Materi Kuliah 5 MK Oseanografi Umum (ITK221) 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 ion-ion 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) Na(H2O)n+ + Cl(H2O)m- Atau NaCl(s) 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) Unsur Kation gr/Cl (‰) Na+ 0,55653 Mg2+ 0,06626 Ca2+ 0,02127 K+ 0,02060 Sr2+ 0,00041 Unsur Anion gr/Cl (‰) Cl- 0,99891 SO42- 0,14000 HCO3- 0,00586 Br- 0,00347 CO32- 0,00060 B(OH)4- 0,00034 F- 0,000067 B(OH)3 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: Sebaran vertikal minimun di lapisan bawah, Di permukaan kondisi supersaturasi Faktor berpengaruh thd sebaran vertikal : 1. Kesetimbangan oksigen di lapisan udara dan permukaan air, Proses fotosintesa di sub-permukaan, Proses respirasi dan oksidasi, Peningkatan oksigen dari sirkulasi air dasar

Peran mempelajari kandungan oksigen: Mempelajari proses fisika (penetrasi udara) Menduga jumlah bahan organik terdekomposisi Menduga produktivitas

Faktor-faktor menentukan konsentrasi gas di air (O2 dan CO2) 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 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

Distribusi fosfat di laut 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 ‰ berat Cl- 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 Bottles LADCP: Looker upward CTD-O-Nitrate-Chl-a Sensors LADCP: Looker downward LADCP: Lowerred Acoustic Doppler Current Profiler CTD: Conductivity Temperature Depth asalod

Penurunan CTD

Timur Halmahera (Pasifik) Laut Banda CTD Plot

Seawater sampling Using Rossette botles