MK. DASAR ILMU TANAH MINERALOGI TANAH Oleh: smno.jursntnh.fpub.des2013

Komposisi Tanah Mineral Mineral Primer: Kuarsa Mineral Sekunder: Liat silikat Udara: Mineral: 20-30% 45% Air: 20-30% Organik 5% Pori: 50% Padatan: 50%

MINERAL Mineralogi: cabang ilmu geologi yg mempelajari kerak bumi dari sudut pandang MINERAL MINERAL = “minera” , yang artinya “BIJIH” “Mineral” adalah komponen batuan yg mempunyai komposisi kimiawi tertentu dengan sifat-sifat fisik yg khas (warna, kekerasan, kilap, dll). Mineral ini merupakan produk alami dari proses kimia-fisika di dalam kerak bumi. AMORF dan KRISTALIN Amorf: bahan padatan yg dicirikan oleh tidak adanya struktur yg tegas, mempunyai sifat fisik seragam pd semua arah (isotropik) Kristalin = kristaloid: bahan padatan yg mempunyai struktur kristal tertentu, sifat-sifatnya ditentukan oleh (1) jumlah unit struktural (atom , ion, atau molekul) yg diikat bersama oleh gaya elektrostatika dlm suatu pola tertentu, (2) perbandingan ukuran unit-unit strukturalnya, dan (3) ikatan kimia antara atom-atom. KOLOID : “COLLA” = perekat, lem adalah sistim dispersi yg heterogen terdiri atas fase terdispersi dan medium dispersi. Fase terdispersi merupakan partikel halus ( 1 - 100 mU) tersebar merata dlm medium dispersinya. Koloid ada dua macam, yaitu GEL (partikel terdispersi dominan) dan SOL (medium dispersinya dominan)

KLASIFIKASI MINERAL Divisi I : Unsur-unsur alami dan senyawa inter-metalik Divisi II : Karbida, Nitrida, dan Fosfida Divisi III : Sulfida, Garam Sulfon, dan senyawa turunannya Divisi IV : Halida (Fluorida; Klorida, Bromida, dan Iodida) Divisi V : Oksida (Oksida sederhana, Hidroksida) Divisi VI : Garam oksigen (Iodat, Nitrat, Karbonat, Sulfat, Kromat, Molibdat, Fosfat, Arsenat, Borat, dan Silikat) Klasifikasi Silikat: 1. Neso-Silikat : Tetrahedra SiO4 berdiri sendiri-sendiri 2. Soro-silikat : dua SiO4 berpolimerisasi 3. Siklo-silikat : Tetrahedra SiO4 membentuk rantai siklis 4. Ino-silikat : Tetrahedra SiO4 membentuk lembaran kontinyu 5. Filo-silikat : Polimerisasi SiO4 membentuk struktur tiga dimensi 6. Tekto-silikat : Tetrahedra SiO4 berpolimerisasi membentuk struktur tiga dimensi yang kompleks.

KELOMPOK OKSIDA HEMATIT : Fe2O3 MAGNETIT : FeFe2O4 1. Dalam pembentukannya diperlukan oksigen dari udara 2. Ikatan ionik di antara unit-unit strukturalnya 3. Struktur kristal mengandung O (oksida) dan OH- (hidroksida) 4. Dlm struktur kristalnya, kation inti dikelilingi oleh anion oksigen dan hidroksil HEMATIT : Fe2O3 Komposisi kimia : mengandung 70% Fe, campurannya Ti dan Mg Struktur kristal : Agak kompleks Habit : Pipih, Rhombohedral Warna : Hitam besi hingga kelabu baja Kekerasan : 5.5 - 6.0; Rapuh Berat jenis : 5.0 - 5.2 Sifat diagnostik : Warna goresannya merah, sangat keras, tidak magnetik Genesis : Dibentuk dalam suasana oksidasi dlm endapan dan batuan MAGNETIT : FeFe2O4 Komposisi kimia : FeO 70%, Fe2O3 69%, kadar Fe 72.4% Sistem : Kubik, simetrik, heksoktahedral Habit : Oktahedral Warna : Hitam besi Kekerasan : 5.5 - 6.0; Rapuh Berat jenis : 4.9 - 5.2 Sifat diagnostik : Magnetik kuat, Warna goresannya hitam Genesis : Dibentuk dalam suasana reduksi dlm endapan bijih dan batuan

KELOMPOK OKSIDA KUARSA: SiO4 1. Ada tiga polimorfiknya: Kuarsa, Tridimit, Kristobalit 2. Modifikasinya diberi awalan alfa, beta 3. Ion inti Si4+ dikelilingi oleh empat anion oksigen O= yg menempati titik sudut tetrahedron KUARSA : SiO2 Komposisi kimia : Sesuai dg formulanya Struktur kristal : Agak sederhana . Habit : Heksagonal Warna : Tidak berwarna, putih susu, kelabu Kekerasan : 7.0 Berat jenis : 2.5 - 2.8 Sifat diagnostik : Bentuknya yg khas, keras, tdk mempunyai belahan Genesis : Bentuk kristal Kuarsa

KELOMPOK HIDROKSIDA 1. Senyawa logam dengan OH- : Hidrat atau hidroksida 2. Struktur kristalnya berlapis 3. Heksagonal BRUSIT : Mg(OH)2 Komposisi kimia : MgO 69%; H2O 31%; campurannya Fe dan Mn Struktur kristal : Berlapis Habit : Tabuler tebal Warna : Putih, kadangkala kehijauan Kekerasan : 2.5 Berat jenis : 2.3 - 2.4 Sifat diagnostik : Mudah larut dlm HCl HIDRARGILIT : Al(OH)3 Komposisi kimia : Al2O3 65.4%, H2O 34.6% Sistem : Monoklin, Simetri prismatik Struktur kristal : Berlapis, lembaran Al dijepit oleh dua lembaran hidroksil Habit : Tabuler-heksagonal Warna : Putih, sedikit kekelabuan Kekerasan : 2.5 - 3.5 Berat jenis : 2.43 Sifat diagnostik : Belahan sgt baik, kilap kaca, ringan

KELOMPOK KARBONAT KALSIT : CaCO3 MAGNESIT : Mg(CO3 ) Komposisi kimia : CaO 56%; CO2 44%; campurannya Mg, Fe dan Mn sampai 8% Struktur kristal : spt NaCl Habit : Skalenohedral Agregat : Kalsit yg kompak disebut “Marble”, Sdg Batukapur bersifat kriptokristalin kompak Warna : umuknya tdk berwarna, atau Putih susu Kekerasan : 3.0; Rapuh Berat jenis : 2.6 - 2.8 Sifat diagnostik : Bereaksi dg keras bila diberi HCl KELOMPOK KARBONAT MAGNESIT : Mg(CO3 ) Komposisi kimia : MgO 47.6, CO2 52.4% Sistem : Trigonal, Simetri , ditrigonal skalenohedral Struktur kristal : Analog dg kalsit Habit : Umumnya rhombohedral Warna : Putih dg becak kekuningan atau kekelabuan Kekerasan : 4.0 - 4.5 ; Rapuh Berat jenis : 2.9 - 3.1 Sifat diagnostik : Larut asam bila dipanaskan, kondisi dingin tdk bereaksi dg HCl DOLOMIT : CaMg(CO3)2 Komposisi kimia : MgO 21.7%, CaO 30.4%, CO2 47.9% Sistem : Trigonal, Simetri rhombohedral Warna : Putih kelabu Kekerasan : 3.5 - 4.0 ; Rapuh Berat jenis : 1.8 - 2.9 Sifat diagnostik : Kondisi dingin lambat bereaksi dg HCl

KELOMPOK FOSFAT VIVIANIT : Fe3(PO4)2 . 8H2O APATIT : Ca5(PO4)3Cl,OH,F Sistem : Monoklinik Habit : Kristal prismatik Warna : tidak berwarna Kekerasan : 1.5 - 2.0 Berat jenis : 2.68 Sifat diagnostik : Biasanya berubah menjadi biru atau hijau , belahan jelas, larut asam nitrat menghasilkan endapan fosfat yg kuning APATIT : Ca5(PO4)3Cl,OH,F Sistem : Heksagonal Habit : Kristal dlm batu kapur prismatik Belahan : Tidak jelas Kekerasan : 5.0 ; Rapuh Berat jenis : 3.1 - 3.2 Warna : Hijau, hijau kebiruan, hijau kelabu, biru, violet Sifat diagnostik : Bentuk kristalnya, warnanya , lareut dlm asam TURQUOIS : CuAl6(PO4)4(OH)8. 4H2O Sistem : Triklinik Habit : Kristal jarang ditemukan, biasanya masif Warna : Putih kelabu Kekerasan : 5 - 6.0 Berat jenis : 2.6 - 2.8 Warna : Biru langit, Hijau kebiruan Sifat diagnostik : Warna biru yang khas

KELOMPOK FELDSPAR SANIDIN= ORTOKLAS : KAlSi3O8 MIKROKLIN : KAlSi3O8 Sistem : Monoklinik Habit : Kristal prismatik pndek, agak pipih atau memanjang Warna : umumnya tidak berwarna Kekerasan : 6.0 Berat jenis : 2.56 Sifat diagnostik : Kilap kaca MIKROKLIN : KAlSi3O8 Sistem : Triklinik Habit : Serupa dg Ortoklas Belahan : Sempurna, baik Kekerasan : 6.0 Berat jenis : 2.56 Warna : Putih, cream, merah muda Sifat diagnostik : Sifat optik PLAGIOKLAS : (Ca,Na)(Al,Si) AlSi2O8 Sistem : Triklinik Habit : Kristal biasanya berbentuk batang Warna : Putih atau kelabu Kekerasan : 6.0 Berat jenis : 2.62 - 2.76 Sifat diagnostik : bentuk kembar

FILOSILIKAT KAOLINIT : Al4Si4O10(OH)8 1. Ciri khusus: Adanya tetrahedron SiO4 dimana tiga atom oksigen pd titik sudutnya mengikat tetrahedra lainnya shg membentuk lembaran tetrahedra 2. Lembaran tetrahedra ini dapat bergabung dg lembaran oktahedra membentuk lapisan majemuk tetrahedra-oktahedra KAOLINIT : Al4Si4O10(OH)8 Sistem : Triklinik Habit : Kristal pseudoheksagonal pipih Belahan : Sempurna Kekerasan : 2.0 Berat jenis : 2.6 Warna : Putih, seringkali berbintik coklat atau kelabu Kimiawi : Komposisi sesuai formula, substitusi jarang terjadi. Polimorfiknya adalah Dikrit, Nakrit, dan Haloisit. MONTMORILONIT : Al2Si4O10(OH)2. xH2O Sistem : Monoklinik Habit : Kristal sukar dilihat Warna : Biasanya kelabu atau kelabu kehijauan Kekerasan : 2 - 2.5 Berat jenis : 2.0 - 2.7, menurun dengan kadar air Sifat diagnostik : Komposisinya selalu menyimpang dari formula ideal, sering terjadi substitusi atom dlm struktur kristal, misalnya Mg mengganti Al, Al mengganti Si. Substitusi ini mengakibatkan munculnya muatan negatif pd struktur.

FILOSILIKAT VERMIKULIT : Mg3Si4O10(OH)2 . xH2O Sistem : Monoklinik Habit : Biasanya pseudomorf Belahan : Sempurna Kekerasan : 1.5 Berat jenis : 2.4 Warna : Kuning sampai coklat Kimiawi : Selalu ada sejumlah Al yg menggantikan Si, Mg oleh feri

KELOMPOK MIKA MUSKIVIT : KAl2(AlSi3O10) (OH)2 Sistem : Monoklinik Habit : Biasanya masanya berlapis Warna : Tidak berwarna atau pucat Kekerasan : 2.5 Goresan : Putih Komposisi kimia : Komposisinya beragam akibat substitusi atom. Sejumlah Na menggantikan K. Sebagian Al (koordinasi enam) digantikan oleh Mg dan Fe. BIOTIT : K(Mg,Fe)3 (AlSi3O10)(OH)2 Sistem : Monoklinik Habit : Kristalnya prisma pseudo-heksagonal, seringkali pipih berlapis Belahan : Sempurna Kekerasan : 2.5 Berat jenis : 2.8 - 3.4 Warna : Kuning pucat hingga coklat Komposisi kimia : Komposisinya beragam. Sebagian K diganti oleh Na, Ca, Rb, Cs. Mg dapat diganti oleh fero dan feri; sebagian OH dapat diganti oleh F KHLORIT : (Mg, Fe,Al)6 (Al,Si)4O10 (OH)8 Sistem : Monoklinik Habit : Kristal pseudo-heksagonal Warna : Hijau khas Kekerasan : 2.5 Berat jenis : 2.6 - 3.3 Warna : Hijau khas Komposisi kimia : Mg dan Fe dapat saling menggantikan

MINERAL LIAT Foto: smno.kampus.ub.febr2013

Rangkaian reaksi-reaksi menurut Bowen (c)2001 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Resistensi pelapukan lebih rendah Kristalisasi pd suhu tinggi Olivin Augite Hornblende Resistensi pelapukan lebih tinggi Kristalisasi pd suhu rendah Kuarsa Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Asal-usul Mineral Liat “The contact of rocks and water produces clays, either at or near the surface of the earth” (from Velde, 1995). Rock +Water  Clay Misalnya: The CO2 gas can dissolve in water and form carbonic acid, which will become hydrogen ions H+ and bicarbonate ions, and make water slightly acidic. CO2+H2O  H2CO3 H+ +HCO3- The acidic water will react with the rock surfaces and tend to dissolve the K ion and silica from the feldspar. Finally, the feldspar is transformed into kaolinite. Feldspar + hydrogen ions+water  clay (kaolinite) + cations, dissolved silica 2KAlSi3O8+2H+ +H2O  Al2Si2O5(OH)4 + 2K+ +4SiO2 Kation hidrogen dapat menggantikan kation lainnya. Steady water cannot sustain the reaction. Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Asal-usul Mineral Liat Perubahan feldspar menjadi kaolinite lazim terjadi pada granite yang terdekomposisi. The clay minerals are common in the filling materials of joints and faults (fault gouge, seam) in the rock mass. Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Unit-dasar Silika Tetrahedra (Si2O10)-4 1 Si 4 O Replace four Oxygen with hydroxyls or combine with positive union Tetrahedron Plural: Tetrahedra Hexagonal hole (Holtz and Kovacs, 1981) Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Unit-dasar Lembar Oktahedra 1 Cation 6 O or OH Lembar Gibbsite : Al3+ Al2(OH)6, 2/3 cationic spaces are filled One OH is surrounded by 2 Al: Dioctahedral sheet Different cations Lembar Brucite : Mg2+ Mg3(OH)6, all cationic spaces are filled One OH is surrounded by 3 Mg: Trioctahedral sheet (Holtz and Kovacs, 1981) Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Unit-dasar Mitchell, 1993 Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Noncrystalline clay -allophane Sintesis Mitchell, 1993 Noncrystalline clay -allophane Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Trovey, 1971 ( from Mitchell, 1993) Mineral Kaolinit Rongga Basal 7.2 Å layer Si4Al4O10(OH)8. Bentuknya pipih The bonding between layers are van der Waals forces and hydrogen bonds (strong bonding). Tidak ada pengembangan interlayer Lebar: 0.1~ 4m, Tebal: 0.05~2 m Trovey, 1971 ( from Mitchell, 1993) 17 m Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Trovey, 1971 ( from Mitchell, 1993) Mineral - Halloysit Si4Al4O10(OH)8·4H2O Satu lapis air di antara lapisan. The basal spacing is 10.1 Å for hydrated halloysite and 7.2 Å for dehydrated halloysite. If the temperature is over 50 °C or the relative humidity is lower than 50%, the hydrated halloysite will lose its interlayer water (Irfan, 1966). Note that this process is irreversible and will affect the results of soil classifications (GSD and Atterberg limits) and compaction tests. Tidak ada interlayer yang dapat mengembang. Bentuk hidratnya Tubular. Classification and compaction tests made on air-dried samples can give markedly different results than tests on samples at their natural water content. Trovey, 1971 ( from Mitchell, 1993) 2 m Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Mineral – Montmorilonit 2:1 Si8Al4O20(OH)4·nH2O (Theoretical unsubstituted). Film-like shape. There is extensive isomorphous substitution for silicon and aluminum by other cations, which results in charge deficiencies of clay particles. n·H2O and cations exist between unit layers, and the basal spacing is from 9.6 Å to  (after swelling). The interlayer bonding is by van der Waals forces and by cations which balance charge deficiencies (weak bonding). There exists interlayer swelling, which is very important to engineering practice (expansive clay). Width: 1 or 2 m, Thickness: 10 Å~1/100 width n·H2O+cations Montmorillonite is the dominant clay mineral in bentonite, altered from volcanic ash. Bentonite has the unsual property gives rise to interesting industrial used. Most important is as drilling mud in which the montmorillonite is used to give the fluid viscosity several times that of water. It is also used for stopping leakage in soil, rocks, and dams. (Holtz and Kovacs, 1981) 5 m Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Mineral - Illit potassium Si8(Al,Mg, Fe)4~6O20(OH)4·(K,H2O)2. Flaky shape. Struktur dasrnya serupa dengan mica, sehingga kadangkala disebut hydrous-mica. Illite merupakan komponen utama dari batu-sabak. Some of the Si4+ in the tetrahedral sheet are replaced by the Al3+, and some of the Al3+ in the octahedral sheet are substituted by the Mg2+ or Fe3+. Those are the origins of charge deficiencies. The charge deficiency is balanced by the potassium ion between layers. Note that the potassium atom can exactly fit into the hexagonal hole in the tetrahedral sheet and form a strong interlayer bonding. The basal spacing is fixed at 10 Å in the presence of polar liquids (no interlayer swelling). Lebar : 0.1~ beberapa m, Tebal: ~ 30 Å potassium K (1)Fewer of Si4+positions are filled by Al3+ in the illite. (2)There is some randomness in the stacking of layers in illite. (3) There is less potassium in illite. Well-organized illite contains 9-10% K2O. (4) Illite particles are much smaller than mica particles. Ferric ion Fe3+ Trovey, 1971 ( from Mitchell, 1993) 7.5 m Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Mineral - Vermikulit Illit Vermikulit Lembar oktahedra nya Brusit. Rongga basalnya 10 Å - 14 Å. Kation tukarnya Ca2+ dan Mg2+ dan dua lapis air di dalam inter-layer nya. Dapat menjadi bahan isolator yang bagus setelah mengalami dehidratasi. Vermiculite is similar to montmorillonite, a 2:1 mineral, but it has only two interlayers of water. After it is dried at high temperature, which removes the interlayer water, expanded” vermiculite makes an excellent insulation material. Illit Vermikulit Mitchell, 1993 Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Diagram of the structures of (a) kaolinite; (b) illite; (c) montmorillonite (c)2001 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Rongga basalnya tetap 14 Å. Mineral Khlorit It is significantly less active than montmorillonite. Rongga basalnya tetap 14 Å. Gibbsit atau brusit Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Struktur atomik Mineral Illit (c)2001 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

octahedral (gibbsite) sheet; elemental silica-gibbsite sheet. (c)2001 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Gambar : Silika tetrahedra; Lembar silika; alumina octahedron; octahedral (gibbsite) sheet; elemental silica-gibbsite sheet. (Grim, 1959) Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Struktur atomik montmorillonit (Grim, 1959) (c)2001 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Struktur Rantai Mineral Liat Attapulgit Morfologinya seperti benang atau serabut. Diameter partikel 50 - 100 Å dan panjangnya 4 - 5 m. Attapulgit berguna sebagai “drilling mud” di lingkungan saline karena sangat stabil. 4.7 m Trovey, 1971 ( from Mitchell, 1993) Although these minerals are not frequently encountered, attapulgite has been found useful as a drilling mud in saline environments because of its high stability. Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Liat-liat berlapis campuran Berbagai tipe mineral mliat mempunyai struktur serupa (lembar tetrahedra dan octahedra) sehingga tampak adanya interstratification lapisan-lapisan mineral liat yang berbeda. Umumnya, liat-liat berlapis campuran terdiri atas interstratification lapisan-lapisan mengembang yg mengandung air dan lapisan yg tidak mengandung air. Montmorillonite-illite adalah contohnya, dan yang sering ditemukan juga adalah chlorite-vermiculite dan chlorite-montmorillonite. Most than one type of clay mineral is usually found in most soils. Because of the great similarity in crystal structure among the different minerals, interstratification of two or more layer types often occurs within a single particle The most abundant mixed layer material is composed of expanded water-bearing layers and contracted non-water-bearing layers. Montmorillonite-illite is most common, and chlorite-vermiculite and chlorite-montmorillonite are often found (Mitchell, 1993) Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Material Liat Non-kristalin Allophane Allophane adalah X-ray amorf dan tidak mempunyai komposisi dan bentuk yang definit. Ia terdiri atas partikel-partikel membulat tidak teratur dengan diameter 3.5 - 5.0 nm. The formation of imogolite and allophane occur during weathering of volcanic ash under humid, temperate or tropical climate conditions. Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

IDENTIFIKASI MINERAL LIAT

Difraksi Sinar-X Mitchell, 1993 Electronmicroscopy, both transmission and scanning, can be used to identify clay minerals in a soil sample, but the process is not easy and/or quantitative. Bragg’s law: The two rays will constructively interfere if the extra distance ray I travels is a whole number of wavelengths farther then what ray II travels. The distance of atomic planes d can be determined based on the Bragg’s equation. BC+CD = n, n = 2d·sin, d = n/2 sin where n is an integer and  is the wavelength. Different clays minerals have various basal spacing (atomic planes). For example, the basing spacing of kaolinite is 7.2 Å. Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Analisis Diferensial Termal (DTA) Differential thermal analysis (DTA) consists of simultaneously heating a test sample and a thermally inert substance at constant rate (usually about 10 ºC/min) to over 1000 ºC and continuously measuring differences in temperature and the inert material T. Endothermic (take up heat) or exothermic (liberate heat) reactions can take place at different heating temperatures. The mineral types can be characterized based on those signatures shown in the left figure. (from Mitchell, 1993) All these equipment can be found in the Materials Characterization and Preparation Facility. Misalnya: Perubahanj kuarsa dari bentuk  menjadi bentuk  pada suhu 573 ºC dan puncak endotermiknya dapat dilihat. T Temperature (100 ºC) Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Analisis Diferensial Termal (DTA) Kalau sampelnya inert secara termal Kalau terjadi fase transisi dari sampel T T Crystallize Melt Time t Time t Endothermic reactions take up heat from surroundings and therefore the temperature T decreases. Exothermic reactions liberate heat to surroundings and therefore the temperature T increases. T= the temperature of the sample – the temperature of the thermally inert substance. Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

METODE LAINNYA Electron mikroskop Permukaan jenis (Ss) Kapasitas Tukar Kation - Cation exchange capacity (CEC) Peta Plastisitas Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

METODE LAINNYA 5. Penetapan Kalium 6. Analisis Thermogravimetrik Well-organized 10Å illite layers contain 9% ~ 10 % K2O. 6. Analisis Thermogravimetrik It is based on changes in weight caused by loss of water or CO2 or gain in oxygen. Sometimes, you cannot identify clay minerals only based on one method. Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

PERMUKAAN JENIS (Ss)

Ss berbanding terbalik dengan ukuran partikel DEFINISI Preferred Gaya-gaya permukaan : gaya-gaya van der Waals, Gaya kapiler, dll. Contoh : Demonstration of capillary force between Large particle and small particle. Ss berbanding terbalik dengan ukuran partikel Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Nilai-nilai yang Khas 50-120 m2/gm (Permukaan eksternal) 700-840 m2/gm (termasuk permukaan interlayer) Montmorillonit Permukaan Interlayer Say something about the engineering applications and the specific surface Illit 65-100 m2/gm Kaolinit 10-20 m2/gm Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

INTERAKASI AIR DAN MINERAL LIAT

Asal-usul Defisiensi Muatan Imperfections in the crystal lattice – Substitusi Isomorfik. The cations in the octahedral or tetrahedral sheet can be replaced by different kinds of cations without change in crystal structure (similar physical size of cations). Misalnya: Al3+ in place of Si4+ (lembaran Tetrahedral) Mg2+ instead of Al3+(lembaran Octahedral) Muatan tidak seimbang (defisiensi muatan) Ini merupakan sumber utama defisiensi muatan pada Montmorillonit. Pada Kaolinit hanya sedikit sekalu substitusi isomorfiknya. Common examples are aluminum in place of silicon, magnesium instead of aluminum, and ferrous iron (Fe2+) for magnesium. This presence in an octahedral or tetrahedral position of a cation other than that normally found, without change in crystal structure, is isomorphous substitution. Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Asal-usul Defisiensi Muatan 2. Imperfections in the crystal lattice – Tepian patahan Tepian patahan dapat bermuatan positif atau negatif. Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Asal-usul Defisiensi Muatan 3. Kesetimbangan Proton (Muatan tergantung pH) M O O- H+ H M: metal Partikel Kaolinit bermuatan positif pada tepi-tepian patahan kalau pH lingkungannya rendah (masam), tetapi bermuatan negatif kalau pH lingkungannya tinggi (alkalis). Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Asal-usul Defisiensi Muatan 4. Muatan ion yang terjerap (inner sphere complex charge and outer sphere complex charge) Ions of outer sphere complexes do not lose their hydration spheres. The inner complexes have direct electrostatic bonding between the central atoms. Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Partikel Liat ber-Muatan Kondisi kering - or + Cation Umumnya permukaan eksternal atau interlayer bhermuatyan negatif. Tepi-tepian patahan dapat bermuatan positif atau negatif. Berbagai kation menyeimbangkan defisiensi muatan Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Tarik-menarik molekul dipoler dalam lapisan rangkap difuse (c)2001 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Molekul air bersifat Poler Structure Polar molecule H(+) O(-) Salts dissolve in water Ikatan Hidrogen Salts in aqueous solution Hidrasi Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Karakteristik molekul air yang dipoler (c)2001 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Interaksi Air dan Liat 1. Ikatan Hidrogen O OH Kaolinite Oxygen Adsorbed layers 3 monolayers Free water Clay Surfaces Bulk water Oxygen Hydroxyl O OH Molekuk air yang “locked” dalam lapisan jerapan mempunyai perilaku yang berbeda dnegan molekul air bebas, karena kuatnya tarikan oleh permukaan liat. O H Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Molekul air memasuki rongga interlayer setelah penambahan air Interaksi Air dan Liat 2. Hidrasi Ion The cations are fully hydrated, which results in repulsive forces and expanding clay layers (hydration energy). Na+ radiun kristal: 0.095 nm Radius ion hidrat : 0.358 nm Kondisi kering (Interlayer) Clay layers cation Molekul air memasuki rongga interlayer setelah penambahan air Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Interaksi Air dan Liat 3. Tekanan Osmotik A B From Oxtoby et al., 1994 3. Tekanan Osmotik A B The concentration of cations is higher in the interlayers (A) compared with that in the solution (B) due to negatively charged surfaces. Because of this concentration difference, water molecules tend to diffuse toward the interlayer in an attempt to equalize concentration. Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Interaksi Air dan Liat Ukuran relatif lapisan air terjerap pada Na-montmorillonit dan Na-kaolinit Holtz and Kovacs, 1981 Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Liat-air (Lambe, 1958) (c)2001 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Interaksi Partikel Liat atau Lapisan Interlayer Particle Interparticle Layer Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Lapisan Rangkap Difuse - - Kation - - - Eksponensial menurun + + Concentration - x Jarak - x Partikel liat dengan permukaan yg bermuatan negatif Anion - Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Lapisan rangkap difuse (c)2001 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Interaksi Gaya-gaya Gaya neto di antara partikel liat (atau interlayers) = tarikan van der Waals + Repulsi lapisan rangkap (overlapping lapisan rangkap)+ Atraksi Coulomb (di antara tepian positif dan permukaan negatif) DLVO forces Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Tebalnya lapisan rangkap Tebal lapisan rangkap K K  gaya repulsi  n0 K  repulsion force  v  K  repulsion force  T  K  repulsion force (?)  Menurun dengan meningkatnya suhu Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Interaksi partikel liat Fabrik terdispersi The net interparticle force between surfaces is repulsive Fabrik terflokulasi Edge-to-face (EF): positively charged edges and negatively charged surfaces (more common) Edge-to-edge (EE) Fabrik teragregasi If the net effect of the attractive and repulsive forces between the two clay particles is attractive, the two particles will tend to move toward each other and become attached-flocculate. If the net influence is repulsive they tend to move away-disperse Face-to-Face (FF) Shifted FF Meningkat Konsentrasi elektrolit n0 Valensi ion v Temperatur T (?) Menurun Permittivity  Ukuran ion hidrasi pH Jerapan anion Reduce the double layer repulsion (only applicable to some cases) Flocculated or aggregated fabric Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Interaksi partikel liat Jumlah total kation yang diperlukan 10 (1) Penurunan pH (2) Penurunan jerapan anion (3) Ukuran hidrasi - + + Jumlah total kation yang diperlukan 10 Clay Particle Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Batas Atterberg Mineral Liat Na-montmorillonit Lapisan rangkap lebih tebal LL=710 Ca-montmorillonit Lapisan rangkap lebih tipis LL=510 Put the table of LL and PL for different clay minerals again (in the Mitchell’s book)**** Lapisan rangkap semakin tebal kalau valensi kation menurun. Lambe and Whitman, 1979 Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Penggantian Kation Beragam tipe dan jumlah kation dijerap untuk menyeimbangkan defisiensi muatan pada partikel liat. The types of adsorbed cations depend on the depositional environment. For example, sodium and magnesium are dominant cations in marine clays since they are common in sea water. In general, calcium and magnesium are the predominant cations. Kation yang dijerap sifatnya dapat ditukar dnegan kation lain (replaceable). Misalnya: The number of exchangeable charges is the “counterion exchange capacity (CEC) of the mineral. Clearly, it is related to surface charge density and specific surface In units of Coulombs per gram (C/g) or in terms of milliequivalents per gram (meq/g) Na Ca Ca +4CaCl2  +8NaCl Ca Ca (Lambe and Whitman, 1979) Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Non-hydrated radius (Å) Penggantian Kation Kemudahan penggantian kation tergantung pada (1) Valensi (terutama) Higher valence cations can replace cations of lower valence. (2) Ukuran Ion Cations with larger non-hydrated radii or smaller hydrated radii have greater replacement power. Berdasarkan aturan (1) dan (2), urutan penggantian adalah Li+<Na+<K+<Rb+<Cs+<Mg2+<Ca2+<Ba2+<Cu2+<Al3+<Fe3+<Th4+ (3) Jumlah relatif Pada Konsentrasi tinggi Na+ dapat mengganti Al3+. Cations Non-hydrated radius (Å) Hydrated radius (Å) Li+ 0.68 3.8 Na+ 0.95 3.6 K+ 1.33 3.3 Cs+ 1.69 Be2+ 0.31 4.6 Mg2+ 0.65 4.3 Ca2+ 0.99 4.1 Ba2+ 1.35   Al3+ 0.5 4.8 Fe3+ 0.6 Calcium (Data compiled from Israelachvili, 1991) Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Penggantian Kation Air sadah melunak Air sadah mengandung garam-garam Ca dan Mg larut seperti Ca(HCO3)2 dan Mg(HCO3)2. Kesadahan dapat dihilangkan dengan mengganti Ca2+ dan Mg2+ dengan Na+. Misalnya: Na2Z(s) (Zeolite) + Ca2+(aq)  CaZ(s)+2 Na+(aq) 2. As the ion-exchange capacity of Zeolite is saturated, the capacity can be regained by passing through a concentrated solution of NaCl. Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Kapasitas Tukar Kation - KTK The quantity of exchangeable cations is termed the cation exchangeable capacity (cec) and is usually expressed as milliequivalents (meq) per 100 gram of dry clay ( from Mitchell, 1993). Satu ekuivalen = 6.021023 muatan elektron atau 96500 Coulombs, yang disebut juga dengan 1 Faraday. Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Potensi mengembang-mengkerut Practically speaking, the three ingredients generally necessary for potentially damaging swelling to occur are (1) presence of montmorillonite in the soil, (2) the natural water content must be around the PL, and (3) there must be a source of water for the potentially swelling clay (Gromko, 1974, from Holtz and Kovacs, 1981) U.S. Bureau of Reclamation Holtz and Kovacs, 1981 Diunduh dari: home.iitk.ac.in/.../claymineralsandsoilstructure...... 21/2/2013

Vermikulit Oksida Fe dan Al Alumino silikat Kaya Mg, Ca, Na, Fe Kaya K Feldspar; Augit; Hornblende Muskovit; Mika; Biotit Mikroklin; Ortoklas -Mg -K Klorit Hidrous mika -K -Mg -Mg -K Derajat Pelapukan Meningkat Vermikulit +K Pengusiran basa lambat Montmorilonit Kaya Mg dlm zone pelapukan Pengusiran basa cepat Kaolinit Pengusiran basa cepat Oksida Fe dan Al Iklim panas basah (-Si) Iklim panas basah (-Si) Diagram ttg Kondisi umum pembentukan liat silikat dan oksida Fe & Al

TETRAHEDRA SILIKA OKTAHEDRA ALUMINA OH

KAOLINIT MINERALOGI LIAT 3 O O-OH-O 2 Al Okta- 3 OH 1. Paket lapisan mineral tersusun atas lempeng aluminium-hidroksida yg bergabung dg lempeng silika 2. Salah satu ion oksigen menjadi mata rantai (jembatan) di antara kedua lempengan 3. Seluruh kristal merupakan tumpukan dari paket-paket lapisan seperti di atas O Si Al OH 3 O tetra- 2 Si hedra O-OH-O 2 Al Okta- 3 OH Pd kondisi kemasaman alamiah (pH 4 - 8), kaolinit tdk begitu aktif. Hidroksil permukaan yang terikat pada Al, bersifat asidoid pd pH > 8.1, bersifat basidoid pd pH < 8.1. Shg pd kondisi pH tinggi, permukaan liat ini akan bermuatan negatif, KTK nya tinggi

HALOISIT MINERALOGI LIAT 3 O 3 OH 2 Al Oktahedra 1. Seringkali mengiringi kaolinit, formulanya Al2O3.2SiO2.4H2O 2. Lempeng-lempeng Si dan Al tidak diikat oleh ion-ion oksigen milik bersama 3. Seluruh kristal terdiri atas lempeng Si2O5H2 bergantian dg lempeng Al2(OH)6 O Si Al OH 3 O tetra- 2 Si hedra 2 OH 3 OH 2 Al Oktahedra Kisi kristal tidak tahan terhadap pemanasan Pada suhu 40oC air telah lenyap dan lambat laun terbentuk suatu persenyawaan meta-haloisit

PIROFILIT MINERALOGI LIAT 3 O 2 Al okta- O-OH-O hedra 1. Rumus umumnya Al2O3.4SiO2.H2O 2. O Si Al OH 3 O tetra- 2 Si hedra O-OH-O 2 Al okta- O-OH-O hedra hedra 3 O Permukaan kristal tersusun atas atom oksigen dari lempengan Si2O5, bersifat inert

MINERALOGI LIAT MONTMORILONIT 1. Kisi kristalnya bersifat dapat membengkak 2. Ruang antara Lempeng-lempeng dapat dimasuki air, shg jarak antar lempengan melebar 3. Rumus umum Al2O3.4SiO2.H2O.nH2O MINERALOGI LIAT MONTMORILONIT n H2O n H2O n H2O n H2O ……….. n H2O ………... 3 O tetra- 2 Si hedra O-OH-O 2 Al /Fe/Mg oktahedra O-OH-O tetra- hedra 2 Si ………..n H2O ……..

SERISIT MINERALOGI LIAT 1. Adalah Muskovit yg bersisik halus dg formulanya K2O. 3Al2O3. 6SiO2. 2H2O atau KAl2(AlSi3)O10(OH)2 2. Mg menggantikan sebagian Al (Substitusi isomorfik) 3. Paket-paket Al2(AlSi3)O10(OH)2 dirangkaikan bersama oleh ion kalium K Si OH Al O 6 O …………. K ………... tetra- Al, 3Si hedra 2O-2OH-2O 4 Al oktahedra Al, 3Si tetrahedra …………. K ……….

MINERAL LIAT Ukuran liat  2 mikron Ukuran partikel koloid  1 mikron Tidak semua liat bersifat koloidal LIAT SILIKAT: Berbentuk pipih-laminer, lapisan lempengan Berstruktur kristal = kristalin Umumnya bersifat koloidal Luas permukaannya sangat besar Permukaannya bermuatan elektronegatif shg mampu menjerap kation-kation Liat Fe dan Al-hidrous-oksida: Tidak mempunyai struktur kristal, amorf Banyak dijumpai di daerah tropika ALOFAN: Si dan Al seskui-oksida Al2O3.2SiO2.H2O

STRUKTUR LIAT SILIKAT Ukuran kecil , KRISTALIN Tersusun atas unit-unit kristal Susunan mineralogik dari unit kristal ini tgt pada tipe liat Struktur Dasar LIAT SILIKAT: Silikat-alumina = alumino-silikat: Lempengan tetrahedra-silika bertumpukan dg lempengan oktahedra alumina Tetrahedra silika Oktahedra alumina Kedua lempengan ini berikatan satu-sama lain dalam kristal liat melalui atom oksigen …….. “Jembatan oksigen” Tetrahedra Oktahedra SiO4

Mineralogi Liat Silikat Berdasar susunan lempeng dlm unit kristal: 1. Tipe mineral 1:1 (Silika : Alumina) 2. Tipe mineral 2:1 yg unit kristalnya memuai 3. Tipe mineral 2:1 yg unit kristalnya tdk memuai 4. Tipe mineral 2:2 Tipe Mineral 1:1 Kaolinit, Haloisit, Anauksit, Dikit Unit kristal terdiri atas satu lempeng silika & satu alumina Kisi kristalnya 1:1 Kedua kisi dlm unit kristal diikat oleh atom oksigen yg dipegang bersamaan oleh atom Si dan Al dlm masing-masing kisi Unit-unit kristal diikat bersama secara kuat oleh ikatan hidrogen sehingga tidak dapat memuai (mengembang-mengkerut) Permukaan efektif terbatas di permukaan luar saja Hampir tidak ada substitusi isomorfik Nilai KTK-nya rendah Kristal Kaolinit berbentuk heksagonal, diameternya 0.1 - 5 mikron Sifat plastisitas dan kohesinya rendah Sifat koloidalnya tidak terlalu intensif

Mineralogi Liat Silikat Tipe mineral Memuai 2:1 Unit kristalnya tersusun atas lempeng alumina yang dijepit oleh dua lempeng silika Dua Kelompok yang terkenal: 1. Montmorilonit : Montmorilonit, Beidelit, Nontronit, Saponit 2. Vermikulit Mineralogi Liat Silikat MONTMORILONIT Unit-UNIT kristal diikat bersama melalui ikatan oksigen yang lemah, sehingga kisi kristal mudah mengembang bila basah Diameter montmorilonit 0.01 - 1 mikron Permukaannya sangat luas: Permukaan luar dan permukaan dalam Muatan listrik negatif pada permuakaannya sangat besar, terdiri atas muatan permanen dan muatan yang tergantung pH. Muatan permanen terbentuk melalui proses substitusi isomorfik Mg menggantikan sebagian Al dalam lempeng Oktahedron Al menggantikan sebagian Si dalam lempeng Tetrahedron Sifat plastisitas dan kohesinya tinggi, mengembang & mengkerut Sifat koloidalnya sangat intensif

Mineralogi Liat Silikat VERMIKULIT Ciri-ciri strukturalnya serupa dengan Montmorilonit Pd bbrp Vermikulit ternyata Mg dominan, menggantikan Al dalam lempeng alumina. Pd lempeng silika sebagian Si digantikan oleh Al, inilah yang Menimbulkan MUATAN NEGATIF yg sangat besar Kapasitas jerapan (KTK) sangat besar. Molekul air bersama dg kation Mg dijerap kuat di antara unit kristal, sehingga derajat memuainya tidak terlalu intensif (MEMUAI TERBATAS) Tipe mineral 2:1 Tidak Memuai (ILLIT) Ukurannya berada di antara montmorilonit dan kaolinit Muatan negatifnya terutama pd lempeng silika tetrahedra, karena sekitar 15% dari Si digantikan oleh Al. Kalium diikat kuat di antara unit-unit kristal, sehingga tidak mudah mengembang

Mineralogi Liat Silikat KLORIT: Tipe mineral 2:2 Mineral liat Magnesium-silikat yg mengandung Fe dan Al. Satu unit kristal tersusun atas LAPISAN TALK (spt montmorilonit) dan LAPISAN BRUSIT [ Mg(OH)2 ] Atom Mg mendominasi lempeng oktahedron lapisan TALK. Sehingga unit kristal terusun atas dua lempeng tetrahedron silika dan dua lempeng oktahedron magnesium (Tipe 2:2) Mineral liat ini bersifat mudah memuai CAMPURAN LIAT SILIKAT Susunan unit kristalnya berbeda-beda, spt misalnya: 1. Klorit - Illit 2. Ilit-Montmorilonit

KOMPARATIF TIGA LIAT SILIKAT Ciri-ciri Tipe Liat Montmorilonit Ilit Kaolinit Ukuran (mikron) 0.01 - 1 0.1 - 2 0.1 - 5 Bentuk Serpih tak menentu Serpih tak menentu Heksagonal Permukaan jenis (m2/g) 700-800 100-200 5 - 20 Permukaan luar Luas Sedang Sempit Permukaan dalam Sgt luas Sedang Tdk ada Kohesi / Plastisitas Tinggi Sedang Rendah Kapasitas Memuai Tinggi Sedang Rendah KTK (me/100 g) 80-100 15 - 40 3 - 15 Sumber: Sifat dan Ciri Tanah (G. Soepardi, 1983)

Mineral Koloidal selain Silikat HIDRUS OKSIDA BESI & ALUMINIUM Liat ini penting karena Sangat dominan di daerah tropika Molekul air berasosiasi dengan oksida : Fe2O3.xH2O : Limonit dan Goetit Al2O3.xH2O : Gibsit Muatan negatifnya sedikit Sifat plastisitas, lengket, dan kohesinya rendah Tanah yg kaya minerla liat ini biasanya sifat isiknya baik ALOFAN & MINERAL AMORF Bersifat koloidal non-kristalin Alofan: Gabungan antara silikon dan aluminium seskuioksida Susunannya mendekati Al2O3.2SiO2.H2O Banyak ditemukan pada tanah-tanah Abu volkan

SIFAT Koloidal MINERAL LIAT Karakteristik bahan koloid: penyebaran cahaya, osmotik dan muatan listrik Koloid tanah bersifat amfotir, diduga ada kaitannya dg gel-gel besi, aluminium, dan mangan yang menyelimuti inti kristalin. Berbagai jenis kation dijerap oleh koloid tanah dengan kekuatan yang berbeda-beda, tergantung pada ukuran, muatan (valensi) dan hidratasi kation. Penjerapan kation oleh mineral liat berhubungan erat dengan tipe mineral liat Kaolinit dan Haloisit: muatan listrik terdapat pd ikatan yg patah di tepi kristal, dan disosiasi H dari gugusan OH permukaan Ilit dan Khlorit; muatan listrik pd ikatan yg patah di tepi kristal, dan muatan permanen akibat substitusi atom inti kristal Montmorilonit dan Vermikulit: muatan listriknya terutama akibat dari substitusi atom inti kristal. PENJERAPAN DAN PERTUKARAN ION Penjerapan kation dipengaruhi oleh: 1. Jenis kation 2. Konsentrasi ion-ion 3. Sifat anion yang berhubungan dg kation 4. Sifat partikel koloid

Sumber muatan negatif liat Silikat PINGGIRAN KRISTAL YANG TERBUKA Ada dua mekanisme, yaitu: 1. Adanya valensi dari atom inti (Si atau Al) yg tidak dijenuhi yg terdapat pd pinggiran patahan lempeng silika dan alumina 2. Permukaan luar yg datar (pd Kaolinit) mempunyai gugusan oksigen dan hidroksil (OH-) yg tersembul dan merupakan titik-titik yg bermuatan negatif. Muatan ini sifat dan besarannya tergantung pH SUBSTITUSI ISOMORFIK = Penggantian atom inti kristal O = Si = O O = Al - O - (tidak bermuatan) (bermuatan negatif satu) OH OH OH OH OH OH - 1 Al Al Mg Al O O OH O O OH

KARAKTERISTIK MUATAN MINERAL LIAT Material KTK (meq/100g) KTA Permanen Variabel Total Montmorilonit 112 6 118 1 Vermikulit 85 0 85 0 Illit 11 8 19 3 Halloisit 6 12 18 15 Kaolinit 1 3 4 2 Gibsit 0 5 5 5 Goetit 0 4 4 4 Alofan 10 41 51 17 Peat 38 98 136 6 Sumber: Mehlich & Theisen (Sanchez, 1976).

LAYER SILICATE SYSTEMS R - C = O R - C = O O O R - C Al + 3OH- R - C + Al(OH)3 R - C R - C O O Peningkatan muatan negatif gugusan karboksil terjadi kalau ion kompleks aluminium diendapkan; ini terjadi kalau pH tanah meningkat (ada OH-)

OXIDE SYSTEMS Fe Fe Fe Fe POSITIF ZERO NEGATIF O OH HO O O OH HO O O OH H+ + HO O O OH + OH- O O + H2O H+ O OH HO O O OH HO O POSITIF ZERO NEGATIF

PERUBAHAN MUATAN PERMUKAAN dgn pH Andept Humult Hor A Hor A - + - + Hor B pH(H2O) = 5.8 pH(H2O) = 6.5 Net surface charge me/100g Orthox Udalf Hor A - + - + Hor A Hor B Hor B pH(H2O) = 6.8 pH(H2O) = 6 pH dlm 0.01 N NaCl

 pH & ZERO POINT of CHARGE 1. Status muatan dari sistem liat-oksida dpt dg mudah ditentukan dg mengukur pH-nya dalam air dan dalam larutan garam netral seperti 1 N KCl 2.  pH = pH (1 N KCl ) - pH ( H2O) = positif : koloid liat bermuatan positif (KTA) = negatif : koloid liat bermuatan negatif (KTK) 3. Dalam sistem liat silikat berlapis,  pH selalu negatif : [Liat]-H+ + H2O ===== [ Liat ]-H+ + H2O [Liat]-H+ + KCl ===== [ Liat ]-K+ + Cl- + H+ sehingga pH dalam air lebih tinggi dp pH dalam lrt KCl

 pH & ZERO POINT of CHARGE 4. Dalam sistem liat oksida,  pH dpt positif atau negatif tgt pada pH tanah aktual: [Liat+]OH- + H2O ===== [ Liat +]OH- + H2O [Liat+]OH- + KCl ===== [ Liat+]Cl- + OH- + K+ 5. Nilai  pH negatif, bukan berarti seluruh permukaan liat bermuatan negatif, ada sedikit muatan positif pada titik-titik yang terisolir dari muatan negatif. Ultisol, Oxisol, Alfisol: KTA = < 1 meq/100g Andepts : KTA = 6.8 meq/100g ------------------- pd kondisi pH tanah lapangan

FAKTOR HUBUNGAN pH vs MUATAN LISTRIK Pada sistem liat-oksida hubungan tsb adalah: kDRT pHo  = --------- . -------- 4  F pH dimana:  : muatan permukaan (m.eq./ 100 g) k : reciprocal tebal lapisan rangkap (tgt konsentrasi lrt tanah) D : konstante dielektrik R : konstante gas T : temperatur absolut F : konstante Faraday pH : pH tanah pHo : pH tanah pd titik isoelektrik, yaitu pH pd ZPC

ALTERATION of the ZERO POINT OF CHARGE pH pada ZPC dapat berubah: KTK naik, pH tetap O O Al Al R O OH OH O C = O Al + R C Al + H2O O OH O O Al Al O- BOT

PERTUKARAN KATION Contoh sederhana: Ca-[MISEL] + 2H+ H-[MISEL]-H + Ca++ PERTUKARAN KATION DI ALAM 40Ca 38Ca + 2 Ca(HCO3)2 20Al + 5 H2CO3 20Al 20H 25H L(HCO3) 20L 19L tercuci MISEL MISEL KEHILANGAN KATION LOGAM: Dengan mekanisme reaksi seperti di atas, kation logam Ca, Mg, K, dan Na dapat hilang tercuci dari tanah, dan tanah menjadi semakin masam PENGARUH PEMUPUKAN: 40Ca 7K 20Al 38Ca + 2 CaCl2 40H + 7 KCl 20Al 20L 39H HCl 18L 2 LCl MISEL MISEL

KAPASITAS TUKAR KATION [ KTK ] Koloid tanah bermuatan negatif, sehingga mampu menjerap (mengikat) kation. Kation-kation yg dijerap ini dapat ditukar dengan ammonium atau barium, kemudian ammonium atau barium itu ditentukan jumlahnya. ………… ………..Kapasitas jerapan dapat diketahui besarnya PENGARUH pH TANAH Sebagian dari muatan negatif pd koloid tanah tergantung pd pH, sehingga kapasitas jerapan juga dipengauhi pH Biasanya KTK ditetapkan pd pH 7.0 atau lebih, ini berarti meliputi muatan permanen dan sebagian besar muatan yg tergantung pH CARA MENYATAKAN Satuan untuk kapasitas tukar kation (KTK): mili-ekuivalen (meq atau me) 1 meq = 1 mg hidrogen atau sejumlah ion lain yg dapat bergabung atau menggantikan ion hidrogen tsb. KTK liat = 1 me/100 g : setiap 100 gram liat dapat menjerap 1 mg hidrogen

Koloid Organik Montmorilonit Muatan tgt pH Muatan permanen KTK, me/100 g) Koloid Organik Montmorilonit Muatan tgt pH Muatan permanen 200 160 120 80 40 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 pH tanah

KTK TANAH Tanah asal KTK (me/100g) Kelas tekstur Ciletuh, Jabar 8.1 Lempung Berdebu Way Seputih, Lampung 16.0 Lempung Liat Berdebu Pengubuan, Lampug 22.9 Lempung Liat Berdebu Tj.Kresik, Krawang 28.7 Liat Berdebu Rentang Barat 38.8 Liat Berdebu FAKTOR YG MEMPENGARUHI 1. Tekstur tanah: semakin halus teksturnya semakin tinggi KTKnya 2. Kandungan humus dan liat koloidal menentukan KTK tanah 3. Macam liat koloidal juga mempengaruhi besarnya KTK tanah

PERSENTASE KEJENUHAN BASA TANAH H+ dan Al+++ : sumber kemasaman tanah Al+++ + H2O Al(OH)++ + H+ Al(OH)++ + H2O Al(OH)2+ + H+ Kation basa: Ca++, Mg++, K+, dan Na++ CaO + H2O Ca(OH)2 Ca++ + OH- KB dan pH Proporsi KTK yang ditempati oleh kation-kation basa disebut PERSENTASE KEJENUHAN BASA Penurunan %KB mengakibatkan menurunnya pH Tanah di daerah iklim kering biasanya mempunyai KB yang tinggi Tanah di daerah iklim humid biasanya mempunyai KB yang rendah

PERTUKARAN KATION & KETERSEDIAAN HARA Kation terjerap mudah tersedia bagi tanaman & jasad renik Penyerapan kation oleh akar: 1. Penyerapan melalui larutan tanah 2. Pertukaran ion antara akar dg koloid tanah Kejenuhan kation dan serapan hara Faktor pelepasan kation jerapan: 1. Rasio / proporsi jenis-jenis kation pd kompleks jerapan 2. Kejenuhan Ca yg tinggi ------- Ca++ mudah diserap tanaman 3. Pengaruh jenis kation lain: Afinitas dan aktivitas kation PENGARUH TIPE KOLOID Berbagai koloid mempunyai daya ikat kation yg berbeda Kalsium diikat oleh montmorilonit lebih kuat daripada oleh kaolinit