Profil Dosen Pengampu Mata Kuliah Kimia Kelautan

1

Drs. Muhammad Nadjib Mujahid, M.S.

Kimia Air Laut (Sea Water Chemistry)

2

Membahas fenomena Oseanografi penting termasuk:

▪ Pola global sirkulasi laut & atmosfer serta pertumbuhan & penyebaran

organisme laut.

▪ Kehidupan di bumi berkembang dalam air 50 – 65%

▪ Keberadaan air dalam 3 wujud: padat, cair, dan gas

▪ 71% permukaan bumi adalah air laut, sehingga mengatur iklim & limbah

▪ Merupakan habitat utama mahluk hidup

Marine Chemistry

3

◦ Sisi molekul H bermuatan (+) sisi O

bermuatan (-), seperti magnet

◦ Molecul seperti itu bersifat polar

◦ Ikatan H lebih lemah dibandingkan

ikatan covalent

◦ Ikatan H memiliki kekuatan kumulatif

4

Air & sifat Uniqnya

5

H+

H+

H+

H+ O-

O-

- - - - - -

- - - -

-

-

+ + +

+ + +

+

+

O

H H

: :

Bagian electro + menyerang electro –

(Opposites attract)

Molekul H2O membentuk ikatan H dengan

molekul H2O lainnya Demikianlah air

◦ Molekulnya polar

Membentuk ikatan H

Sifat adhesi/cohesi

Viscositas

Tegangan permukaan

Padatan terapung

Molecul sederhana

Ikatan bersama-sama memberikan sifat unik

Ikatan kovalen dibentuk oleh pemakaian elektron bersama

Pada air, atom O berbagi dengan electron dari 2 atom hydrogen

Hal ini yang membuat molekul air stabil

Atom oxygen menarik electron bersama dekat dengan inti

Ini menciptakan molekul dengan 2 atom H disatu sisi, dan O disisi lain

6

Polaritas molekul air menyebabkan ikatan hidrogen

7

Sifat sifat H20

1. memiliki sifat kohesif

2. menolak perubahan suhu

3. kalor penguapan tinggi, sehingga mendinginkan permukaan

4. luas permukaan lebih besar saat membeku

5. merupakan pelarut serbaguna (universal)

8

Sifat fisika & kimia densitas relatif (g/mL)

1.000 - 0.999 - 0.998 -8 -4 0 4 8 12 0C Densitas = 1 pada suhu 3,98 0C

Ratio serapan cahaya 0,4 V B G YO R ε - %T 0,2 0 400 500 600 700 (mµ)

9

10

Air cair ▪ Karakteristik terpenting dari ikatan H adalah kemampuan untuk membuat air tetap cair pada suhu kamar ▪ Tanpa ikatan H, air akan menjadi gas pada suhu kamar ▪ Karena ikatan H memegang molekul bersama-sama, sehingga banyak energi (panas) yang dibutuhkan untuk menjadi uap ▪ Bumi akan menjadi planet uap dari pada planet air cair

11

Kohesi & adhesi

• Karena ikatan H menarik molekul air satu sama lain, maka molekul air

cenderung tetap bersama-sama. Ini yang disebut kohesi.

• Kohesi air memberikan struktur yang lebih terorganisir daripada

kebanyakan cairan. • Air juga sebagai penuntun bahan lain karena sifatnya yang polar. Ini yang disebut adhesi. Contoh: Kecenderungan tetesan hujan berpegang teguh pada permukaan daun. Hanya ketika ada banyak air dan berat > gaya adhesi, tetesan akan mengalir meninggalkan daun. Viskositas

• Viskositas → kecenderungan fluida (gas atau cair) untuk melawan arus

• Kebanyakan fluida berubah viskositasnya karena perubahan suhu.

Contoh: memasak minyak, oli motor, dan syrup

• Sebagai air dingin, viskositas naik > cairan lainnya karena ikatan H

cenderung melawan panas yang memisahkan molekul

12

• Penting karena mempengaruhi E akuatik organisme untuk berkembang.

Contoh, penurunan suhu 20 0C meningkatkan viskositas air > 60% • Pada air dingin, viskositas tinggi berarti drifting organisme (plankton) menggunakan lebih sedikit E untuk menjaga tidak tenggelam • Hewan berenang menggunakan lebih banyak E untuk bergerak

• Moleku cair berakumulasi (gaya kohesi) menyebabkan fenomena yang

dikenal sebagai tegangan.

• Tegangan permukaan adalah perlawanan air terhadap benda-benda yang

berusaha menembus permukaannya.

• Tegangan permukaan mempengaruhi seberapa cepat lautan mengambil

CO2 dari atmosfer dan melepas O2 ke atmosfer untuk mengimbangi polusi.

• Banyak bahan kimia (sabun & deterjen), cenderung mengurangi ikatan H

dan meniadakan tegangan permukaan

• Karena itu banyak serangga yang

didukung oleh tegangan permukaan

tidak dapat terapung karena sabun,

tegangan permukaan tidak dapat

mendukung badannya → Serangga tenggelam seperti binatang besar.

13

Es mengapung

• Sifat air yang luar biasa

• Zat lain akan menjadi padat saat dingin dan tenggelam

• Air menjadi kurang padat ketika dipanaskan. Lebih padat saat dingin, tapi

hanya ke satu titik

• Ikatan H menyebar molekul ke struktur kristal yang memakan ruang lebih

besar daripada air cair

• Dengan volume > es, kurang padat, sehingga mengapung

14

Pengaruhnya pada Planet Bumi

• Dengan terapung, es membentuk

lapisan termal dengan air di bawahnya,

sehingga memungkinkan mempertahan

kan panas dan tetap cair. Iklim bumi

akan secara substansial lebih dingin,

bahkan terlalu dingin untuk kehidupan.

• Jika es tenggelam, lautan akan

sepenuhnya beku, dan air tidak akan

mampu mempertahankan panas.

15

Siklus Air

7 hari

3550 hari

16

• Aliran sungai memerlukan waktu sekitar 37.000 th untuk mengairi laut, dari

kering sampai penuh.

• Waktu tempuh → massa reservoir dibagi dengan input air. Perbandingan

waktu tinggal rata rata air di atmosfer dengan penguapan dari lautan dan

benua hanya sekitar 10 hari.

Pertanyaan mendasarnya adalah:

• Apa kontrol kimia pada pertumbuhan biologi & makanan di laut? Pada

beberapa area laut Fe berperan mengendalikan pertumbuhan fitoplankton.

Fe2+

Ca2+ NO3

-

17

Eksperimen Martin (1991)

• Martin melakukan experiments dengan menambahkan Fe pada sample,

menunjukkan bahwa Fe dapat merangsang pertumbuhan produksi

diatome.

18

Dari mana komponen tsb berasal ?

19

Aktivitas Lingkungan

20

Siklus Oksianion

21

Di atmosfer

22

Atmo-ocean

23

24

1. Tegangan permukaan > kebanyakan cairan, sehingga sulit meregangkan

permukaan air .

2. Kalor penguapan tinggi, sehingga melambatkan iklim di bumi.

3. Panas matahari diserap ketika permukaan air menguap .

25

4. Air adalah pelarut

serbaguna karena

polaritasnya, karena

itu banyak senyawa

ionik larut dalam air

26

Daya larut H2O

• Air ~ pelarut universal (solvent)

- Apapun akan dilarutkan = solute (misal garam)

- Jika terlalu banyak solute pengendapan

(misal gula atau garam)

27

Anions (-) misal Cl-

Cations (+) misal Na+

Senyawa yang terbentuk dari molekul

dengan muatan berlawanan =

“senyawa ionic” – larut baik dalam H2O

• Garam (solute), larut dalam air (solvent)

– Hingga “titik jenuh” tercapai

• Pertanyaan: bagaimana mengatasinya?

– Menaikkan suhu. . .

» Solute dapat larut

28

Major Component air laut

• Garam terlarut - hydrat anion & cation

Cl- 18,98 ‰ (ppt)

Na+ 10,556

SO4-2 2,649

Mg2+ 1,272

Ca+2 0,400

K+ 0,380

HCO3- 0,140

• Gas terlarut → nitrogen; oxygen; carbon dioxide

• Organic & anorganic → terlarut & suspensi

29

Rata-rata, konsentrasi garam terlarut

(salinitas) 3,5% atau 35‰

Kelimpahan relatif tsb tidak berubah

Sedangkan kelimpahan relatif unsur

minor, bervariasi

30

• 5 besar constituents (elements of SeaWater)

31

32

33

34

Para pakar menggunakan

conductivitas pada suhu yang

berbeda untuk penentuan salinitas

berbagai samudra.

Salinitas mempengaruhi densitas

Kedalaman sirkulasi dan

arus laut Iklim

35

Salinitas, banyaknya garam total dalam air

36

37

Salinitas Air Laut

• Air laut mengandung 3,5% garam, gas terlarut, bahan organik & partikel

tak terlarut.

• Garam mempengaruhi sifat fisis air laut (densitas, kompresibilitas, titik

beku, dan suhu dimana densitas menjadi maksimum) beberapa tingkat,

tetapi tidak menentukannya.

• Beberapa sifat (viskositas, daya serap cahaya) tidak terpengaruh secara

signifikan oleh salinitas. Dua sifat yang sangat ditentukan oleh jumlah

garam di laut (salinitas) adalah daya hantar listrik (konduktivitas) &

tekanan osmosis.

38

Menentukan Salinitas

• Penguapan air untuk penentuan berat garam adalah metode yang tidak tepat

• Karena kestabilan komposisi jika kita mengukur salah satu komponen, lebih tepat pengukuran salinitas

• Salinitas = 1,80655 x Chlorinity (ppt)

• Jika chlorinity 19,2 ppt, maka salinitas air laut 34,7 ppt = 35 ppt

39

Sumber garam

Sungai (angin dan gletser adalah sumber yang kurang penting dan tidak

langsung) pelapukan kerak Samudera Hydrothermal Vents terkait

dengan Mid-ocean pegunungan dan gunung berapi bawah laut lainnya

Pelapukan kerak samudra

Hydrothermal Vents terkait dengan Mid-ocean pegunungan dan gunung

berapi bawah laut lainnya

Faktor penenggelaman

• Aktivitas biologi

• Interaksi dengan partikulat: tanah liat & bahan organik penyerap logam

terlarut

Pengendapan langsung

• Aktivitas hydrothermal

• Reaksi antara air laut dengan kerak samudra

• Mineral seperti Mg bersama sama dengan Ca yang ditambahkan ke air

laut

40

Sifat fisika dan kimia air

• Kapasitas panas → E untuk menaikkan suhu 1 gram zat sebesar 1° C

• E untuk memutuskan ikatan H, meningkatkan fraksi bebas air

• Penting dalam mempertahankan thermal & transport panas ke yang lebih tinggi dengan atmosfer

Input panas atau melepas terkait dengan perubahan fasa (es - cairan, cairan – uap)

Perubahan struktur air, H-bonding dengan perubahan fasa

Densitas → massa per unit volume (gram/cm3). Air murni maks 4°C

Densitas fasa air (es, cair, uap) karena perubahan struktur molekul

Berperan besar pada sirkulasi & stabilitas di kedalaman

41

42

Transmisi cahaya

• Terlihat sebagai bagian dari spektrum

• Terabsorb pada kolom

• Menyerap kuat IR (heat) & UV (mencegah kerusakan DNA)

Daya larut

• Pelarut hidrasi – interaksi antara solutes & air

• Ikatan H berkurang, orde air meningkat, densitas naik

• pengecualian solut pada pembekuan dan penguapan

• Efek lain dari solut: titik beku turun, titik didih naik

pH

• ukuran disosiasi air menjadi ionnya (H+, OH-)

• pH = - log [H+]

• Pengaruh pH pada proses biologi & reaksi geokimia

43

44

45

Sifat konservatif air laut (sifat yang hanya berubah pada permukaannya):

suhu, salinitas, & gas gas inert

Sifat tsb tak dapat diubah oleh reaksi biologi atau geokimia

Penting pada identifikasi massa air, tracing & pencampuran

Sifat nonkonservatif(dapat diubah oleh reaksi biologi/geokimia)

Gas terlarut

• Proporsi gas di atmosfer ≠ di air laut

• N2 di samudra < di atmosfer

• O2 & CO2 > di samudra

• CO2 yang terus bertambah di atmosfer pemanasan global

46

pH & CO2 Siklus CO2

• CO2 (gas) ↔ CO2 (dissolved)

• H2O + CO2 ↔ H2CO3

• H2CO3 ↔ H+ + HCO3-

• HCO3- ↔ H+ + CO3

2-

• Ca2+ + CO32- ↔ CaCO3 (solid)

• Alkalinitas → jumlah mol ion H yang diperlukan untuk mengkonversi semua anion asam lemah untuk membentuk senyawanya dalam 1 kg air

47

Sikl

us

CO

2

48

49

• CO2 penting dibutuhkan oleh tumbuhan untuk photosynthesis.

• O2 penting dibutuhkan oleh hewan pada pernafasan

Photosynthesis:

• CO2 + H2O + energy [dari matahari] O2 + karbohidrat (= gula organic)

Pernafasan (kebalikan dari photosynthesis):

• O2 + sugar CO2 + H2O + energy

Oksigen terlarut

• Air laut & atmosfer, pertukaran udara-air hanya pada antarmuka

• Proses biologi mempengaruhi [O2] photosynthesis dan pernafasan

• Distribusi O2 di air mengontrol proses O2

50

Fotosintesis

6H2O + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2

air karbondioksid karbohidrat oksigen

51