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 7 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, gas mudah terbakar dan batas nyalanya, perhitungan ventilasi, dan pengukuran gas. Hitungannya memakai anggapan gas ideal dan udara yang tercampur merata, sehingga hasilnya adalah perkiraan rata-rata ruangan, bukan kadar di dekat sumber.

Mol dan volume molar dibahas di Bab 7 tentang mol dan stoikiometri, jenis reaksi yang membentuk gas di Bab 9 tentang jenis reaksi dalam air, dan persamaan keadaan gas ideal di Bab 15 · Fisika tentang gas ideal dan teori kinetik. Campuran pemutih yang berbahaya dibahas di Bab 8 · Laundry tentang oksidator dan campuran berbahaya, isolasi bahaya serta kondisi berhenti di Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, dan kondisi berhenti, dan masuk ke ruang terbatas di Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas. 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, dengan $p$ tekanan mutlak, $V$ volume, $n$ jumlah mol, $R$ tetapan gas, dan $T$ suhu mutlak, seperti di Bab 15 · Fisika. 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. Volume molar (molar volume) adalah volume yang ditempati satu mol gas pada suhu dan tekanan tertentu, dan keadaan 0 °C serta 1 atm disebut STP (standard temperature and pressure). Volume molar pada STP, sekitar 22,4 L, dapat dibandingkan dengan volume sebuah bola basket. Sebagian buku memakai 24 dm³ untuk satu mol gas, misalnya helium, pada keadaan yang juga 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 7: ubah massa pereaksi menjadi mol, pakai perbandingan koefisien untuk memperoleh mol gas, lalu kalikan dengan volume molar. Massa jenis gas memberi jalan lain dari massa ke volume. Oksigen bermassa jenis 1,4290 g/L pada STP, sehingga 0,472 g oksigen setara dengan 330 mL gas. Massa jenis gas pada keadaan standar sama dengan massa molar dibagi volume molar; untuk oksigen, $32{,}00/22{,}4 = 1{,}43$ g/L, cocok dengan angka itu.

Bila semua pereaksi dan hasil reaksi berupa gas pada suhu dan tekanan yang sama, perbandingan volumenya sama dengan perbandingan koefisien persamaan reaksi. Hukum perbandingan volume (law of combining volumes) adalah nama hubungan ini; hukum itu ditemukan Gay-Lussac dan dijelaskan oleh hukum Avogadro. Alasannya mengikuti dari volume molar: satu mol gas apa pun menempati volume yang sama pada suhu dan tekanan yang sama, sehingga perbandingan mol sama dengan perbandingan volume. Contoh bakunya pembentukan 4 L gas amonia dari gas nitrogen:

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

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.

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.

Konsentrasi gas di udara

Konsentrasi gas dalam udara dinyatakan dengan tiga cara yang umum:

• Persen volume (percent by volume): liter gas per 100 L udara. Dipakai untuk kadar tinggi, seperti oksigen 20,9 persen di udara kering.
• Bagian per juta (parts per million, 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.

Sebagai contoh, kadar karbon monoksida dalam udara hasil pembakaran dinyatakan 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 $C_{\text{mg/m}^3}$ konsentrasi massa, $C_\text{ppm}$ konsentrasi dalam ppm, $M$ massa molar gas dalam g/mol, dan 24,0 volume molar dalam L/mol, untuk 20 °C dan 1 atm. Rumus itu mengikuti dari arti ppm: 1 ppm adalah 1 mL gas per meter kubik udara, yaitu $1/24.000$ mol, yang bermassa $M/24.000$ g atau $M/24{,}0$ mg. 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 $V_\text{gas}$ volume gas yang terlepas dan $V_\text{ruang}$ volume udara ruangan, keduanya dalam satuan yang sama; faktor $10^6$ mengubah perbandingan volume menjadi bagian per juta. 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 merangkum sumber yang lazim; reaksinya dibahas di Bab 9 tentang jenis reaksi dalam air:

Klorin bebas (free chlorine) adalah klorin, Cl₂, dalam bentuk cair atau gas. Di industri, gas hidrogen klorida dapat diubah menjadi gas klorin. Di lapangan, sumber klorin yang paling sering justru kecelakaan pencampuran pemutih dengan asam. 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. Karbon monoksida dapat teroksidasi lebih lanjut menjadi karbon dioksida, tetapi reaksi itu 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, karena massa jenis setiap gas sama dengan massa molarnya dibagi volume molar yang sama besar:

$\frac{\rho_\text{gas}}{\rho_\text{udara}} = \frac{M_\text{gas}}{28{,}96}$

dengan $\rho$ massa jenis, $M_\text{gas}$ massa molar gas dalam g/mol, dan 28,96 g/mol massa molar rata-rata udara kering. Perbandingan di atas satu berarti gas lebih berat daripada udara:

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. Klorin dari pemutih mengalir ke bawah, sedangkan amonia naik. Pencampuran pemutih dengan bahan beramonia menghasilkan kloramin yang iritan; ruangan diventilasi dari bawah dan atas.

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 (confined space) dalam bab ini adalah bak penampung, saluran, tangki, lubang pemeriksaan, dan ruang sejenis; di sanalah gas berat dan gas yang mendesak oksigen paling sering terkumpul. Yang dianjurkan adalah 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 tentang kondisi berhenti dan Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas. 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. Batas bawah mudah terbakar (lower flammable limit) adalah kadar terendah gas di udara yang masih dapat menyala; di bawahnya campuran terlalu miskin bahan bakar. Batas atas mudah terbakar (upper flammable limit) adalah kadar tertinggi yang masih dapat menyala; di atasnya campuran terlalu miskin oksigen. Pada suhu ruang, rentang itu kira-kira: 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, karena batas bawah metana sekitar 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 (steady state) adalah keadaan ketika konsentrasi tidak berubah lagi karena gas yang dilepaskan sumber setiap jam sama banyak dengan gas yang terbawa udara buangan. Bila sumber terus melepaskan gas dengan laju $G$ (m³/jam) ke ruangan yang diventilasi dengan laju udara $Q$ (m³/jam), gas yang terbawa keluar adalah $C\,Q$, sehingga $G = C\,Q$ dan konsentrasi akhirnya:

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

dengan $C$ sebagai perbandingan volume, yang dikalikan $10^6$ untuk memperoleh ppm. 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 $C_0$ konsentrasi saat sumber berhenti, $t$ waktu dalam jam, dan $V$ volume ruangan dalam m³. Besaran $Q/V$ adalah jumlah pergantian udara per jam (air changes per hour), yaitu berapa kali volume udara ruangan diganti dalam satu 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 (SDS), yang dibahas di Bab 10 tentang SDS. 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

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Semua contoh memakai 24,0 L/mol untuk 20 °C dan 1 atm serta anggapan tercampur merata.

Contoh 1: klorin dari pemutih di kasus pembuka. Pemutih 500 mL dengan kadar natrium hipoklorit 5 persen massa dan massa jenis sekitar 1,08 g/mL bermassa 540 g dan berisi 27,0 g NaOCl, yaitu $27{,}0/74{,}44 = 0{,}363$ mol. Menurut persamaan klorin di tabel gas berbahaya, satu mol NaOCl yang bereaksi dengan asam menghasilkan satu mol Cl₂. 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: karbon monoksida dari ppm ke mg/m³. Kadar karbon monoksida 425 ppm dari bagian konsentrasi gas diubah dengan massa molar CO 28,01 g/mol: $425 \times 28{,}01/24{,}0 = 496$ mg/m³. Bila lembar data memakai suhu acuan 25 °C, pembaginya 24,45 dan hasilnya $425 \times 28{,}01/24{,}45 = 487$ mg/m³. Selisih sekitar 2 persen itu hanya berasal dari suhu acuan, sehingga dua angka mg/m³ dibandingkan setelah suhu acuannya disamakan.

Contoh 3: karbon dioksida dari pembersihan kerak. Bab 7 tentang mol dan stoikiometri menghitung bahwa pembersihan 2 kg kerak menghasilkan sekitar 480 L CO₂. Dalam ruang 15 m³ (15.000 L) tanpa ventilasi, rata-ratanya $480/15.000 \times 100 = 3{,}2$ 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 4: 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 (500 L), kadarnya $133/500 \times 100 = 27$ persen volume, jauh di atas batas bawah mudah terbakar hidrogen yang sekitar 4 persen volume. Kadar itu masih di bawah batas atas sekitar 75 persen, sehingga campuran di ruang udara tangki berada di dalam rentang nyala.

Contoh 5: keadaan tunak karbon monoksida. Pemanas air gas yang rusak melepaskan karbon monoksida 0,2 L/menit, yaitu 0,012 m³/jam, ke ruang dengan ventilasi 100 m³/jam. $C = 0{,}012/100 = 1{,}2 \times 10^{-4}$, yaitu 120 ppm, berapa pun volume ruangannya. Volume ruangan hanya menentukan berapa lama kadar itu tercapai, dan selama sumber terus melepaskan gas, ventilasi hanya menahan kadarnya di 120 ppm, tidak menurunkannya ke nol.

Contoh 6: waktu pengenceran setelah pelepasan klorin. 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, sekitar 4,4 ppm, $t = (20/200)\ln 100 = 0{,}1 \times 4{,}61 = 0{,}46$ jam, sekitar 28 menit. Lapisan gas di lantai dan di dalam bak memerlukan lebih lama, sehingga ruangan tetap diukur sebelum dimasuki walaupun waktu hitungan sudah lewat.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan laporkan kepada penyelia 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 tentang campuran berbahaya dan Bab 1 · Keselamatan tentang kondisi berhenti.
2. Pekerjaan memerlukan masuk ke bak, saluran, tangki, atau lubang pemeriksaan. Jangan masuk tanpa izin kerja, pengukuran gas, ventilasi, dan pengawas di luar, sesuai Bab 1 · Keselamatan dan Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas.
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.
5. Ruangan atau tangki diduga berisi gas mudah terbakar, misalnya hidrogen dari aluminium yang larut dalam alkali seperti Contoh 4, dan kadarnya belum terukur aman. Ruangan atau tangki itu diventilasi tanpa sumber nyala di dekatnya, dan peralatan listrik di area itu tidak dinyalakan atau dimatikan sampai kadar terukur aman.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 7 tentang mol dan stoikiometri memberi volume molar dan contoh karbon dioksida dari kerak, Bab 9 tentang jenis reaksi dalam air membahas reaksi yang membentuk gas, dan Bab 15 · Fisika tentang gas ideal dan teori kinetik membahas persamaan keadaan. Bab 8 · Laundry tentang oksidator dan campuran berbahaya membahas campuran pemutih yang berbahaya. Bab 1 · Keselamatan tentang bahaya, risiko, dan kondisi berhenti membahas kondisi berhenti dan ruang terbatas, yang dirinci di Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas, dan Bab 10 tentang SDS membahas lembar data keselamatan. Bab 12 tentang termokimia 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.