SIFAT KIMIA TANAH : KAPASITAS TUKAR KATION&ANION PERTEMUAN KE 8 ILMU TANAH PMP 2113 SIFAT KIMIA TANAH : KAPASITAS TUKAR KATION&ANION SETYA WIDI AYUNING P., S.Pi, MP

Kapasitas Tukar Kation (KTK) / Cation Exchangable Cappacity (CEC). Salah satu sifat kimia tanah yang terkait erat dengan ketersediaan hara bagi tanaman dan menjadi indikator kesuburan tanah Kapasitas tukar kation (KTK) suatu tanah dapat didefinisikan adalah sebagai suatu kemampuan koloid tanah menjerap dan mempertukarkan kation Satuan hasil pengukuran KTK adalah milliequivalen kation dalam 100 gram tanah atau me kation per 100 g tanah.

KTK DINYATAKAN DLM 1me/100gr “mole” menyatakan jumlah unsur atau senyawa yang mengandung atom atau molekul sebanyak bilangan Avogadro (6.023x10-23) KTK DINYATAKAN DLM 1me/100gr 1 equivalen adalah suatu jumlah yg secara kimia setara dgn 1 gr H dgn jumlah atom 6.02 x 10-23 1 me setara dgn 1 mg H dan terdiri atas 6.02 x 10-23 atom hidrogen KTK tanah 1 me/100g, berarti setiap 100g tanah mengandung 6.02 x 10-23 muatan negatif

Istilah pertukaran kation (cation exchange) lebih tepat daripada istilah pertukaran basa-basa (base exchange) karena ion H+ tidak termasuk basa juga berperan dalam pertukaran kation. Asal muatan negatif tanah : a. Substitusi isomorfik. penggantian kation bervalensi tinggi oleh kation bervalensi rendah. radius atomnya relatif sama terutama pada mineral liat tipe 2 : 1

Contoh : Si4+ oleh Al3+ (pada Si-tetraeder) Al3+ oleh Mg2+ (pada Al-oktaeder) O2- Si4+ O2- menghasilkan muatan nol (tanpa substitusi, tanpa muatan) O2- Al3+ O2- menghasilkan muatan negatif ( Si4+ disubstitusi Al3+, timbul 1 muatan negatif) b. Ionisasi gugus hidroksil pada pinggiran patahan lempeng silikat dan aluminium

Ka = ------------------------- 10-4,75 = ------------------------- Ionisasi atau disosiasi hidrogen dari gugus karboksilat dan fenolat. R-COOH R-COO- + H+ pH < 7 R-OH R-O- + H+ pH > 9 Hukum aksi massa CH3COOH CH3COO- + H+ pKa = 4,75 (Ka = 10-4,75) ( CH3COO- ) ( H+ ) Ka = ------------------------- ( CH3COOH ) 10-4,75 = -------------------------

10-4,75 (CH3COO-) ------- = ------------------- = 1 (setimbang) ( H+ ) (CH3COOH) 10-4,75 = --------- (H+) = 10-4,75 pH = - log 10-4,75 = 4,75 Bila pH dinaikkan menjadi 6 (CH3COO-) 10-4,75 ------------------- = -------- > 1 (CH3COOH) 10-6 Artinya reaksi ke kanan membentuk CH3COO- dan H+

Jika AB A + B K > 1 : reaksi berlangsung ke kanan K = 1 : konsentrasi yang sama dari A, B dan AB K < 1 : reaksi berlangsung kekiri Jerapan Kation oleh Koloid Tanah Karena gaya elektrolisis pada permukaan liat Urutan mudah tidaknya kation dijerap : Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+ Mg2+ < Ca2+ < Ba2+ Secara umum : M+ < M2+ < M3+

Kation adalah ion bermuatan positif seperti : a. Ca 2+, b. Mg 2+, c. Na+, d. NH4 +, e. H+ f. Al3+ Besarnya KTK tanah dipengaruhi oleh sifat dan unsur tanah itu sendiri antara lain adalah a. Tekstur tanah atau jumlah liat b. Jenis mineral tanah c. Bahan unsur d. Pengapuran dan pemupukan

Nilai KTK mempengaruhi pada : pH Pada pH rendah hanya muatan tetap liat dan sebagian muatan koloid organik yang dapat mempertukarkan kation. Pada pH tinggi , H+ yang diikat koloid organik atau liat berionisasi sehingga KTK meningkat. Nilai KTK tergantung pada : Tektur Makin halus tekstur maka KTK meningkat karena luas permukaan efektif meningkat

Tabel. KTK beberapa tanah di Indonesia dengan tekstur berbeda (Soepardi, 1979). ----------------------------------------------------------------------------- Tekstur KTK (me/100 g) Lempung berdebu 8,1 Lempung liat berdebu 22,9 Liat berdebu 38,8 Lempung liat berdebu 51,2 (tekstur, bahan organik tinggi dan jenis mineral liat)

Ukuran dan luas permukaan 3 tipe liat silikat utama --------------------------------------------------------------------------------------- Ciri Monmorilonit Illit Kaolinit Ukuran (um) 0,01 – 1,0 0,1 – 2,0 0,1 – 5,0 Perm. Spesifik 700 - 800 100 – 200 5 - 20 (m2/g) Perm. Dalam sangat luas sedang tidak ada KTK (me/100 g) 80 – 100 10 – 40 2 – 15

Jenis mineral liat Tabel. KTK berbagai mineral liat dan humus ( Tan, 1982). ----------------------------------------------------------------------------------------- Mineral liat dan humus KTK (me/100 g) ---------------------------------------------------------------------------------------- Vermikulit 100 – 150 Montmorilonit 70 – 95 Illit 10 – 40 Kaolinit 3 – 15 Humus 200 Bahan organik tinggi maka KTK meningkat Pengapuran dan pemupukan : berkaitan dengan perubahan pH mengakibatkan perubahan muatan negatif sehingga KTK berubah.

PERTUKARAN ANION Definisi P. A. : Proses yang reversibel, di mana anion-anion dijerap dan dipertukarkan antara fase-fase padat dan fase cair dan antara fase-fase padat yang bersinggungan sangat dekat. Kapasitas tukar anion: - pada kebanyakan tanah sangat rendah - dominan pada tanah-tanah sangat masam Pengaruh pertukaran anion yang sangat nyata adalah menyebabkan sejumlah hara tertentu (misal P) menjadi tidak tersedia untuk tanaman (fiksasi oleh koloid tanah). Anion yang telah dijerap biasanya lebih sukar untuk dipertukarkan kembali sehingga akan mempengaruhi kesuburan tanah (dalam penyediaan hara tanaman).

ASAL USUL MUATAN POSITIF Gugus-gugus Oh pada lapis oktaheder (Al---OH) dengan menerima proton (H+) maka muncul muatan positif Al---OH + H+ Al—OH2+ (asam) Mekanismenya: dengan menurunnya pH tanah maka disosiasi H+ dari gugus OH terbuka akan berkurang. Dengan demikian muatan listrik negatif juga makin berkurang hingga pada suatu pH tertentu muatan listrik jadi nol atau mineral liat menjadi netral. Nilai pH di mana muatan listrik = 0, disebut Muatan Titik Nol = MTN atau Zero Point Charge (ZPC) = Titik Iso Elektrik dengan simbol pH0

pH H2O > pH KCl maka muatan negatif Bila pH tanah menurun atau < pH0, maka ion-ion H+ akan Diadsorpsi oleh gugus OH terbuka dan koloid-koloid tanah menjadi muatan positif. determinasi (penentuan) muatan negatif, positif dan netral dengan cara pengukuran pH H2O dan pH KCl (1 N) delta pH = pH H2O - pH KCl pH H2O > pH KCl maka muatan negatif pH H2O = pH KCl maka muatan netral pH H2O < pH KCl maka muatan positif

Protonasi gugus fungsional pada humus R – OH + H+ [R – OH2]+ R – NH2 + H+ [R – NH3]+ Adsorpsi anion oleh koloid tanah Adsorpsi negatif (anion repulsion) : penolakan terhadap anion. Adsorpsi positif. Adsorpsi Negatif Terjadi pada permukaan koloid yang bermuatan (-). Dominasi Kation

Penolakan anion dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu: Muatan dan kepekatan anion Reaksi tanah Adanya anion lain Adsorpsi Positif Adsorpsi positif yaitu terjerapnya dan terakumulasinya anion pada permukaan koloid yang bermuatan positif (penolakan kation oleh permukaan yang bermuatan (+) / negative adsorption of cautions). Umumnya KTA < KTK Bolt (1976),Lyotropic series : Urutan kekuatan jerapan anion. SiO44- > PO43- > SO42- > NO3- / Cl Pada pH >6 : jerapan positif terhadap SiO4 – 4 sangat kecil.

Berdasarkan pada jenis permukaan koloid yang bermuatan negatif, KTK dapat dikelompokkan menjadi tiga, yaitu: KTK koloid anorganik atau dikenal sebagai KTK liat tanah, KTK koloid organik atau dikenal sebagai KTK bahan organik tanah, dan KTK total atau KTK tanah.

KTK Koloid Anorganik atau KTK Liat KTK liat adalah jumlah kation yang dapat dipertukarkan pada permukaan koloid anorganik (koloid liat) yang bermuatan negatif. Nilai KTK liat tergantung dari jenis liat, sebagai contoh: Liat Kaolinit memiliki nilai KTK = 3 s/d 5 me/100 g. Liat Illit dan Liat Klorit, memiliki nilai KTK = 10 s/d 40 me/100 g. Liat Montmorillonit, memiliki nilai KTK = 80 s/d 150 me/100 g. Liat Vermikullit, memiliki nilai KTK = 100 s/d 150 me/100 g.

KTK Koloid Organik KTK koloid organik sering disebut juga KTK bahan organik tanah adalah jumlah kation yang dapat dipertukarkan pada permukaan koloid organik yang bermuatan negatif. Nilai KTK koloid organik lebih tinggi dibandingkan dengan nilai KTK koloid anorganik. Nilai KTK koloid organik berkisar antara 200 me/100 g sampai dengan 300 me/100 g.

KTK Total atau KTK Tanah KTK total merupakan nilai KTK dari suatu tanah adalah jumlah total kation yang dapat dipertukarkan dari suatu tanah, baik kation-kation pada permukaan koloid organik (humus) maupun kation-kation pada permukaan koloid anorganik (liat).

Berdasarkan sumber muatan negatif tanah, nilai KTK tanah dibedakan menjadi 2, yaitu: 1. KTK muatan permanen, dan 2. KTK muatan tidak permanen

KTK Muatan Permanen KTK muatan permanen adalah jumlah kation yang dapat dipertukarkan pada permukaan koloid liat dengan sumber muatan negatif berasal dari mekanisme substitusi isomorf. Substitusi isomorf adalah mekanisme pergantian posisi antar kation dengan ukuran atau diameter kation hampir sama tetapi muatan berbeda. Substitusi isomorf ini terjadi dari kation bervalensi tinggi dengan kation bervalensi rendah di dalam struktur lempeng liat, baik lempeng liat Si-tetrahedron maupun Al-oktahedron.

Contoh peristiwa terjadinya muatan negatif diatas adalah: (a). terjadi substitusi isomorf dari posisi Si dengan muatan 4+ pada struktur lempeng liat Si-tetrahedron oleh Al yang bermuatan 3+, sehingga terjadi kelebihan muatan negatif satu, (b). terjadinya substitusi isomorf dari posisi Al yang bermuatan 3+ pada struktur liat Al-oktahedron oleh Mg yang bermuatan 2+, juga terjadi muatan negatif satu, dan (c). terjadi substitusi isomorf dari posisi Al yang bermuatan 3+ dari hasil substitusi isomorf terdahulu pada lempeng liat Si-tetrahedron yang telah bermuatan negatif satu, digantikan oleh Mg yang bermuatan 2+, maka terjadi lagi penambahan muatan negatif satu, sehingga terbentuk muatan negatif dua pada lempeng liat Si-tetrahedron tersebut. Muatan negatif yang terbentuk ini tidak dipengaruhi oleh terjadinya perubahan pH tanah. KTK tanah yang terukur adalah KTK muatan permanen.

KTK Muatan Tidak Permanen KTK muatan tidak permanen atau KTK tergantung pH tanah adalah jumlah kation yang dapat dipertukarkan pada permukaan koloid liat dengan sumber muatan negatif liat bukan berasal dari mekanisme substitusi isomorf tetapi berasal dari mekanisme patahan atau sembulan di permukaan koloid liat, sehingga tergantung pada kadar H+ dan OH- dari larutan tanah

Hasil Pengukuran KTK Tanah Berdasarkan teknik pengukuran dan perhitungan KTK tanah di laboratorium, maka nilai KTK dikelompokkan menjadi 2, yaitu: 1. KTK Efektif, dan 2. KTK Total

KEJENUHAN BASA (KB) Kation-kation yang terdapat dalam kompleks jerapan koloid tersebut dapat dibedakan menjadi kation-kation basa dan kation asam, termasuk kation basa adalah : a. Ca ++ b. Mg ++ c. K+ d. Na++ Sedangkan Kation Asam adalah : a. H+ b. Al+++.

Kejenuhan basa menunjukkan perbandingan antara jumlah kation kation basa dengan semua kation (kation basa dan kation asam) yang terdapat dalam kompleks jerapan tanah. Jumlah maksimum kation yang dapat dijerap tanah menunjukkan besarnya nilai kapasitas tukar kation tanah tersebut. Jumlah Kation - Kation Basa Kejenuhan Basa = ------------------------------------------ x 100% Jumlah Kation basa + Kation Asam Jumlah Kation Basa = ----------------------------- ---- x 100 % KTK