DASAR ILMU TANAH DASAR KIMIA TANAH

BAHAN KAJIAN

MK. DASAR ILMU TANAH

DASAR-DASAR

SIFAT KIMIA TANAH

www.marno.lecture.ub.ac.id

Review Satuan (Unit)

“mole” menyatakan jumlah unsur atau senyawa yang mengandung atom atau molekul sebanyak bilangan

Avogadro (6.023x10^-23)

1. ppm = tidak lazim pada kebanyakan journal saat ini, lazimnya disebut dengan : mg kg^-1, mg L^-1

2. Molarity (Moles L^-1; M) (sangat populer) 3. Molality (Moles kg^-1; m) (jarang dipakai)

4. Gram Equivalents (moles muatan, equivalents, eq L^-1

dalam larutan, meq 100g^-1 dalam unit lama, mol_c L^-1 atau cmol_c kg^-1 dalam unit SI yang baru)

Molar dan bobot ekuivalen (mol_c) kation pada tapak pertukaran tanah

______________________________________________

Valensi Bobot Molar Bobot

ekuivalen

g mole^-1 g mol_c^-1

______________________________________________

Ca²⁺ 2 40.08

20.04

Mg²⁺ 2 24.31 12.155

K⁺ 1 39.10

39.10

Na⁺ 1 22.99

22.99

Al³⁺* 3 26.98 8.99

H⁺ 1 1.01

1.01

*dapat juga ditulis sebagai valensi -1, +1, atau +2 tergantung pada pH. Seringkali diberi notasi Alⁿ⁺

Menghitung konsentrasi kation-tukar berdasarkan muatan

Banyak laboratorium masih melaporkan konsnetrasi tanah dalam satuan ppm, yang sebenarnya adalah mg kg^-1

Untuk mengubah ini menjadi satuan-satuan muatan (millimoles muatan per kilogram):

Y mmol_c kg^-1 = (X mg kg^-1)/bobot ekuivalen

Untuk mengkonversi menjadi satuan-satuan yg lazim centimoles muatan per kilogram:

cmol_c kg^-1 = (mmol_c kg^-1 )/10 Misalnya: 300 ppm Ca:

Y mmol_c kg^-1 = [(300 mg kg^-1)/20.04] = 14.7 mmol_c kg^-1 cmol_c kg^-1 = (14.7)/10 = 1.47 cmol_c kg^-1

Menghitung konsentrasi kation-tukar berdasarkan muatan

• Normality (Mol_c L^-1; N)

Awalan m = milli atau 0.001, micro = μ, or 0.0000001 K = kilo, or 1,000 M = mega, or 1,000,000

mislanya 1,000 mg = 1 g; 1,000,000 μg = 1 g 1 kg = 1,000 g; 1 Mg = 1,000,000 g

Review Satuan (Unit)

Sifat Kimia Tanah yang mendasar

1. Total C: organic matter + carbonates (normally in units of %, mg g^-1, or g kg^-1)

2. Total N: mostly organic (normally in units of %, mg g^-1, or g kg^-

1)

3. C:N Ratio: Faktor utama yg mempengaruhi ketersediaan N (tanpa satuan)

4. Kapasitas Tukar Kation (KTK = CEC): Muatan permanen (liat ) dan muatan tergantung pH (bahan organik) (biasanya dg

satuan cmol_c kg^-1, atau dalam pustaka lama meq 100 g^-1) 5. Kation Tukar : Ca²⁺ , Mg²⁺ , K⁺ , Na⁺ Al³⁺ , (biasanya dalam

satuan cmol_c kg^-1, atau dalam pustaka lama meq 100 g^-1; dapat juga dengan satuan mg kg^-1, atau ppm dalam pustaka lama) 6. Kejenuhan Basa : [(Ca²⁺ + Mg²⁺ + K⁺ + Na⁺)/CEC] x 100

(satuannya %)

7. Orto-fosfat dan SO₄^2-terjerap: berhubungan dnegan

konsentrasi sesquioxide dan bahan organik (biasanya dnegan satuan mg kg^-1, atau ppm dalam pustaka lama).

KTK (CEC): Kemampuan tanah untuk mnejerap dan

menukarkan kation pada tapak muatan negatif permukaan koloid liat.

- - - - - - - - - - -

+

+ +

+ + + + + +

+ + +

+ +

+ + +

+ +

+ +

+ +

+

+ +

+ +

+ +

+

+

+ +

+

+ +

+

+

+

- -

-

-

-

- -

- - -

- -

- -

Awan ion di dekat permukaan liat yg bermuatan negatif

(lapisan rangkap difuse)

Kation lebih banyak di dekat

permukaan liat

1. Kation H^+;

• Sumber: bahan organik dan tepi-patahan liat

• Tergantung pH, seperti asam lemah.

2. Substitusi isomorfik pada mineral liat :

• Substitusi Al³⁺ untuk Si⁴⁺ dalam lapisan tetrahedral liat

• Substitusi Mg²⁺ untuk Al³⁺ dalam lapisan octahedral liat

• Tipe KTK seperti ini disebut KTK muatan permanen karena tidak dipengaruhi oleh pH.

Sumber-sumber KTK

1. Sementara (akhirnya akan terdekomposisi)

2. Tidak larut air, tetapi larut dalam basa (pH tinggi) 3. Mengandung 30% proteins, lignin, complex sugars 4. 50% C dan O, 5% N

5. KTK sangat tinggi berdasarkan bobotnya

6. Muatan negatif terjadi karena disosiasi H⁺ dari gugusan hidroksil (-OH), carboksil (-COOH), dan fenolik ( -OH) kalau terjadi peningkatan pH (konsentrasi H+ dalam larutan menurun)

Bahan organik tanah sebagai sumber KTK

OH

OH

O^-

OH

K +

pH rendah , tapak-tapak proton

Tidak ada KTK

pH tinggi (deprotonasi, Tapak pertukaran

kation)

Bahan Organik : KTK tergantung pH

+ OH^- + H₂O

Liat silikat sebagai sumber KTK

Mineral liat Kaolinit tipe 1:1 Al Oktahedra

Si Tetrahedra

Kaolinite K K K K K K K

1.0 nm

Mica (Primary mineral)

H+ K K K H+ H+

1.0 nm

Illite (Med. CEC)

0.93 nm

Chlorite (Low-Med CEC)

≈1.4

nm Ca Mg H 2O Ca H2O Vermiculite (High CEC,

expands/contracts somewhat)

Ca Mg H2O Ca H2O Smectite (or Montmorillonite

(High CEC, expands/contracts a lot)

SiO4 Al(OH)3

≈1.8 to 4.0 nm

0.72

nm H+ bonding

Liat Silikat: KTK muatan permanen muncul dari substitusi isomorfik Al³⁺ menggantikan Si⁴⁺ dalam lapisan tetrahedra atau Mg²⁺

menggantikan Al³⁺ dalam lapisan oktahedra (tidakk terpengaruh oleh pH )

Al octahedral layer

Si tetrahedral layer Al lapisan oktahedra

Si lapisan tetrahedra

- - - - - -

..Na⁺ ..Na⁺

Pertukaran kation sederhana:

Ca

²⁺

menukar menggantikan Na

⁺

[Ca²⁺]

- - - - - -

..Ca²⁺ [Na⁺] [Na⁺]

2

X

^{Na+ + Ca2+ }

X

^{Ca2+ + 2Na+}

Liat bermuatan negatif

Larut dalam larutan tanah

X

= dapat ditukar

Kation-kation dapat ditukar (kation-tukar)

:

Kation-kation “Basa” : Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺

• NH₄⁺ juga ada, tetapi jumlahnya sangat kecil

• Jumlahnya banyak biasanya : Ca²⁺ > Mg²⁺ > K⁺ >

Na⁺

• Perkecualian serpenting yg kaya Mg²⁺ atau Sodik yang kaya Na⁺)

Kation-kation “Asam” : H⁺, Al³⁺

• Al berfungsi sebagai asam : Al³⁺ + H₂O  Al(OH)²⁺ + H⁺

• Al(OH)²⁺ + H₂O  Al(OH)₂⁺ + H⁺

• Al(OH)₂⁺ Al(OH)₃ + H⁺

• Al³⁺ + 3H₂O  Al(OH)₃ + 3H⁺

Bentuk-bentuk Al dalam larutan dikendalikan oleh pH larutan

pH larutan

Persentase dari total aluminium

Tidak larut - mengendap

Deret Liotrofik :

1. Kekuatan suatu kation menggantikan kation lain dari tapak pertukaran:

2. H⁺ > Al³⁺ > Ca²⁺ = Mg²⁺ > K⁺ > Na⁺

3. Itulah sebabnya mengapa tidak semua kation tukar H⁺ dan Al³⁺ ?

4. Hukum Aksi Massa: Kation yg konsnetrasinya tinggi dalam larutan tanah akan menggantikan kation-tukar dari tapak-jerapan meskipun kation-tukar ini posisinya lebih tinggi pada deret Liotrofik

Al³⁺

Al³⁺

Al³⁺

Al³⁺

CaCa²⁺²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Tapak pertukaran kation

Ca²⁺

Ca²⁺

Ca²⁺

Tapak pertukaran kation

Ca²⁺

Ca

²⁺

menggantikan Al

³⁺

melalui hukum aksi-massa , walaupun Al

³⁺

dijerap dengan kekuatan lebih besar

pH meningkat, Al mengendap sebagai gibbsite:

Al³⁺ + 3OH^-  Al(OH)₃

Konsentrasi Ca++ jauh lebih besar daripada

konsentrasi Al+++)

Kejenuhan basa (%BS) didefinisikan sebagai

jumlah kation basa tukar (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, dan Na⁺) dibagi dnegan KTK. Biasanya dinyatakan sebagai persentase KTK, sehingga :

Unit-unit dalam ekuivalen muatan :

• Sistem lama: meq per 100g tanah (meq 100g^-1)

• Sistem baru : SI units, centimoles muatan per kg tanah (cmol_c kg^-1 ) (angkanya identik, berbeda nama satuannya)

C C

% Ca

2 2

E

Na K

BS Mg









  



Kejenuhan Basa

Kalau kita hanya mempertimbangkan kation-tukar yg utama,

KTK = Ca²⁺ +Mg²⁺ + K⁺ + Na⁺ + Al³⁺ + H⁺ (in cmol_c kg^-1) sehingga:



































 

H Al

Na K

Mg

Na K

BS

_{2 2}

Mg

₃

2 2

Ca

% Ca

Kejenuhan Basa

0 100

Persen Kejenuhan Basa

Soil pH 3 4 5 6 7

3 4 5 6 7 pH

Kapasitas Tukar Kation

KTK muatan permanen

KTK tergantung pH

Kation basa (Ca²⁺ K⁺ Mg²⁺ Na⁺) Kation asam (H⁺ + Al ³⁺) Kapasitas Tukar Kation (KTK))

Pengasaman tanah

Pengasaman tanah yg tidak punya KTK tergantung pH

Kation basa (Ca²⁺ K⁺ Mg²⁺ Na⁺) Kation asam (H⁺ + Al ³⁺) Pengasaman tanah

Pengasaman tanah yg mempunyai KTK tergantung pH

Kapasitas Tukar Kation (KTK))

1. KTK diukur dengan mengaplikasikan larutan pekat NH₄Cl atau NH₄OAc ke sampel untuk menukar semua semua

kation-tukar dengan NH₄⁺ melalui proses aksi massa.

2. Larutan pengekstraks dianalisis Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺, dan juga Al untuk menentukan apa yang ada pada kompleks jerapan.

3. Pada suatu titik KTK dapat diukur. NH₄⁺ digantikan oleh kation lainnya (misalnya Na⁺ atau K⁺ ) oleh proses aksi massa, dan NH₄⁺ kemudian diukur untuk mendapatkan estimasi KTK.

KTK dan Kejenuhan Basa

1. Asumsi yg lazim adalah sumbangan NH

₄⁺

terhadap KTK sangat kecil dan dapat

diabaikan.

2. NH

₄⁺

tukar seringkali diukur secara terpisah dg menggunakan larutan ekstraks pekat KCl.

3. H

⁺

(pH) tidak diukur pada pengekstraks ini; H

⁺

tukar diukur dengan cara lain.

Pengukuran KTK dan Kejenuhan Basa

Ada tiga cara untuk mengukur KTK

1. Metode Jumlah Kation:

1. KTK = Ca²⁺ + Mg²⁺ + K⁺ + Na⁺ + Al³⁺ (H⁺ diabaikan) 2. Ekstraksi dnegan larutan 1M NH₄Cl (garam netral yg

tidak membuffer pH).

3. KTK jumlah kation, CEC_sum, dan diukur dalam ekstraks pertama.

4. Dalam sistem liat murni (tidak ada bahan organik, oksida hidrous Fe dan Al, tidak ada alofan; yakni tidak ada KTK tergantung pH) KTK ini

mencerminkan KTK dan kation pada mineral liat (KTK muatan permanen).

Pengukuran KTK

2. KTK efektif (CEC

_eff

) pada kondisi aktual pH tanah.

1. Ini mencakup KTK permanen plus KTK tergantung pH yg ada pd kondisi aktual pH tanah.

2. Ini ditentukan dari ekstraks ke dua ; setelah

ekstraksi dnegan 1M NH₄Cl, tanah dicuci dengan ethanol untuk mengusir NH₄⁺ yg terlarut, dan

kemudian diekstraks dengan 1M NaCl untuk menggantikan semua NH₄⁺ tukar

3. Ekstraks dianalisis kandungan NH₄⁺ .

Pengukuran KTK

Tahap 1: Ekstraksi dgan 1 M NH₄Cl

NH₄⁺ menggantikan Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺, Al³⁺ ke dalam pengekstraks; ini

menghasilkan KTK jumlah kation (CEC_sum)

--- Ca²⁺

--- K⁺ --- Mg²⁺

--- Na⁺ --- H⁺ --- Al³⁺

+ NH₄⁺

Tahap 2: Ekstraksi dnegan 1 M KCl

K⁺ menggantikan NH₄⁺ tukar ke dalam pengekstraks; ini menghasilkan KTK efektif (CEC_eff) yg mencakup H⁺ tukar pada kondisi normal pH tanah

-- NH₄⁺ -- NH₄⁺ -- NH₄⁺ -- NH₄⁺ -- NH₄⁺ -- NH₄⁺

+ K⁺

-- K⁺ -- K⁺ -- K⁺ -- K⁺ -- K⁺ -- K⁺

Sampel tanah diambil

KTK Ammonium chloride (tidak mengontrol pH tanah)

Contoh tanah Tabung ekstraksi

Larutan terekstraks

Tahap 1: Ekstraksi dnegan 1 M Ammonium acetate

NH₄⁺ menggantikan Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺, Al³⁺ ke dalam pengekstraks;

karena pH tinggi, Al³⁺ pdiendapkan sebagai Al(OH)₃

--- Ca²⁺

--- K⁺ --- Mg²⁺

--- Na⁺ --- H⁺ --- Al³⁺

+ NH₄⁺

Tahap 2: Ekstraksi dengan 1 M KCl

K⁺ menggantikan NH₄⁺ tukar ke dalam pengekstraks; ini menghasilkan KTK efektif (CEC_eff) yg mencakup H⁺ tukar pada pH 7.0 (yg seringkali lebih besar

daripada pH tanah)

-- NH₄⁺ -- NH₄⁺ -- NH₄⁺ -- NH₄⁺ -- NH₄⁺ -- NH₄⁺

+ K⁺

-- K⁺ -- K⁺ -- K⁺ -- K⁺ -- K⁺ -- K⁺

Contoh tanah diambil

KTK Ammonium acetate (membuffer pH pada nilai 7.0)

Contoh tanah Tabung ekstraksi

Larutan terekstraks

Al(OH)₃

3. KTK Ammonium asetat (CEC

_OAc

).

1. Ini meliputi KTK permanen plus semua KTK tergantung pH.. KTK ini diukur dengan

mengekstraks tanah menggunakan ammonium asetat (NH₄OAc, buffers pH = 7.0)..

2. Kemudian prosedur yg sama diikuti seperti KTK garam netral.

3. Catatan: Al tukar harus diukur secara terpisah dengan ekastrak KCl karena Al mengendap sebagai Al(OH)₃ pada kondisi pH tinggi

Pengukuran KTK

KTK muatan

permanen KTK tergantung

pH CEC_eff

CEC_OAc

CEC_sum: diukur sbg jumlah Ca + Mg + K + Na + Al yh terekstraks ammonium chloride dalam ekstraksi pertama

CEC_eff: diukur dg ammonium chloride, garam netral, setelah ekstraksi ke dua CEC_OAc: diukur dengan ammonium acetate pada pH 7

Tipe KTK tergantung pada cara pengukurannya

CEC_sum

1. KTK dapat diukur dengan cara yg berbeda-beda, %BS juga beragam sesuai metode pengukurannya, dan harus dispesifik-kan.

2. Untuk suatu tanah dengan jumlah tertentu basa-tukar, % BS yg dihitung dari CEC_sum akan lebih besar dari %BS yg dihitung dari CEC_eff , dan akan lebih besar dari %BS yg dihitung dari CEC_tot karena lebih banyak kemasaman potensial pd KTK tergantung pH dihitung sebagai (yaitu CEC_sum < CEC_eff < CEC_tot).

3. Contoh gambar berikut menunjukkan bagaimana hal ini terjadi. Dalam masing-masing kasus, kation basanya sama (6 cmol_c kg^-1); menjadi pembilang ….. Mengukur perubahan KTK.

Kejenuhan Basa (%BS)

Kation-kation Basa

Ca²⁺ + Mg²⁺ + K⁺ + Na⁺ = 6 cmol_c kg^-1

Kation –kation Asam Alⁿ⁺ = 1 cmol_c kg^-1 H⁺ = 3 cmol_c kg^-1

CEC_eff = 8 cmol_c kg^-1

CEC_OAc= 10 cmol_c kg^-1

Nilai kejenuhan basa tergantung pada pengukuran KTK

CEC_sum = 7 cmol_c kg^-1

%BS_sum=

__________________________

Ca²⁺ + Mg²⁺ + K⁺ + Na ⁺ CEC_sum

Ca²⁺ + Mg²⁺ + K⁺ + Na ⁺ =

Ca²⁺ + Mg²⁺ + K⁺ + Na⁺+Alⁿ⁺

________________________

= X 100

X 100

X 100 6

7 = 85%

%BS_eff= Ca²⁺ + Mg²⁺ + K⁺ + Na ⁺ CEC_rff

________________________ X 100 6 X 100

8 = 75%

=

%BS_OAc= Ca²⁺ + Mg²⁺ + K⁺ + Na ⁺ CEC_OAc

________________________ X 100 6 X 100

10 = 60%

=

Pendekatan Kerr untuk koefisien selektivitas : [AlX]

^2/3

[Ca

²⁺

]

K

_s

= --- [CaX] [Al

³⁺

]

^2/3

Products multiplied together (each raised to the power of the number of molecules in the reaction)

over reactants (also raised to the power of the number of molecules)

Persamaan Pertukaran Kation

Persamaan dapat disusun kembali menjadi : [AlX]2 [Al³⁺]²

--- = Ks ---

[CaX]³ [Ca²⁺]³

Kedua sisi persamaan dibyulatkan untuk mengeliminir

“pangkat pecahan”.

Ini setara dengan persamaan Gaines-Thomas Equation)

Persamaan Pertukaran Kation

Persamaan Gaines-Thomas merupakan salah satu

persamaan untuk memodel penggantian Al³⁺ pada kompleks pertukaran oleh Ca⁺ dalam proses pengapuran (analogi dengan kesetimbangan kimia, hasil kali konsentrasi reaktan :

K

gt











3 2

) (

X

) (

X

2 3

3

3 3

2

Ca Al

Al Ca

} }

{ {

X

= fraksi tukar, ekuivalen

( ) = aktivitas fase larutan, moles L^-1 K_gt = koefisien selektivitas (konstante)

Peningkatan (Ca²⁺) akibat pengapuran akan menghasilkan:

1) Peningkatan

X

^Ca2+, yg selanjutnya mengurangi

X

^{Al3+ atau}

2) Menurunkan (Al³⁺)

kalau K_gt tetap kostan :

Oleh karena itu, aksi massa secara total dapat diprediksi dengan model pertukaran kation.

K gt

 







3 2

) (

X

) (

X

2 3

3

3 3

2

Ca Al

Al Ca

} }

{ {

Persamaan pertukaran kation juga memprediksi perubahan “disproportionate” dalam larutan tanah

Al

³⁺

relatif terhadap Ca

²⁺

:

  ^{ }  

 ²  ^{3 / 2}

2 / 2 3

3 3

Ca

Ca Al Al

X X







  K ^gt

Sehingga, (Al³⁺): (1) menurun sebesar

X

^Ca2+pangkat 3/2, tetapi (2) meningkat sebesar (Ca²⁺) pangkat 3/2

  ^{Al 3   K '}  ^{Ca 2 }  ^{3 / 2}

Pada jangka pendek,

X

Al³⁺ dan

X

Ca²⁺ relatif konstan (perubahannya lambat). Sehingga:

constant Ca

' ₂ Al _{3 / 2}

3

} {X

X }

{ 

 _



K gt

K

Dimana:

Perubahan (Al³⁺) sebesar pangkat 3/2 dari

(

Ca²⁺) dalam waktu singkat tanpa perubahan larutan tanah itu sendiri.

Persamaan lain untuk Pertukaran Kation:

Gaines-Thomas, Gapon, Vaneslow Misalnya: Pertukaran Ca – Al

(Sumber: Reuss, 1983)

Hubungan untuk sistem pertukaran Ca-Al dinyatakan sbb:

1. Saline: Kadar garam tinggi, potensial

osmotik tinggi, tanaman sulit menyerap air dari tanah ini.

2. Sodik: persentase Na-tukar yang tinggi (ESP) (>15%).

3. Saline-Sodic: Mempunyai kedua ciri-ciri tersebut

Tanah Saline dan Sodik

Persentase Na-tukar, Exchangeable Sodium Percentage (ESP): Ukuran sodisitas dari fase pertukaran tanah (unitnya

cmol_c kg^-1)

Tanah-tanah sodik seringkali bersifat alkalin, kation tukar Al3+

dan H+ dapat diabaikan, sehingga:

C CE ESP Na













 





 

 Mg K Na

Na E

ESP Na

_{2 2}

C Ca C

Tanah-tanah Saline dan Sodik

Sodium Activity Ratio (SAR): Ukuran sodisitas dari larutan.

Kalau satuannya mole L^-1:

Kalau satuannya mole muatan (mol_c L^-1):

Tanah-tanah Saline dan Sodik

Q

⁼

^XM

²⁺

^(Na

⁺

⁾

XNa

⁺

(M

²⁺

)

^1/2

Dimana X = penukar, M

²⁺

= (Ca

²⁺

+ Mg

²⁺

)

Sehingga kalau Ca

²⁺

dan Mg

²⁺

mendominasi penukar , maka

SAR ≈ (Q)( XNa

⁺

/XM

²⁺

) = (Q )(ESP)

SAR diturunkan dari persamaan Gapon

SAR:

Pada tanah-tanah sodik, permeabilitas sangat rendah karena Na

+ menyebabkan

koloid liat saling menempel dan merapat sehingga infiltrasi dan

porositas tanah snagat rendah

SAR >13:

Clays repel each other and line up

Poor aeration, infiltration Sodic soils

SAR <13:

Clays attract each other and stack on end

Good aeration, infiltration

Tanah-tanah Sodik mudah diperbaiki dnegan gipsum CaSO

₄

- - - - - -

..Na⁺

..Na⁺ [Ca²⁺]

- - - - - -

..Ca²⁺ [Na⁺] [Na⁺]

2

X

^{Na+ + Ca2+ }

X

^{Ca2+ + 2Na+}

Liat bermuatan negatif

Larut dalam larutan tanah

X

= dapat ditukar

Anion utama dalam larutan tanah:

1. Khloride: garam laut

2. Sulfat: Garam laut, deposisi atmosfir, pyrit 3. Bicarbonat: udara tanah CO

₂

4. Nitrat: nitrificasi, polusi udara, pupuk, fiksasi N (hanya pada beberapa kasus)

5. Ortho-P: tidak penting dalam moles L

^-1

, tetapi hara esensial sangat penting

Kimia Larutan Tanah

Kation utama dalam larutan tanah:

1. Sodium: garam laut, mineral (bukan penukar) 2. Potassium: mineral, penukar

3. Calcium: mineral, penukar

4. Magnesium: minerals, penukar

5. Aluminum: hanya pada tanah masam;

penukar

Kimia Larutan Tanah

Si dilepaskan pada pelapukan mineral, tetapi netral sebagai asam silikat :

MIsalnya, pelapukan albite melepaskan ion aluminum dan asam silikat:

NaAlSi

₃

O

₈

+ 6H

₂

0 + 2 H

⁺

 Na

⁺

+ Al(OH)

₂⁺

+ 3Si(OH)

₄

+ 2 H

₂

0

Kimia Larutan Tanah

1. Kation berinteraksi dnegan kation lainnya melalui reaksi pertukaran kation, dan perubahan

proporsional individu kation dalam larutan tanah tergantung pada total konsentrasi kation larutan tanah

2. Apa yg mengendalikan konsnetrasi kation dalam larutan tanah?

3. Satu model semi-empirik yg bagus adalah Model Mobilitas Anion: Total kation harus diimbangi

dengan total anion dalam larutan tanah (atau

larutan lain) atas dasar setara (ekuivalen) muatan:

∑

^{cations =}

∑

anions dalam satuan eq L^-1 (sama dengan satuan SI, mol_c L^-1)

Model Mobilitas Anion :

Prediksi konsentrasi total kation dalam larutan tanah

Kation dan anion utama dalam larutan tanah:

H⁺ + Al³⁺ + Na⁺ + K⁺ + Ca²⁺ + Mg²⁺ = HCO₃^- + SO₄^2- + Cl^- +NO₃^- + H₂PO₄^-

Kadangkala juga ada NH₄⁺, CO₃^-, HPO₄^2-

Misalkan persamaan pertukaran kation dalam moles L^-1; untuk menyeimbangkan muatan, kita harus

mengkonversi cations dan anions menjadi mole muatan, mole_c L^-1; Ini snagat sederhana:

mol_c L^-1 = (mol L^-1) (valensi) Misalnya:

Al³⁺ mol_c L^-1 ( Al³⁺ mol L^-1) X 3 K⁺ mol_c L^-1 = (K⁺ mol L^-1) x 1 Ca²⁺ mol_c L^-1 = (Ca²⁺ mol L^-1) x 2

Apa yg mengendalikan konsentrasi anion dalam larutan tanah?

Anion-anion tersebut adalah:

1. HCO₃^- : Tekanan parsial CO₂ dalam udara tanah dan pH 2. SO₄^2- : terutama oleh penjerapan, sangat dipengaruhi

pH

3. Cl^- : input dan ET, tidak ada interaksi kimiawi tanah atau biologi tanah yg penting (a good tracer for water) 4. NO₃^- : nitrifikasi dan serapan biologis, penjerapan

minimal

5. H₂PO₄^- : penjerapan, pengendapat dengan Ca pada kondisi pH tinggi, penyerapan biologis

Kontrol anion HCO

₃^-

dan CO

₃^2-

K_h K₁ K₂

CO₂ + H₂O ---> H₂CO₃ ----> HCO₃^- + H⁺ ---- CO₃^2- + H⁺

1 3

2CO H

3 H HCO

 K

 



































HCO3^-



²

2 H CO3

 K

 

































Eq 1

Eq 2

pCO₂ = tekanan partial CO₂ dalam udara tanah K_h = Konstante hukum Henry

K₁ dan K₂ = konstante kesetimbangan

H₂CO₃* = gas CO₂ yg larut + H₂CO₃ , menurut konvensi

 

_{h 2}



3

2CO K pCO

H 

Eq 3

Kontrol anion HCO₃^- dan CO₃^2-

K_h K₁ K₂

CO₂ + H₂O ---> H₂CO₃ ----> HCO₃^- + H⁺ ---- CO₃^2- + H⁺

1. CO₃^2- relatif tidak penting hingga pH > 8

2. HCO₃^- penting dari pH 5 hingga pH 9 (biasanya dominan pada kondisi pH lebih besar dari 5)

Percent of total carbonate species

Kontrol anion HCO₃^- dan CO₃^2-

K_h K₁ K₂

CO₂ + H₂O ---> H₂CO₃ ----> HCO₃^- + H⁺ ---- CO₃^2- + H⁺

 

 

^







































  

H h pCO 1 K

K

HCO3 ²

Menyelesaikan persamaan 1 dan 2 untuk HCO₃^-:

HCO₃^- dalam larutan tanah dikendalikan oleh tekanan partial CO₂ dalam udara tanah dan pH. Oleh karena itu,

perkalian (K₁)(K_h) relatif konstan dengan temperature karena K₁ meningkat dnegan suhu dan K_h menurun

dengan suhu.

Faktor pengendali SO

₄^2-

dan ortho-P

Biological uptake by plants and microbes (usually more important for ortho-P than for SO₄^2-)

Jerapan anion dalam tanah

•Jerapan non-spesifik:

• Pertukaran kation Fe, permukaan oksida hidrous Al

• Sangat tergantung pH

• Lemah, melibatkan NO₃^-, Cl^- Jerapan spesifik :

• Pertukaran ligand (dengan OH-)

• Sangat kuat, dapat “memfiksasi” Ortho-P atau SO₄^2-

Apakah itu ortho-P?

Disolusi asam fosfat (asam lemah)

H₃PO₄  H₂PO₄^- + H⁺ H₂PO₄^-  HPO₄^2- + H⁺ HPO₄^-  PO₄^3- + H⁺

Bentuk fosfat merupakan fungsi pH dan dapat dengan mudah berubah;

sehingga didefinisikan:

Ortho-P = H₂PO₄^- + HPO₄^2- + PO₄^3-

Kelarutan Ortho-P juga sangat dikontrol oleh pengendapan dengan Ca²⁺ pada kondisi pH tinggi

Sidebar on P:

Kalau tanah melapuk, bentuk P berubah secara sistematis

From Johnson and Cole, 1980

Jerapan Anion

Oksida hidrous Fe dan Al bersifat amfoter : dapat bermuatan positive, zero, atau negative tergantung pada pH

Kondisi pH dimana tidak ada muatan disebut titik NOL

muatan (point of zero charge, PZC).

Titik nol muatan pada oksida hidrous Fe, Al dan allophane adalah pH 8 - 9, sehingga mereka biasanya betindak sebagai penukar anion

Al

OH ⁺₂

OH

Cl -

Low pH (protonated, anion exchange site)

Al

OH

OH

Al

O^-

OH

K +

Zero Point of Charge High pH (depronotated, cation exchange site)

Non-specific Adsorption

Jerapan Specifik : Ikatan dnegan oksida hidrous Fe dan Al, kadangkala sangat kuat sehingga ortho-P yg terjerap tidak dapat lepas

Jerapan Non-specifik : Diikat dengan lemah, seperti kation-tukar Sangat tergantung pH

1. Ortho-P dan SO₄^2- memasuki jerapan spesifik 2. NO3^- dan Cl^- tidak

3. Urutan umum tarikan anion kepada tapak jerapan tanah adalah: ortho-P > SO₄²- > NO₃^- = Cl^-

4. Tidak ada pertukaran anion seperti pada pertukaran kation;

5. Ortho-P akan menggantikan SO₄^2-, tetapi tidak dapat sebaliknya

6. NO₃^- dan Cl^- mungkin dapat saling menukar, tetapi tidak dapat menggantikan SO₄^2- atau ortho-P

Jerapan Anion

1. Kontrol pada NO₃^- : biasanya nitrifikasi dan serapan biologis (oleh microba dan tanaman).

2. Kontrol pada Cl^-: : sesungguhnya nol, mobil secara lengkap. Sehingga dapat menjadi “tracer” untuk air.

3. Hanya sedikit pada tanah-tanah tropis yg kaya

oksida hidrous Fe dan Al, atau tanah Andisol adalah faktor penjerapan untuk anion.

Jerapan Anion: Penyerap yg buruk

Kontribusi kation tukar Al³⁺ dan H⁺ . Al³⁺ berfungsi sebagai asam:

Al³⁺ + H₂O ---> Al(OH)²⁺ + H⁺

Kation tukar H⁺ pd mineral liat “berumur singkat”, dan cepat digantikan oleh Al³⁺ dari dalam lapisan oktahedra.

Kemasaman aktif : kemasaman yg segera dilepaskan ke dalam larutan tanah (pH tanah)

Kemasaman Potential termasuk semua H⁺ pada tapak jerapan yg tergantung pH.

Kemasaman aktif (pH)

+ Kemasaman Potential: (kation tukar. Al³⁺ + H⁺, anion jerap.

SO₄^2-)

= Kemasaman total

Kemasaman Tanah

Kemasaman Potensial

Kemasama n Aktif Buffering

Kemasaman total pd fase padatan > 10,000 x larutan tanah

Keseimbangahn antara fase padatan dan larutan tergantung pada:

1. Konsnetrasi garam larutan tanah (pH biasanya lebih rendah dalam garam daripada dalam air)

2. Jumlah total asam-asam yg ada (seringkali ditentukan oleh kandungan BOT)

3. Derajat disosiasi asam-asam tanah (Binkley) 4. Kekuatan asam fase padatan (Binkley)

Kemasaman Tanah

1. Pencucian

a). Asam karbonat:

CO₂ + H₂O ---> H₂CO₃ ---> HCO₃^- + H⁺

X

^{K+ + H+} --->

X

^{H+ + K+}

____________________________________________________________

CO₂ + H₂O

X

^K+ ---> X H⁺ + K⁺ HCO₃^-

X

= fase (tapak) pertukaran

Kation basa (mis. K⁺) tercuci bersama bikarbonat dan tanah menjadi semakin masam.

Sumber alamiah asam dalam tanah

1. Pencucian

b). Asam-asam organik:

R-OH ---> RO^- + H⁺ X K⁺ + H⁺ --->

X

^{H+ + K+}

____________________________________________________________

R-OH +

X

^K+ --->

X

^{H+ + K+ RO-}

Anion organik biasanya kurang mobil dan terjerap di horison B.

Asam organik juga dapat mengkhelat kation tidak larut seperti Fe dan mencucinya ( terutama pada Spodosols)

Sumber alamiah asam dalam tanah

1. Pencucian

c). Nitrifikasi dan pencucian nitrat

2NH₄⁺ + 4O₂ ---> 2H⁺ + 2NO₃^- + 2H₂O 2

X

^{K+ + H+} ---> 2

X

^{H+ + 2K+}

____________________________________________________________

2NH₄⁺ + 4O₂ + 2X K⁺ ---> 2X H⁺ + 2K⁺ + 2NO₃^-

Garam nitrat tercuci ke luar tanah dan tanah menjadi semakin masam.

Sumber alamiah asam dalam tanah