Karbon monoksida

Karbon monoksida ialah sejenis gas yang tidak berwarna, berbau dan berasa yang kurang padat sedikit daripada udara dengan formula kimia CO. Ia toksik kepada manusia dan haiwan apabila didapati dalam kepekatan tinggi, namun ia juga dihasilkan dalam jumlah yang sedikit dalam metabolisma haiwan biasa, dan dipercayai memiliki beberapa fungsi biologi biasa. Dalam atmosfera, keterdapatannya berbeza mengikut tempat, ia berjangka hayat pendek dan mempunyai peranan dalam penghasilan ozon paras bumi.

Karbon monoksida terdiri daripada satu atom karbon dan satu atom oksigen yang dihubungkan oleh ikatan ganda tiga yang terdiri daripada dua ikatan kovalen dan satu ikatan kovalen datif. Ia merupakan oksokarbon yang paling ringkas, dan bersifat isoelektronik dengan ion sianida dan molekul nitrogen. Dalam kompleks koordinasi, ligand karbon monoksida dinamakan karbonil.

Karbon monoksida dihasilkan daripada pengoksidaan separa sebatian yang mengandungi karbon; ia terhasil apabila jumlah oksigen tidak mencukupi untuk menghasilkan karbon dioksida (CO2), seperti ketika mengendalikan dapur gas atau enjin pembakaran dalaman dalam ruang tertutup. Dengan kehadiran oksigen, dan mengambil kira kepekatan dalam atmosfera, karbon monoksida terbakar dengan api biru dan membentuk karbon dioksida. Gas batu arang yang digunakan secara meluas sebelum tahun 1960-an bagi pencahayaan dalam rumah, memasak, dan pemanasan mempunyai karbon monoksida sebagai bahagian bahan api yang penting. Sesetengah proses dalam teknologi moden seperi peleburan besi masih menghasilkan karbon monoksida sebagai bahan sampingan.

Di seluruh dunia, sumber terbesar karbon monoksida adalah daripada sumber semula jadi, kerana tindak balas fotokimia di troposfera yang menjana kira-kira 5 × 1012 kilogram sebatian ini setahun. Sumber semula jadi CO lain termasuklah gunung berapi, kebakaran hutan dan bentuk-bentuk pembakaran lain.

Dalam biologi, karbon monoksida terhasil secara semula jadi oleh tindakan hem oksigenase 1 dan 2 pada hem daripada penguraian hemoglobin. Proses ini menghasilkan jumlah tertentu karboksihemoglobin dalam badan manusia biasa, walaupun mereka tidak bernafas sebarang karbon monoksida. Selepas laporan pertamapada tahun 1993 yang mengatakan bahawa karbon monoksida ialah pengutus saraf (neurotransmiter) biasa dan juga sebagai salah satu daripada tiga gas yang memodulat tindak balas radang dalam badan (dua yang lain ialah nitrik oksida dan hidrogen suldifa), karbon monoksida telah menerima banyak perhatian klinikal sebagai pengatur biologi. Dalam banyak tisu, ketiga-tiga gas ini diketahui bertindak sebagai antiradang, vasolidator, dan penggalak pertumbuhan neovaskular. Ujian klinikal jumlah kecil karbon monoksida sebagai ubat sedang dijalankan.

Sejarah
Aristotle (384-322 SM) pertama kali merekod bahawa pembakaran arang batu mengeluarkan wasap bertoksik. Ada satu kaedah hukuman purba di mana pesalah dikurung dalam bilik mandi yang diisi dengan arang batu yang membara. Apa yang tidak diketahui ialah kaedah kematian. Galen (129-199 M) membuat spekulasi bahawa terdapat perubahan komposisi udara yang membawa bahaya apabila disedut. Pada 1776, ahli kimia Perancis, de Lassone, menghasilkan CO dengan memanaskan zink oksida dengan kok, tetapi beliau silap membuat kesimpulan bahawa gas yang terhasil adalah hidrogen kerana ia terbakar dengan api biru. Gas ini dikenalpasti sebagai satu sebatian yang mengandungi karbon dan oksigen oleh ahli kimia Scotland, William Cumberland Cruikshank pada tahun 1800. Ciri-ciri toksiknya pada anjing telah dikaji secara mendalam oleh Claude Bernard sekitar tahun 1846.

Ketika Perang Dunia Kedua, campuran gas yang turut mengandungi karbon dioksida digunakan untuk menggerakkan kenderaan bermotor di kawasan dunia di mana petrol dan diesel jarang didapati. Penjana gas kayu atau kayu arang luaran (dengan beberapa pengecualian) dipasang, dan campuran nitrogen dalam atmosfera, karbon monoksida dan sejumlah kecil gas-gas lain yang dihasilkan melalui penggasan disalurkan melalui paip ke dalam pencampur gas. Campuran gas yang dihasilkan oleh proses ini dikenali sebagai gas kayu. Karbon monoksida juga digunakan dalam skala kecil ketika Holokus di beberapa kem penghapusan Nazi, yang paling terkenal oleh van gas di Chelmno, dan dalam program "euthanasia" Action T4.

Ciri-ciri molekul
Karbon monoksida mempunyai jisim mol 28.0, maka ia ringan sedikit daripada udara yang mempunyai jisim mol 28.8. Menurut hukum gas ideal, CO sepatutnya kurang tumpat berbanding udara. Namun, kedua-dua gas tidak bersifat "ideal", oleh itu kedua-duanya tidak mempunyai ketumpatan tepat yang diramalkan dengan hukum gas ideal.

Panjang ikatan antara atom karbon dan atom oksigen ialah 112.8 pm. Panjang ikatan ini bersamaan dengan panjang ikatan ganda tiga seperti yang wujud dalam molekul nitrogen (N2) yang mempunyai panjang ikatan yang sama dan jisim molekul yang hampir serupa. Ikatan ganda dua karbon—oksigen adalah lebih panjang, misalnya 120.8 pm dalam formaldehida. Takat didih (82 K) dan takat lebur (68 K) karbon monoksida juga lebih kurang sama dengan N2 (77 K dan 63 K, mengikut urutan). Tenaga penceraian ikatan bagi karbon monoksida pula adalah lebih kuat daripada N2 (1072 kJ/mol berbanding 942 kJ/mol), dan ini merupakan salah satu ikatan kimia terkuat yang diketahui.

Keadaan elektronik asas karbon monoksida ialah keadaan singlet kerana tidak ada elektron yang tidak berpasangan.

Pengikatan dan momen dwikutub
Keseluruhannya, karbon dan oksigen mempunyai sejumlah 10 elektron valens dalam karbon monoksida. Untuk memuaskan hukum oktet bagi atom karbon, kedua-dua atom membentuk ikatan ganda tiga, dengan enam elektron yang dikongsi dalam tiga orbital molekul pengikatan. Ini berbeza daripada ikatan ganda dua yang biasa ditemui dalam sebatian karbonil organik. Oleh kerana dua daripada elektron yang dikongsi datangnya daripada atom oksigen dan hanya dua sahaja elektron daripada atom karbon, salah satu orbital pengikatan diduduki oleh dua elektron daripada oksigen dan membentuk ikatan dwikutub atau ikatan datif. Ini menyebabkan pengutuban C ← O molekul itu, dengan sedikit cas negatif pada karbon dan sedikit cas positif pada oksigen. Dua lagi orbital pengikatan diduduki oleh satu elektron daripada karbon dan oksigen, dan membentuk ikatan kovalen (berkutub) dengan pengutuban C → O yang terbalik, kerana oksigen lebih elektronegatif daripada karbon. Dalam molekul karbon monoksida bebas, cas negatif bersih δ- kekal di sebelah karbon dan molekul ini memiliki momen dwikutub 0.122 D.

Oleh itu, molekul ini tidak simetri: oksigen mempunyai kepadatan elektron yang lebih berbanding karbon, dan juga sedikit bercas positif berbanding karbon yang sedikit bercas negatif. Sebaliknya, molekul nitrogen isoelektronik tidak ada momen dwikutub.

Jika karbon monoksida bertidak sebagai ligand, kekutuban molekul ini boleh terbalik dengan cas negatif bersih di sebelah oksigen, bergantung kepada struktur kompleks koordinatan.

Kekutuban ikatan dan keadaan pengoksidaan
Kajian teori dan uji kaji menunjukkan bahawa momen dwikutub menghala daripada hujung karbon yang lebih negatif ke hujung oksigen yang lebih positif meskipun oksigen mempunyai keelektronegatifan yang lebih tinggi. Tiga ikatan molekul ini sebenarnya adalah ikatan kovalen berkutub yang sangat terkutub. Pengutuban yang dikira ke arah atom oksigen ialah 71% bagi ikatan σ dan 77% bagi kedua-dua ikatan π.

Keadaan pengoksidaan karbon dalam karbon monoksida ialah +2 bagi setiap satu struktur ini. Ia dikira dengan mengira yang semua elektron pengikatan dimiliki oksigen yang lebih elektronegatif. Hanya dua elektron bukan pengikatan pada karbon yang dimiliki karbon. Dengan ini, karbon hanya mempunyai dua elektron valens dalam molekul ini berbanding empat dalam atom karbon bebas.

Ciri-ciri biologi dan fisiologi

Ketoksikan

Keracunan karbon monoksida ialah jenis keracunan udara pembawa maut yang paling biasa di banyak negara. Karbon monoksida tidak berwarna, tidak berbau dan tidak berasa, tetapi sangat beracun. Ia bergabung dengan hemoglobin dan membentuk karboksihemoglobin yang merampas tempat dalam hemoglobin yang biasanya membawa oksigen, tetapi tidak efektif bagi penghantaran oksigen ke tisu badan. Kepekatan serendah 667 ppm boleh menyebabkan 50% daripada hemoglobin badan bertukar kepada karboksihemoglobin. Tahap 50% karboksihemoglobin boleh menyebabkan sawan, koma, dan kematian.

Lihat juga

 Karbonil logam
 Tindakan Boudouard
 Karbon monoksida (halaman data)
 Monitor nafas karbon monoksida
 Pengesan karbon monoksida
 Keracunan karbon monoksida
 Senarai gas sangat beracun
 Bahan cemar udara kriteria
 Awan molekul
 Persatuan Perubatan Bawah Laut dan Hiperbarik - rawatan hiperbarik bagi keracunan CO
 Yayasan Rubicon - rencana-rencana kajian berkenaan keracunan CO
 Guanilat siklase
 Karbonil penghubung

Rujukan

Pautan luar
 

Bahan cemar udara berbahaya
Toksikologi
Asbut
WPPER