa jenis sekitar 1,08 g/mL (angka latihan) bermassa 540 g dan berisi 27,0 g NaOCl, yaitu $27{,}0/74{,}44 = 0{,}363$ mol. Bila semuanya bereaksi dengan asam berlebih, terbentuk 0,363 mol Cl₂, yaitu $0{,}363 \times 24{,}0 = 8{,}7$ L. Dalam ruang 20 m³ (20.000 L), rata-rata $8{,}7/20.000 \times 10^6 = 435$ ppm, atau $435 \times 70{,}90/24{,}0 = 1.290$ mg/m³. Di dekat bak, konsentrasinya jauh lebih tinggi.

Contoh 2. Mengubah ppm ke mg/m³. Karbon monoksida 425 ppm dari contoh diktat dalam sumber: $425 \times 28{,}01/24{,}0 = 496$ mg/m³.

Contoh 3. Perbandingan volume. Untuk N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃, 2 L nitrogen memerlukan 6 L hidrogen dan menghasilkan 4 L amonia pada suhu dan tekanan yang sama.

Contoh 4. Massa dan volume oksigen. Oksigen 330 mL pada STP dengan massa jenis 1,4290 g/L bermassa $0{,}330 \times 1{,}4290 = 0{,}472$ g, yaitu $0{,}472/32{,}00 = 0{,}0147$ mol. Dikalikan 22,4 L/mol kembali memberi 0,330 L.

Contoh 5. Karbon dioksida dari pembersihan kerak. Pembersihan 2 kg kerak di bab mol dan stoikiometri menghasilkan sekitar 480 L CO₂. Dalam ruang 15 m³ tanpa ventilasi, rata-ratanya $480/15.000 = 3{,}2$ persen volume, yaitu 32.000 ppm. Karena karbon dioksida lebih berat daripada udara, lapisan di dekat lantai dan di dalam bak lebih pekat lagi.

Contoh 6. Hidrogen di ruang atas tangki. Keranjang aluminium 100 g larut dalam tangki deterjen alkali. Mol aluminium $100/26{,}98 = 3{,}71$, dan menurut 2 Al + 2 NaOH + 6 H₂O → 2 Na[Al(OH)₄] + 3 H₂ terbentuk $3{,}71 \times 3/2 = 5{,}56$ mol H₂, yaitu 133 L. Bila terkumpul di ruang udara tangki tertutup 0,5 m³, kadarnya $133/500 = 27$ persen volume, jauh di atas batas bawah mudah terbakar hidrogen yang sekitar 4 persen volume (nilai baku).

Contoh 7. Keadaan tunak. Pemanas air gas yang rusak melepaskan karbon monoksida 0,2 L/menit, yaitu 0,012 m³/jam (angka latihan), ke ruang dengan ventilasi 100 m³/jam. $C = 0{,}012/100 = 1{,}2 \times 10^{-4}$, yaitu 120 ppm, berapa pun volume ruangannya.

Contoh 8. Waktu pengenceran. Ruang di Contoh 1 (20 m³, 435 ppm) diventilasi 200 m³/jam, yaitu 10 pergantian udara per jam. Untuk menurunkan rata-rata ke 1 persen nilai awal, $t = (20/200)\ln 100 = 0{,}1 \times 4{,}61 = 0{,}46$ jam, sekitar 28 menit. Lapisan gas di lantai dan di dalam bak memerlukan lebih lama.

Contoh 9. Berat gas. Klorin $70{,}90/28{,}96 = 2{,}45$ kali lebih berat daripada udara dan mengalir ke bawah, sedangkan amonia $17{,}03/28{,}96 = 0{,}59$ kali dan naik. Pencampuran pemutih dengan bahan beramonia menghasilkan kloramin yang iritan; ruangan diventilasi dari bawah dan atas.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan bila:

1. Tercium bau tajam, mata pedih, atau batuk ketika bahan kimia dicampur atau dipakai. Tinggalkan ruangan, jangan kembali sampai ruangan diventilasi dan diukur, dan ikuti Bab 8 · Laundry dan Bab 1 · Keselamatan.
2. Pekerjaan memerlukan masuk ke bak, saluran, tangki, atau lubang pemeriksaan. Jangan masuk tanpa izin kerja, pengukuran gas, ventilasi, dan pengawas di luar.
3. Detektor gas belum diuji dengan gas uji atau baterainya lemah.
4. Pemanas atau pengering gas menunjukkan nyala kuning, jelaga, atau bau gas buang di ruangan. Matikan dan periksa saluran gas buangnya; karbon monoksida tidak berbau.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Sedikit pemutih tidak berbahaya." Setengah liter pemutih dengan asam dapat melepaskan hampir sembilan liter klorin.

"Gas yang tidak berbau tidak berbahaya." Karbon monoksida dan karbon dioksida tidak berbau.

"Bau telur busuk yang hilang berarti gasnya sudah hilang." Pada kadar tinggi, hidrogen sulfida dapat melumpuhkan indra penciuman, sehingga baunya hilang padahal gasnya masih ada.

"Kipas di langit-langit cukup untuk semua gas." Gas berat seperti klorin dan karbon dioksida berkumpul di lantai; pembuangan juga diperlukan di bagian bawah.

"ppm dan mg/m³ adalah angka yang sama." Konversinya bergantung pada massa molar gas dan suhu acuan.

"Hitungan ventilasi menunjukkan ruangan sudah aman." Hitungan memakai anggapan tercampur merata. Ruangan dimasuki setelah diukur.

Hubungan dengan bab lain

Bab mol dan stoikiometri memberi volume molar dan contoh karbon dioksida dari kerak, bab jenis reaksi dalam air membahas reaksi yang membentuk gas, dan bab gas ideal pada rak Fisika membahas persamaan keadaan. Bab 8 · Laundry membahas campuran pemutih yang berbahaya, Bab 1 · Keselamatan kondisi berhenti dan ruang terbatas, dan Bab 10 lembar data keselamatan. Bab termokimia berikutnya membahas panas yang menyertai reaksi-reaksi itu.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, pakai 24,0 L/mol untuk 20 °C dan 1 atm, serta anggapan tercampur merata.

1. Berapa volume 2,0 mol karbon dioksida pada 20 °C dan 1 atm?
2. Sebanyak 10 L klorin terlepas ke ruangan 50 m³. Berapa konsentrasinya dalam ppm dan mg/m³?
3. Ubah 50 ppm amonia ke mg/m³.
4. Gas mana yang cenderung berkumpul di lantai dan mana yang naik: klorin, amonia, hidrogen sulfida, hidrogen, karbon dioksida?
5. Ruang 30 m³ diventilasi 90 m³/jam. Berapa lama sampai konsentrasi gas turun menjadi 10 persen nilai awal?
6. Berapa liter hidrogen terbentuk dari 54 g aluminium dalam alkali berlebih?

Kunci jawaban beralasan

1. $2{,}0 \times 24{,}0 = 48$ L, karena satu mol gas ideal menempati 24,0 L pada keadaan itu.
2. $10/50.000 \times 10^6 = 200$ ppm, dan $200 \times 70{,}90/24{,}0 = 591$ mg/m³.
3. $50 \times 17{,}03/24{,}0 = 35{,}5$ mg/m³, karena amonia ringan sehingga massanya per ppm kecil.
4. Klorin, hidrogen sulfida, dan karbon dioksida lebih berat daripada udara dan berkumpul di lantai. Amonia dan hidrogen lebih ringan dan naik.
5. $Q/V = 3$ pergantian per jam. $t = \ln 10/3 = 2{,}30/3 = 0{,}77$ jam, sekitar 46 menit, dengan anggapan tercampur merata.
6. $54/26{,}98 = 2{,}0$ mol Al menghasilkan $2{,}0 \times 3/2 = 3{,}0$ mol H₂, yaitu $3{,}0 \times 24{,}0 = 72$ L.

Referensi