Sifat Fisik-Kimia Air Laut

Sifat Kimia Air Laut
Materi Kuliah 5
MK Oseanografi Umum
(ITK221)
Sifat Dasar Air
Struktur Molekul Air: Hidrogen dan oksigen membetuk
ikatan kovalen polar, dan kombinasi satu atom oksigen dan
dua atom hydrogen yang terpisah dengan sudut 105°.
Sifat Dasar Air
Gerakan elektron-elektron
dalam lintasan strukturnya
mengakibatkan, suatu
muatan positive
terkonsentrasi pada atom
hydrogen yaitu terkait
dengan proton yang tak
terlindungi pada setiap inti
atom hydrogen. Hal ini
menghasilkan polaritas
muatan listrik, yang mana
ujung atom oksigen bersifat
negative sedangkan ujung
atom hydrogen lebih
bersifat positive
SIFAT 1:
Konstanta dielektrik (  ) yang tertinggi dari seluruh
cairan, karena abnormality dari struktur molekul H2O
Struktur asimetrik dengan pergeseran muata listrik
menghasilkan ‘dipole moment’ yang kuat dan daya tarik
yang kuat antar molekul. Dipole moment yang kuat dan
ukuran molekul air yang kecil menyebabkan konstanta
dielektrik yang besar ()  menghasilkan kekuatan
memisahkan“great disolving power”  air pelarut yang baik
atau air sebagai pelarut yang baik
: suatu nilai yang menyatakan seberapa besar intensitas listrik
berkurang pada ruang yang diisi dielektrik dibanding ruang
vakum dengan dielekrik yang sama.
Contoh :
 untuk ruang vakum = 1; udara = 1.0006; petroleum = 2,0;
gelas = 5 – 7 ; mineral mica : 6 – 8, air = 81
AKIBATNYA: Air sebagai
pelarut universal
• Saat molekul terikat dalam bentuk komplek,
•
•
maka molekul air akan mampu menurunkan
intensitas suatu medan listrik yang ada dalam
air, sehingga gaya tarik elektrostatik antara ionion dengan muatan berlawanan dalam air
menjadi lebih lemah  terurai
Karena kemampuannya dalam melarutkan
hampir setiap material
Pelarut baik terutama untuk senyawa berikatan
polar atau ionic (NaCl), tetapi sedikit untuk
senyawa non-polar (minyak hidrokarbon)
SIFAT 2: Ikatan Hidrogen 
Sifat Polaritas
• Tidak membentuk ion (air
konduktor lemah thd
medan listrik), air lebih
berorientasi ke kutub +/sendiri (menetralkan
medan listrik).
• Molekul air membentuk
ikatan dengan molekul air
lainnya melalui gaya
intermolekul lemah
(ikatan hydrogen)
Formasi grup molekul air
• water no.I : struktur
•
•
tetrahedral
water no.II : struktur
quartzite-like lattice
(kisi-kisi terali)
water no.III : struktur
‘ball pack of greatest
density’ (susunan
yang paling sedikit
ruang kosong).
Untuk massa yang sama: No I vol. max, No III vol. min
Suhu tinggi  bentuk I (kurang rapat) yang dominan
Suhu rendah  bentuk III (sangat rapat) yang dominan
Saat suhu menurun  menyusut  susunan air bergeser
menjadi No. III dan pada suhu 4oC: densitas maksimum
air tawar terjadi.
Bila suhu turun lagi dari 4oC, molekul air memuai,
susunan mol air bergeser ke No. II dan saat membeku
pada 0oC, semua molekul No. I (densitas minimum atau
volume maksimum
 es mengambang di air.
Pengaruh ikatan hidrogen
terhadap sifat fisika air
• Titik beku dan titik didih yang tinggi.
• Kalor lebur dan kalor uap yang besar
• Sifat anomali dengan densitas maximum pada
•
•
suhu 4°C
Tegangan permukaan dan viskositas tinggi
(viskositas = daya tahan fluida terhadap gaya
yang dikenakan)
Kompresibilitas rendah (perubahan tekanan
besar, tetapi hanya sedikit merubah berat
jenis).
Perkiraan suhu titik
beku dan titik didih air
(H2O) berdasarkan
berat molekul seperti
molekul lain yang
dengan komposisi yang
mirip (2 atom hidrogen
dan satu atom elemen
lainnya). Ttk beku dan
ttk didih meningkat
dgn berat molekul
Bahang untuk perubahan status tanpa perubahan suhu: utk
melepaskan ikatan (bonds)
Ilustrasi lainnya
Hidrasi
• NaCl dalam air, maka gaya tarik elektrostatik
antara Na dan Cl menurun, sehingga mudah
terdesosiasi. Desosiasi ion akan tertarik ke
kutub molekul air. Saat gaya elektrostatik
melemah, ion tsb akan dikelilingi kutub-kutub
molekul air (Hidrasi) :
NaCl(s) + (n+m)H2O(l)
Atau
NaCl(s)
Na(H2O)n+ + Cl(H2O)m-
Na+(aq) + Cl-(aq)
Pengaruh garam thd sifat fisika
air
• Meningkat:
Densitas, viskositas, tekanan uap,
kompresibilitas, tegangan
permukaan.
• Menurun:
Suhu Densitas maximum, titik beku.
Senyawa Kimia Air Laut
Komponen Kimia Air Laut:
1. Partikel tersuspensi (filter > 0,45 µm)
Bahan organik (detritus)
Bahan anorganik (mineral)
2. Gas
Konservatif (tidak terpengaruh oleh proses biologi; N2, Ar
dan Xe).
Non-konservatif (dipengaruhi oleh proses biologi; O2 dan
CO2).
3. Kolloids (< 0,45 µm, tidak terlarut)
Anorganik (oxyhidroksida)
Organik (organometalik)
4. Bahan Terlarut
Anorganik
 Unsur utama (0,05 – 750 mM); Na, Cl, Ca, K, Mg
 Unsur minor (0,05 – 50 µM); P dan N
 Unsut trace (0,05 – 50 nM); Pb, Hg, Cd
Organik (asam humus)
Unsur-Unsur Utama di air laut
(Millero, 1982)
gr/Cl (‰)
Unsur Kation gr/Cl (‰)
Unsur Anion
Na+
0,55653
Cl-
0,99891
Mg2+
0,06626
SO42-
0,14000
Ca2+
0,02127
HCO3-
0,00586
K+
0,02060
Br-
0,00347
Sr2+
0,00041
CO32-
0,00060
B(OH)4-
0,00034
FB(OH)3
0,000067
0,00105
Sumber Senyawa Kimia
Siklus Air
Hidrothermal
Pelapukan
Aktifitas Manusia
Proses Pelapukan:
Air hujan mengandung CO2 dan SO2 (asam),
bereaksi mineral tanah dan bantuan.
CaCO3 (s) + CO2(g) + H20
(calcite)
(air hujan)
Ca2+ (s) + 2HCO3(terlarut)
2NaAlSi3O8(s) + CO2(g) + H20
(albite)
(air hujan)
Al2Si2O5(OH)4(s) + 2Na+(aq) + 2HCO3-(aq) + 4SiO2(aq.s)
(kaolinit, clay)
(terlarut)
Oksigen
Terlarut (DO)
Karakter oksigen dalam air:
1. Sebaran vertikal minimun di lapisan
bawah,
2. Di permukaan kondisi supersaturasi
Faktor berpengaruh thd sebaran
vertikal :
1. Kesetimbangan oksigen di lapisan
udara dan permukaan air,
2. Proses fotosintesa di sub-permukaan,
3. Proses respirasi dan oksidasi,
4. Peningkatan oksigen dari sirkulasi air
dasar
Peran mempelajari kandungan oksigen:
1. Mempelajari proses fisika (penetrasi udara)
2. Menduga jumlah bahan organik terdekomposisi
3. Menduga produktivitas
Faktor-faktor menentukan konsentrasi
gas di air (O2 dan CO2)
Faktor
Pengaruhnya
Gelombang dan arus
Pertukaran gas air laut vs atmosfer meningkat
Perbedaan konsentrasi
Terjadi difusi gas antar muka air dan udara dari
konsentrasi tinggi ke rendah hingga kondisi
setimbang
Suhu
Suhu turun, daya larut menurun
Salinitas
Salinitas meningkat, daya larut turun
Tekanan
Tekanan meningkat, daya larut meningkat
Fotosintesa
Oksigen meningkat, CO2 menurun
Respirasi
CO2 meningkat, Oksigen menurun
Dekomposisi
CO2 meningkat, Oksigen menurun
pH
Mengendalikan spesiasi CO2 dalam air
Fotosintesa
Tanaman: energi mata hari mengubah CO2 dan
H2O menjadi carbohidrat dan O2 via Fotosintesa:
106 CO2 + 16 HNO3 + H3PO4 +78 H2O 􀁕
C106H175O42N16P + 150 O2
Hewan melakukan respirasi:
O2 + carbohydrates → CO2 + H2O + energy
Mikronutrien (unsur hara)
• Unsur utama : Nitrogen dan fosfor
• Unsur tambahan : silica (bagi
organisme pmbentuk cangkang, mis.
Diatom)
• Unsur lain : Fe, Mn, Cu, Zn, Co dan
Mo (tidak menghambat
pertumbuhan)
Blooming
Fosfor di Laut
• Bentuk : terlarut dan partikel
• Komponen : anorganik dan organik
Distribusi fosfat di laut
• Dipengaruhi oleh proses biologi dan
fisika perairan.
• Dipermukaan perairan, fosfat
dimanfaatkan melalui proses
fotosintesa
Nitrogen di Laut
• Senyawa nitrogen di laut sangat
terbatas (~ 1/10 konsentrasi N2)
• Bentuk : terlarut dan partikel
(organik dan anorganik)
• Sumber nitrogen: aktifitas gunung
api (NH3); udara (fixasi N2); sungai
(pupuk)
Silika di Laut
• Sumber mineral utama adalah pelapukan
batuan, bentuk mineral adalah quartz,
feldspar dan clay.
• Di laut, kondisi silica kurang jenuh,
partikel silica melarut di perairan dalam,
dan proses pelarutan ini berjalan lambat,
karenanya profil konsentrasi dengan
kedalaman tidak menunjukkan maksimum
seperti nitrogen dan fosfor.
Salinitas
Konsep Salinitas
• Salinitas sebagai ”nilai massa garam
•
terlarut dalam masa air laut tertentu”.
Caranya: pengeringan dan penimbangan
• Kelemahan/kesulitan:
sebagian senyawa hilang saat pemanasan
misalnya;
– bikarbonat dan karbonat teroksidasi,
– Cl2, Br2 dan B(OH)3 menguap
Difinisi
“berat dalam gram garam terlarut dalam
satu kilogram air laut, dimana semua
bromida dan iodida digantikan dengan
jumlah equivalen chlorida, dan semua
karbonat digantikan dengan jumlah
equivalen oksida”
(Forch, Knudsen dan Sorensen)
Prinsip “Marcet”
• Komposisi unsur utama di air laut adalah relatif
tetap.
• Dasar penentuan chlorinitas sbg teknik analisis
salinitas.
• Chlorinitas = nilai equivalen chlorin terhadap
konsentrasi total halida dalam ppt berat (g Cl/Kg
air laut) yang diukur dengan titrasi AgNO3.
Komposisi ion utama Rata-rata air laut
Ion
Cl-
‰ berat
18,980 Total anion = 21,861‰
SO42-
2,649
HCO3-
0,140
Br-
0,065
H2BO3-
0,026
F-
0,001
Na+
10,556 Total kation = 12,621‰
Mg2+
1,272
Ca2+
0,400
K+
0,380
Sr2+
0,013
Total S
34,482 ‰
Kondisi Salinitas 35 ‰
Hubungan Chlorinitas vs Salinitas
No.
Rumus
Keterangan
1.
S = 1,812 Cl (‰)
Forchhammer
2.
S = 1,8056 Cl (‰)
Dittmar
3.
S = 1,8148 Cl (‰)
Lyman dan Fleming
4.
S = 1,81537 Cl (‰)
Millero dan Sohn
5.
S = 1,805 Cl (‰) + 0,03
Morris dan Riley
6.
S = 1,80655 Cl (‰)
JPOTS
Komposisi ion-ion air laut dapat
berubah pada wilayah-wilayah
• Daerah tertutup, estuari, dan pengaruh
•
•
•
•
sungai
Palung, Fjord, dan sirkulasi terbatas
Daerah dangkal dan penguapan tinggi
Daerah hidrotermal
Dalam sedimen
Sebaran Salinitas
Sebaran Salinitas Menegak
LADCP/CTD (+optional: Chl-a, Nitrate, Oxygen
24 Rossette B
LADCP: Looker upward
CTD-O-Nitrate-Chl-a
LADCP: Looker downward
asalod
LADCP: Lowerred
Acoustic Doppler
Current Profiler
CTD: Conductivity
Temperature Depth
Penurunan CTD
Timur Halmahera (Pasifik)
Laut Banda
CTD Plot
Seawater sampling
Using Rossette botles