BAGIAN 5: GEOSPHERE DAN SOIL CHEMISTRY KIMIA LINGKUNGAN BAGIAN 5: GEOSPHERE DAN SOIL CHEMISTRY

Pendahuluan Geosphere adalah bumi tempat manusia mengambil makanan, mineral dan fuel Geosphere sangat rentan terhadap aktifitas manusia : a. berjuta-jutan ton material diambil dari perut bumi ( mineral dan batu bara ) b. Pencemaran udara ( hujan asam dan efek rumah kaca) c. Tempat pembuangan bahan buangan berbahaya d. Perubahan tata guna lahan menjadi daerah yang gundul , menyebabkan erosi dan dampak negatif lainnya .

Pendahuluan Geosphere ( tanah) mampu menetralkan atau menguraikan zat polutan yang masuk melalui proses kimia atau biokimia, a. proses oksidasi reduksi b. proses hidrolisis d. reaksi asam-basa e. Presifitasi d. Sorpsi (penyerapan ) f. Penguraian secara biokimia

Definisi Kimia lingkungan lebih fokus terhadap lapisan lithosphhere Lithosphere terdiri dari : a. lapisan kulit terluar ( outer mantle) b. kerak bumi ( earth crust) Kerak bumi terdiri dari batuan ( rock) Batuan tersusun dari mineral-mineral Mineral adalah padatan anorganik yang terjadi karena proses alamiah yang mempunyai struktur kristal dan komposisi kimia tertentu.

Struktur dan sifat mineral Sifat mineral dalam tanah sangat ditentukan oleh struktur kristal atom pembentuk mineral dan komposisi kimia atau formula kimia . Struktur kristal mineral adalah bagaimana atom-atom pembentuk mineral tersebut saling berikatan membentuk suatu struktur tertentu. Untuk menentukan struktur kistral suatu mineral dapat dilakukan analisis dengan sinar X spectrometri.

Mineral Telah ditemukan lebih dari 2000 jenis mineral Hanya 25 jenis kristal sebagai pembentuk batuan Elemen terbanyak dalam mineral adalah Oksigen 49,5% Silikon 25,7% Aluminum 7,4% Iron 4,7% Calsium 3,6% Natrium 2,8% Kalium 2,6% Magnesium 2,1% Lain-lain 1,6%

CLAY ( Tanah liat atau lempung) Clay adalah jenis mineral silikat yang juga mengandung aluminum Clay merupakan adalah komponen inorganik yang penting dalam tanah (soil) Clay mempunyai kemampuan mengikat air Clay mempunyai kemampuan mempertukarakan kation Clay didefinisikan sebagai microcrystalline secondary minerals adalah mineral yang mengandung silikat alumino hidrat dengan struktur berlapis

Pembagian mineral clay Clay dibedakan satu dengan lainnya berdasarkan a. Formula kimianya b. Struktur kristalnya c. sifat fisik dan kimia Clay di bagi dalam 3 ( tiga) kelompok a. Montmorillonite Al2(OH)2Si4O10 b. Illite c. Kaolinite Al2Si2O5(OH)4

Clay Sebagian besar clay mengandung kation Na, K, Mg, Ca dan Fe Kation-kation tersebut di ikat oleh clay agar tidak terlindikan oleh air hujan , sehingga tetap dalam tanah sebagai nutrien tanaman. Contoh clay adalah kaollinite yang terbentuk dari penguraian batuan kalium feldspar 2 K Al Si3O8 + 3 H + 9 H2O------- Al2Si2O5(OH)4 + 2K + 4 H4SiO4

Struktur kristal Kaollinite Terdiri dari lapis Silikon oksida setiap atom Silikon dikelilingi 3 atom oksigen ( bentuknya tetrahedral) Terdiri dari lapis aluminum oksida setiap atom aluminum dikelilingi 6 atom oksigen ( bentuknya oktahedral)

Soil (tanah) Soil adalah campuran dari - mineral-mineral - material organik - air (water) yang berguna untuk mendukung pertumbuhan tanaman Senyawa organik dalam tanah terdiri dari biomassa tanaman yang terurai dengan variaso tingkat penguraian Tanah mengandung bakteri, fungi, animal Tanah mengandung udara ( gas) Tanah terdiri dari 5% senyawa organik 95% senyawa inorganik Tanah gemuk (kompos) 95% senyawa organik 5% senyawa inorganik

Pembagian lapisan tanah Top soil (Horison A) - Aktifitas biologis maksimum - Banyak mengan dung senyawa organik - kation dan logam dalam top soil dapat terlindikan Subsoil ( Horison B) Bagian yang menerima lindi organik, kation dan logam dari top soil Batuan ( Horison C) Bedrock

Kategori ukuran partikel tanah berdasarkan United Classification System Ukuran partikel tanah dibagi dalam 4 kategori a. Gravel ( 2 – 60 mm) b. Sand ( 0.06 – 2 mm) c. Silt ( 0.06 – 0.006 mm) d. Clays ( < 0.002 mm)

Air dalam tanah Air adalah bagian dari sistem 3 fasa dalam tanah yaitu sistem fasa solid-liquid-gas dalam tanah . Air merupakan media transport nutrien dari tanah menuju akar tanaman sampai ke daun , kemudian menguap ke atmosfer ( transpirasi). Keberadaan nutrien dalam air tergantung kepada gradien konsentrasi dan gradien potensial listrik Air mengisi porositas dari tanah, dan partikel tanah mengikat molekul dengan kuat. Untuk tanah yang kaya senyawa organik, mungkin akan mengikat air lebih keras dari tanah biasa.

Air dalam tanah Air terikat kuat pada permukaan patikel clay dalam tanah , karena ratio luas permukaan terhadap volume partikel clay yang tinggi. Pengaruh air dalam tanah adalah penurunan nilai pE oleh zat organik yang terurai oleh mikro organisme , maka kondisi redoks dalam tanah menjadi lebih reduksi . Penurunan pE menyebabkan Fe dan Mn tereduksi menjadi Fe(II) dan Mn(II) yang mudah larut dan akan termobilisasi. Fe (II) dan Mn(II) pada konsentrasi tinggi merupakan toksik untuk tanaman.

Udara dalam tanah 35% dari volume pore tanah adalah udara Udara normal mengandung 21% O2 dan 0,03% CO2 Komposisi udara di dalam tanah berbeda dengan udara normal , karena adanya penguraian zat organik oleh mikroorganisme menghasilkan gas CO2, maka kadar O2 dalam tanah hanya 15% dan CO2 meningkat menjadi beberapa persen . Peningkatan CO2 menyebabkan pH akan lebih rendah.

Senyawa inorganik dalam tanah Pelapukan batuan dan mineral menghasilkan senyawa inorganik dalam tanah yang berupa koloidal inorganik Koloidal inorganik sebagai tempat penyimpan air dan nutrien yang dibutuhkan tanaman. Koloidal inorganik dapat mengadsorpsi senyawa beracun ( detoksifikasi) Kemampuan akar tanman mengambil nutrien menyangkut interaksi komplek antara fasa air dan fasa inoragnik yaitu : fasa antar muka mineral-air fasa antar muka air – akar tanaman.

Mineral dalam tanah. Mineral yang umum terdapat dalam tanah adalah: a. Quart ( SiO2) b. Orthoclase ( KALSi3O8) c. Albite ( NaAlSi3O8) d. Epidote ( 4CaO. 3(AlFe)2O3.6SiO2.H2O) e. Geothite ( FeO(OH) f. magnetite (Fe3O4) g. CaCO3 dan MgCO3 h. MnO2 dan TiO2

Zat organik dalam tanah Zat organik dalam tanah kira-kira 5% Zat organik sebagi sumber makanan mikroorganisme Zat organik memberikan kontribusi terhadap pelapukan mineral contohnya: ion oxalat hasil penguraian zat organik oleh jamur dapat melarutkan mineral dalam tanah seperti besi dan Aluminum. Beberapa jamur dapat menguraikan zat organik membentuk asam sitrat , sebagai senyawa pengkompleks yang dapat bereaksi dengan mineral silikat dan melepaskan kalium dari tanah

Major Classes of organic compounds in soil Humus , berasal dari penguraian tanaman banyak mengandung C, H dan O Fats,resin dan waxes Saccharide N-organik P-organik PAH ( polisiklik Aromatik Hydrocarbon) Senyawa terpen

Soil Humus Humus adalah hasil penguraian tumbuhan oleh mikrorganisme Humus diklasifikasikan berdasarkan kelarutannya dalam basa a. Material yang tidak terekstrasi dalam basa disebut humin b. Material yang terektrasi oleh basa , dan mengendap jika diasamkan disebut humic acid c. Material yang terekstrasi oleh basa , tetapi tidak mengendap jika diasamkan disebut fulvic acid Humus mempunyai berat molekul tinggi , sebagai polielektrolit , mampu mengikat logam dalam tanah , sebagai buffer dalam tanah Kemampuan mengikat molekul air bertamabh dengan bertambahnya konsentrasi humus.

Geochemistry Geochemistry adalah berhubungan dengan spesi kimia , reaksi dan proses yang terjadi di dalam lithosphere akibat berinteraksi dengan atmosphere dan hydrosphere Salah satu dampak dari interaksi tersebut adalah pelapukan ( weathering ) Pelapukan dibedakan atas : a. Pelapukan akibat proses fisik ( temperatur, kelembaban) b. Pelapukan akibat proses kimia

Pelapukan proses kimia Pelapukan proses kimia menyangkut kesetimbangan batuan – air – mineral Mekanisme reaksi kimia yang terlibat dalam pelapukan adalah : presifitasi, reaksi asam-basa, reaksi kompleks, reaksi hidrolisis dan redoks. Pelapukan semakin cepat dengan adanya air. a. Air secara aktif sebagai pelapukan mineral b. Air pembawa spesi kimia ke batuan c. Air mengandung CO2,O2, senyawa asam organik (humic acid) dan asam mineral ( H2SO4 dll)

Reaksi pelapukan batuan Reaksi hidrasi /dehidrasi Dissolution /pelarutan Oksidasi Pelarutan dengan hidrolisis Hidrolisis asam Reaksi komplek

The Soil Solution The Soil Solution adalah bagian dari tanah yang berupa larutan/ cairan yang banyak menganddung materi terlarut hasil dari reaksi kimia atau biokimia dan pertukaran dari atmosfer dan hidrosphere Sebagai media transportasi spesi kimia dari dan ke batuan Sebagai media transportasi nutrien untuk tanaman Mineral yang umum terdapat dalam the soil solution adalah : kation H+, Ca, Mg, K, Na , Fe , Mn, Al. Anion HCO3, CO3, SO4, Cl, F

Reaksi asam-basa dan ionexchange dalam tanah Tanah mempunyai kemampuan mempertukarkan kation . Banyaknya kation yang dapat dipertukarkan oleh sejumlah berat tanah adalah CEC CEC = Cation Exchangeable Capacity meq kation/ 100 gram tanah ( kering) . Reaksi pertukaran kation di dalam tanah disebabkan oleh a. Muatan negatif yang terdapat pada mineral tanah b. Senyawa organik ( humic acid) mengandung gugus karboksilat dan gugus lainnya yang bermuatan negatif. Tanah compos mempunyai CEC = 300-400 meq/100g Tanah biasa mempunyai CEC = 10 -30 meq/100 g

Pembentukan asam dalam tanah Oksidasi pyrite di alam tanah akan menghasilkan asam sulfat FeS + 7/2 O2 + H2O -- Fe + 2H + 2 SO4 Fenomena pembentukan asam sulfat ini banyak terjadi di dalam pertambangan yang dikenal dengan air asam tambang pH air asam tambang pH < 3.

Pengaturan keasaman tanah Tanaman memerlukan pH tanah yang netral, untuk tanah yang asam dapat dinetralkan dengan penambahan CaCO3 atau kapur . Untuk daerah yang curah hujannya rendah, tanah akan semakin basa, untuk menurukan pH tanahnya dapat ditambahkan Ferro sulfat atau sulfur yang akan teroksidasi membentuk sulfat.

Zat pencemar dalam tanah Tanah banyak menerima zat pencemar a. SO2 dan NOx di atmosfer -- hujan asam b. CO dikonversi menjadi CO2 c. Pb-Partikulat jatuh ke permukaan tanah d. Leachate dari TPA f. Pemberian pestisida untuk pertanian g. dari sektor industri dll Akibat pencemaran tanah akan menyebakan pencemaran air tanah .

Degradasi pestisida dalam tanah Degradasi secara kimia Degradasi secara fotokimia Degradasi secara biokimia