Respiratory Waste Substances

I.             Objectives

  • To know the content of waste substances of human respiration;
  • To know the influence of repiratory waste substance to some solutions; and
  • To find substances which could bound carbondioxide(CO2).

 II.          Background

Respiration is the release of energy from glucose or another organic chemical. The chemical energy in glucose can be used to provide the energy required for growth, repair and movement. In fact most things you do require energy. Respiration consists of two mechanisms, those are inspiration and expiration. Both are got by breathing.

Breathing is the process that moves air in and out of the lungs of terrestrial vertebrates. Aerobic organisms of these types, such as reptiles, birds and mammals, including humans, require oxygen to release energy via respiration, in the form of the metabolism of energy-rich molecules such as glucose. Breathing is only one process that delivers oxygen to where it is needed in the body and removes carbon dioxide. In addition to removing carbon dioxide, breathing results in loss of water from the body.

This lab work activity is done to know the result of respiration by observing the breathing output. In this case, breathing output means expiration of respiratory process. By doing this lab work activity, students are expected understanding and knowing well more about respiratory waste substances. Furthermore, they could find the good sunstances to bound the carbondioxide, so that, green house effect could be reduced.

 III.          Basic Theory

Breathing is one characteristic of organism. Breathing is done by all of organism to produce energy, to make all of activity and body activity in their life. Respiration is the exchange of Oxygen (O2) and Carbon dioxyde (CO2) gaseous that is done by all living organisms to produce energy and oxydation waste of carbon dioxyde and water vapour. Its chemical equation can be written as follows.

C6H12O6 + 6O2 à 6CO2 + H2O + energy

Respiratory process is done by using respiratory organs. Respiratory organs in every organism are adjusted to their living place, so respiratory organs in animal that live on land are different to animal that live in water. Human respiratory organs consist of nose, larynx, trachea, and lungs.( Nurhayati: 2008)

Humans need a continuous supply of oxygen for cellular respiration, and they must get rid of excess carbon dioxide, the poisonous waste product of this process.  Gas exchange supports this cellular respiration by constantly supplying oxygen and removing carbon dioxide.  The oxygen we need is derived from the Earth’s atmosphere, which is 21% oxygen. This oxygen in the air is exchanged in the body by the respiratory surface. In humans, the alveoli in the lungs serve as the surface for gas exchange.

Gas exchange in humans can be divided into five steps:

  1. Breathing
  2. External Respiration
  3. Gas Transport
  4. Internal Respiration
  5. Cellular Respiration

Other factors involved with respiration are:

  • Adaptations of Diving Mammals
  • Bohr Shift
  • Control of Breathing
  • Partial Pressure
  • Structure of Respiratory System

Breathing consists of two phases,  inspiration and expiration.  During inspiration,  the diaphragm and the intercostal muscles contract.   The diaphragm moves downwards increasing the volume of the thoracic (chest) cavity, and the intercostal muscles pull the ribs up expanding the rib cage and further increasing this volume.  This increase of volume lowers the air pressure in the alveoli to below atmospheric pressure.  Because air always flows from a region of high pressure to a region of lower pressure, it rushes in through the respiratory tract and into the alveoli.  This is called negative pressure breathing,  changing the pressure inside the lungs relative to the pressure of the outside atmosphere.  In contrast to inspiration, during expiration the diaphragm and intercostal muscles relax.  This returns the thoracic cavity to it’s original volume, increasing the air pressure in the lungs, and forcing the air out.

External Respiration

When a breath is taken, air passes in through the nostrils, through the nasal passages, into the pharynx, through the larynx, down the trachea, into one of the main bronchi, then into smaller bronchial tubules, through even smaller bronchioles, and into a microscopic air sac called an alveolus.  It is here that external respiration occurs.  Simply put, it is the exchange of oxygen and carbon dioxide between the air and the blood in the lungs.   Blood enters the lungs via the pulmonary arteries.  It then proceeds through arterioles and into the alveolar capillaries.  Oxygen and carbon dioxide are exchanged between blood and the air.  This blood then flows out of the alveolar capillaries, through venuoles, and back to the heart via the pulmonary veins.  For an explanation as to why gasses are exchanged.

Internal Respiration The  body tissues need the oxygen and have to get rid of the carbon dioxide, so the blood carried throughout the body exchanges oxygen and carbon dioxide with the body’s tissues.  Internal respiration is basically the exchange of gasses between the blood in the capillaries and the body’s cells.

It has been stated earlier, gas exchange happens in alveolus part. The air that we suck when taking breath will enter into lung to fill alveoli. Alveoli wall is very smooth and contains blood capilary vessel so permits oxygen inside lung air can penetrate alveoli wall and enters into the blood. Hemoglobin bound oxygen and form a bounding called oxyhemoglobin. The blood that rich of O2 will flow from the lung to the heart, then it is circulated to the entire body parts. The blood that comes from all part of the body, that is rich of CO2, flows to heart, then to lung. CO2 penetrates alveoli wall and enters into alveoli that contains air. This air will be secreted when we breath out.

The percentage of gaseous thatto lung and quit from lung.

Name of Gas

Air that Enters into Lung (%)

Air that Quits from Lung (%)

Nitrogen (N2)

Oxygen (O2)

Carbon dioxyde (CO2)

78

21

0.04

78

18

3

(Nurhayati: 2008)

Lime water is the common name for saturated calcium hydroxide solution. It is sparsely soluble. Its chemical formula is Ca(OH)2. Since calcium hydroxide is only sparsely soluble, i.e. ca. 1.5 g per liter at 25 °C, there is no visible distinction to clear water (homogeneous). Attentive observers will notice a slightly earthy smell. It is clearly distinguishable by the alkaline taste of the calcium hydroxide. The term lime refers to the mineral, rather than the fruit. When exposed with carbon dioxide, limewater turns into a milky solution.

While limewater is a clear solution, milk of lime on the other hand is a suspension of calcium hydroxide particles in water. These particles give it the milky aspect. It is commonly produced by reacting quicklime (calcium oxide) with an excess of water – usually 4 to 8 times the amount of water to the amount of quicklime. Reacting water with quicklime is sometimes referred to as “slaking” the lime. The calcium oxide will convert to the hydroxide according to the following reaction scheme:

CaO + H2O → Ca(OH)2

This reaction is strongly exothermic and will generate enough heat to bring the suspension to a scalding temperature. At a ratio of 2 parts water to 1 part lime (by weight), the generated heat is sufficient to bring the suspension, i.e. the water in it, to boil.

Milk of lime is an alkaline with a pH of 12.3. It is commonly used in the chemical industry and as a neutralizing agent in municipal waste water treatment. While it has a multitude of other uses, it is best known in its (historical) use as a paint: lime wash or whitewash.

Carbon dioxide gas from a cylinder is bubbled through limewater and calcium carbonate solid is formed causing the limewater to become cloudy.  Catch carbon dioxide gas in a jar from a burning bunsen burner.  Pour in fresh limewater and it will become cloudy indicating that there was in fact CO2 in that jar.  . 

IV.          Tools and Materials

1. Pipes

2. Beaker glasses

3. Spatula

4. Mineral water

5. Lime water

6. Sugar water

7. Salt water

8. Stopwatch

V.             Procedures

1. Put mineral water, lime water, sugar water, and salt water into beaker glasses.

2. Put pipes into each beaker glass.

3. Blow expirationair into each pipe for 3 minutes.

4. Observe what happen.

VI.             Lab Work Data

No.

Solution

Condition after blown

Note

Same with initial

Different with initial

1

2

3

4

Mineral water

Lime water

Sugar water

Salt water

-

-

-

-

No change

Cloudy (+++)

Slightly cloudy (+)

No chan

VII.          Discussion

Kegiatan laboratorium mengenani sistem pernapasan pada manusia telah dilaksanakan pada hari Senin, 24 Maret 2012. Kegiatan ini dikonsentrasikan pada observasi zat-zat hasil respirasi. Tujuan dari kegiatan ini adalah untuk mengetahui zat-zat hasil ekspirasi dari proses respirasi pada manusia, mengetahui dampak zat-zat sisa respirasi pada beberapa jenis larutan, dan mengetahui berbagai jenis larutan yang dapat mengikat karbondioksida (CO2). Dengan mengetahui beberapa macam zat atau dapat juga beberapa larutan yang dapat mengikat karbondioksida, diharapkan dapat mengurangi kadar karbondioksida yang berada di bumi sehingga fenomena efek rumah kaca dapat terminimalisasi.

Sebelum membahas secara lebih lanjut, terlebih dahulu kami akan memaparkan mengenai pernapasan dan juga respirasi. Pernapasan adalah proses pertukaran gas, pengambilan gas dari lingkungan dan pengeluaran gas dari dalam tubuh. Respirasi dalam biologi adalah proses mobilisasi energi yang dilakukan jasad hidup melalui pemecahan senyawa berenergi tinggi (SET) untuk digunakan dalam menjalankan fungsi hidup. Dalam pengertian kegiatan kehidupan sehari-hari, respirasi dapat disamakan dengan pernapasan. Namun demikian, istilah respirasi mencakup proses-proses yang juga tidak tercakup pada istilah pernapasan. Respirasi terjadi pada semua tingkatan organisme hidup, mulai dari individu hingga satuan terkecil, sel. Apabila pernapasan biasanya diasosiasikan dengan penggunaan oksigen sebagai senyawa pemecah, respirasi tidak melulu melibatkan oksigen.

Pada dasarnya, respirasi adalah proses oksidasi yang dialami SET sebagai unit penyimpan energi kimia pada organisme hidup. SET, seperti molekul gula atau asam-asam lemak, dapat dipecah dengan bantuan enzim dan beberapa molekul sederhana. Karena proses ini adalah reaksi eksoterm (melepaskan energi), energi yang dilepas ditangkap oleh ADP atau NADP membentuk ATP atau NADPH. Pada gilirannya, berbagai reaksi biokimia endotermik (memerlukan energi) dipasok kebutuhan energinya dari kedua kelompok senyawa terakhir ini.

Pernapasan ada 2 macam, yaitu pernapasan dada dan pernapasan perut. Pernapasan dada adalah pernapasan yang melibatkan otot antartulang rusuk. Mekanismenya dapat dibedakan sebagai berikut:

  1. Fase inspirasi. Fase ini berupa berkontraksinya otot antartulang rusuk sehingga rongga dada membesar, akibatnya tekanan dalam rongga dada menjadi lebih kecil daripada tekanan di luar sehingga udara luar yang kaya oksigen masuk.
  2. Fase ekspirasi. Fase ini merupakan fase relaksasi atau kembalinya otot antara tulang rusuk ke posisi semula yang dikuti oleh turunnya tulang rusuk sehingga rongga dada menjadi kecil. Sebagai akibatnya, tekanan di dalam rongga dada menjadi lebih besar daripada tekanan luar, sehingga udara dalam rongga dada yang kaya karbon dioksida keluar.

Pernapasan perut adalah pernapasan yang melibatkan otot diafragma. Mekanismenya dapat dibedakan sebagai berikut.

  1. Fase inspirasi. Fase ini berupa berkontraksinya otot diafragma sehingga rongga dada membesar, akibatnya tekanan dalam rongga dada menjadi lebih kecil daripada tekanan di luar sehingga udara luar yang kaya oksigen masuk.
  2. Fase ekspirasi. Fase ini merupakan fase relaksasi atau kembalinya otot diaframa ke posisi semula yang dikuti oleh turunnya tulang rusuk sehingga rongga dada menjadi kecil. Sebagai akibatnya, tekanan di dalam rongga dada menjadi lebih besar daripada tekanan luar, sehingga udara dalam rongga dada yang kaya karbon dioksida keluar.

Berdasarkan referensi, hasil dari proses pernapasan atau respirasi adalah uap air dan karbondioksida. Pembuktian bahwa hasil dari pernapasan adalah uap air dapat dilakukan dengan cara menghembuskan udara sisa pernapasan atau ekspirasi pada kaca, maka akan terbentuk butiran embun atau uap air pada permukaan kaca. Sedangkan pembuktian bahwa sisa hasil pernapasan mengandung karbondioksida dapat dilakukan dengan cara mengembuskan atau meniupkan udara sisa pernapasan atau ekspirasi pada larutan yang dapat mengikat karbondioksida. Berdasarkan referensi pula, kami mengetahui bahwa larutan yang dapat mengikat karbondioksida adalah larutan kapur. Namun demikian, selain membuktikan bahwa udara hasil pernapasan mengandung karbondioksida dan air kapur dapat mengikat karbondioksida, kami juga melakukan beberapa obeservasi lanjutan untuk mengetahui larutan apa saja yang dapat mengikat karbondioksida.

Untuk mengetahui jenis larutan apa saja yang dapat mengikat karbondioksida, kami melakukan observasi pada beberapa larutan. Larutan yang kami gunakan yaitu larutan kapur, larutan gula, larutan garam, dan air mineral. Alasan kami memilih larutan-larutan tersebut karena mudah dijumpai pada kehidupan sehari-hari, tersedia dalam jumlah yang relatif banyak, dan memiliki tekstur yang mirip satu dengan yang lainnya (kapur, garam, gula).

Larutan yang dapat mengikat karbondioksida adalah larutan yang berubah menjadi keruh apabila bereaksi atau berikatan dengan karbondioksida. Dengan demikian, kami akan mengetahui larutan apa saja yang dapat mengikat karbondioksida dengan mengamati hasil akhir setelah udara ekspirasi ditiupkan pada masing-masing larutan. Untuk mempermudah pemahaman, kami akan membahasan hasil pada masing-masing larutan secara terpisah.

1.      Air Mineral

Air mineral (disebut juga air galian) adalah air yang mengandungi mineral atau bahan-bahan larut lain yang mengubah rasa atau memberi nilai-nilai terapi. Banyak kandungan Garam, sulfur, dan gas-gas yang larut di dalam air ini. Air mineral biasanya masih memiliki buih. Air mineral bersumber dari mata air yang berada di alam.

Pada larutan yang pertama ini, dihembuskan reaksi hasil respirasi yaitu berupa karbondioksida (CO2) kedalam larutan air mineral. Saat CO2 dihembuskan kedalam larutan ini, kami mengamati bahwa didalam larutan tidak terjadi perubahan apa atau hasilnya sama seperti sebelum ditiup dengan CO2.

Larutan air mineral (H2O)memiliki pH yang netral. Jika ditiupkan hasil udara pernapasan (CO2) maka akan terjadi reaksi:

H2O + CO2 → H2CO3

Dari reaksi tersebut didapatkan bahwa kegiatan yang pertama ini menghasilkan asam karbonat. Namun, didalam kenyataan praktikum kami tidak dapat memastikan bahwa larutan hasil percobaan adalah asam karbonat.

2.      Larutan Kapur

Kalsium hidroksida adalah senyawa kimia dengan rumus kimia Ca(OH)2. Kalsium hidrokida dapat berupa kristal tak berwarna atau bubuk putih. Kalsium hidroksida dihasilkan melalui reaksi kalsium oksida (CaO) dengan air. Senyawa ini juga dapat dihasilkan dalam bentuk endapan melalui pencampuran larutan kalsium klorida (CaCl2) dengan larutan natrium hidroksida (NaOH).

Dalam bahasa Inggris, kalsium hidroksida juga dinamakan slaked lime, atau hydrated lime (kapur yang di-airkan). Nama mineral Ca(OH)2 adalah portlandite, karena senyawa ini dihasilkan melalui pencampuran air dengan semen Portland. Suspensi partikel halus kalsium hidroksida dalam air disebut juga milk of lime (Bahasa Inggris:milk=susu, lime=kapur). Larutan Ca(OH)2 disebut air kapur dan merupakan basa dengan kekuatan sedang. Larutan tersebut bereaksi hebat dengan berbagai asam, dan bereaksi dengan banyak logam dengan adanya air. Larutan tersebut menjadi keruh bila dilewatkan karbon dioksida, karena mengendapnya kalsium karbonat.

Larutan kapur Ca(OH)2 merupakan basa dengan kekuatan sedang, yang terbentuk dari kalsium oksida (CaO) dan air (H2O). Jika ditiupkan hasil udara pernapasan (CO2) maka akan terjadi reaksi:

Ca(OH)2  + CO2 → CaCO3 + H2O

CaCO3 ini yang dinamakan kalsium karbonat, yang hasilnya berupa endapan. Dalam dunia industri, disebut Precipitated Calcium Carbonate (PCC), sebagai hasil pemurnian kalsium karbonat tersebut.

3.      Larutan Gula

Gula adalah suatu karbohidrat sederhana yang menjadi sumber energi dan komoditi perdagangan utama. Gula paling banyak diperdagangkan dalam bentuk kristal sukrosa padat. Gula digunakan untuk mengubah rasa menjadi manis dan keadaan makanan atau minuman. Gula sederhana, seperti glukosa (yang diproduksi dari sukrosa dengan enzim atau hidrolisis asam), menyimpan energi yang akan digunakan oleh sel. Gula sebagai sukrosa diperoleh dari nira tebu, bit gula, atau aren. Meskipun demikian, terdapat sumber-sumber gula minor lainnya, seperti kelapa. Sumber-sumber pemanis lain, seperti umbi dahlia, anggir, atau jagung, juga menghasilkan semacam gula/pemanis namun bukan tersusun dari sukrosa. Proses untuk menghasilkan gula mencakup tahap ekstrasi (pemerasan) diikuti dengan pemurnian melalui distilasi (penyulingan).

Sebutir kristal gula pasir merupakan gabungan dari beberapa molekul gula. Jika kristal gula itu dimasukkan ke dalam air, maka molekul-molekul gula akan memisah dari permukaan kristal gula menuju ke dalam air (disebut melarut). Molekul gula itu bergerak secara acak seperti gerakan molekul air, sehingga pada suatu saat dapat menumbuk permukaan kristal gula atau molekul gula yang lain.

Sebagian molekul gula akan terikat kembali dengan kristalnya atau saling bergabung dengan molekul gula yang lain sehingga kembali membentuk kristal (mengkristal ulang).

Kristal gula + air larutan gula

Sukrosa ada yang diperoleh dari tebu. Gula tebu kebanyakan dipasarkan dalam bentuk gula kristal curah. Pertama tama bahan mentah dihancurkan dan diperas, sarinya dikumpulkan dan disaring, cairan yang terbentuk kemudian ditambahkan bahan tambahan (biasanya menggunakan kalsium oksida) untuk menghilangkan ketidakkemurnian, campuran tersebut kemudian diputihkan dengan belerang dioksida.

Campuran yang terbentuk kemudian dididihkan, endapan dan sampah yang mengambang kemudian dapat dipisahkan. Setelah cukup murni, cairan didinginkan dan dikristalkan (biasanya sambil diaduk) untuk memproduksi gula yang dapat dituang ke cetakan. Sebuah mesin sentrifugal juga dapat digunakan pada proses kristalisasi.

Untuk membuat suatu larutan gula, perlu adanya penambahan air dalam Kristal gula. Sesuai dengan penjelasan pembuatan gula Kristal diatas, Kristal gula telah mengandung kalsium oksida. Kemudian Kristal gula tersebut dicampurkan dengan air akan membentuk suatu senyawa kimia dengan rumus kimia Ca(OH)2 atau Kalsium Hidroksida. Kalsium hidrokida dapat berupa kristal tak berwarna atau bubuk putih. Kalsium hidroksida dihasilkan melalui reaksi kalsium oksida (CaO) dengan air.  Larutan Ca(OH)2 disebut air kapur dan merupakan basa dengan kekuatan sedang.

Dalam praktikum yang kami lakukan pada hari Senin, 23 April 2012, yaitu tentang pernapasan, setelah melakukan percobaan dengan meniupkan udara hasil ekspirasi ke larutan gula, ternyata larutan gula menjadi agak keruh. Respirasi adalah proses proses penguraian zat organik menjadi molekul yang lebih kecil dan membebaskan energi. Salah satu hasil respirasi ialah karbon dioksida atau CO2. Sehubungan dengan hal tersebut, air gula menjadi agak keruh karena kapur yang terkandung didalam air gula mengikat karbondioksida hasil dari ekspirasi pernapasan sehingga terjadi pengendapan kalsium karbonat.

4.      Larutan Garam

Untuk larutan garam, hasil percobaan yang telah kami dapatkan adalah tidak berubah. Seperti percobaan sebelumnya, setelah menyiapkan beker glass yang diisi aquades, kemudian kami mengambil 1 (satu) sendok makan garam dapur bubuk dan menuangnya pada beker tersebut dan diaduk agar tercampur. Setelah kira-kira garam larut dalam aquades, larutan garam ditiup menggunakan sedotan agar karbon dioksida dapat tercampur. Setelah 3 menit, kemudian kami mengamati perubahan yang terjadi, dan kami mendapatkan hasil bahwa larutan garam sebelum dan setelah dilakukan percobaan adalah sama. Larutan garam tidak menjadi keruh.

Garam adalah senyawa ionik yang terdiri dari ion positif (kation) dan ion negatif (anion), sehingga membentuk senyawa netral (tanpa bermuatan). Garam terbentuk dari hasil reaksi asam dan basa. Komponen kation dan anion ini dapat berupa senyawa anorganik seperti klorida (Cl), dan bisa juga berupa senyawa organik seperti asetat (CH3COO) dan ion monoatomik seperti fluorida (F), serta ion poliatomik seperti sulfat (SO42−). Natrium klorida (NaCl), bahan utama garam dapur adalah suatu garam.

Larutan garam dalam air (Misalnya natrium klorida dalam air) merupakan larutan elektrolit, yaitu larutan yang dapat menghantarkan arus listrik. Cairan dalam tubuh makhluk hidup mengandung larutan garam, misalnya sitoplasma dan darah. Tapi, karena cairan dalam tubuh ini juga mengandung banyak ion-ion lainnya, maka tidak akan membentuk garam setelah airnya diuapkan.

NaCl + CO2

Berdasarkan uraian di atas, dapat kita ketahui bahwa larutan yang berubah atau berbeda dari keadaan semula setelah udara ekspirasi ditiupkan adalah larutan kapur dan larutan gula, larutan menjadi berwarna keruh (+++) untuk larutan kapur dan sedikit keruh (+) untuk larutan gula. Sedangkan air mineral dan larutan garam tetap seperti semula dan tidak menunjukkan adanya perubahan. Dengan demikian, larutan yang dapat mengikat karbondioksida adalah larutan kapur dan larutan gula.

Berdasarkan uraian di atas, dapat kita ketahui bahwa larutan yang berubah atau berbeda dari keadaan semula setelah udara ekspirasi ditiupkan adalah larutan kapur dan larutan gula, larutan menjadi berwarna keruh (+++) untuk larutan kapur dan sedikit keruh (+) untuk larutan gula. Sedangkan air mineral dan larutan garam tetap seperti semula dan tidak menunjukkan adanya perubahan. Dengan demikian, larutan yang dapat mengikat karbondioksida adalah larutan kapur dan larutan gula.

Kegiatan  ini merupakan kegiatan laboratorium IPA terpadu karena mengintegrasikan beberapa mata pelajran IPA, yakni fisika, biologi, dan kimia. Adapun integrasi ketiganya adlah sebagi berikut:

  1. Biologi      : proses dan mekanisme pernapasan atau respirasi
  2. Kimia        : pereaksian antara karbondioksida (CO2) dan larutan kapur  Ca(OH)2
  3. Fisika         : proses peniupan yang menggunakan tekanan udara

VIII.       Conclussion

After we did observation and discussion, we can conclude that:

  1. The waste substances of human respiration are water vapour and carbondioxide;
  2. Respiratory waste substances make some solutions to be cloudy because when carbon dioxide dissolves in water, it forms carbonic acid. Lime water neutralizes the carbonic acid and carbonate ion is formed. Calcium carbonate is insoluble and precipitates
  3. Solutions which could bound carbondioxide are limesolution and sugar solution.

IX.             References

Cambell, et. al. 2006. Biolgy. California: The Benjamin/ Cummings Publishing

Nurhayati, Nunung. 2008. Biology. Bandung: Yrama Widya.

Pribadi, Arif. 2009. Biology. Jakarta: Yudhistira.

accesed from http://www.breath2000.org/physiology.html on Saturday, April 28,\

2012 at 9.07 p.m.)

 

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s