Unsur Kelumit dan Mikro dalam Oseanografi Kimiawi

Unsur-Unsur Kelumit

Materi Kuliah III

Oseanografi Kimiawi

Difinisi dan Sumber

◼ Unsur mikro dan kelumit (trace) didasarkan pada konsentrasi:

❖ Unsur utama (0,05 – 750 mM); Na, Cl, Ca, K, Mg

❖ Unsur minor (0,05 – 50 µM); P dan N

❖ Unsur trace (0,05 – 50 nM); Pb, Hg, Cd.

◼ Logam berat (unsur dengan densitas > 5 g/cm³)

◼ Sumber:

▪ Sungai

▪ Udara

▪ Hidrotermal

▪ Antropogenis

Sungai

Pelapukan

❖Bentuk : Partikel dan Terlarut

❖Karakteristik:

o Terabsorpsi pada mineral liat.

o Terdesorpsi dengan

peningkatan ionic strength.

o Terpresipitasi thd

peningkatan ionic strength dan pH (oxyhidroksida dan koloid metalorganik)

Udara

• Komponen debu dan debris

• Input utama di laut As dan Pb.

• Sumber

utama pada mid-ocean gyres

Hidrotermal

◼

Fluida berasosiasi

dengan pusat tektonik

◼

Pengkayaan trace metal saat air laut terpanaskan akibat kontak dengan magma.

◼

Sebagian besar metal terpresipitasi sebagai sulfida

Hidrothermal

Komposisi Unsur di Batuan

Antropogenis

◼

Akibat aktifitas manusia masuk ke laut melalui transport sungai dan atmosfer.

◼

Transport lain

Penimbunan, ledakan bom atom, oil-drilling

Aktifitas Manusia

Masukan Unsur Trace

Konsep Residence Time

◼ Waktu rata-rata unsur berada di laut sebelum keluar ke pengendapan sedimen.

◼ Secara empiris ditunjukkan melalui hubungan

τ = dA

A dt

◼ dimana :

◼ τ = residence time

◼ A = jumlah total unsur tersuspensi/terlarut dalam air.

◼ dA/dt = jumlah unsur masuk atau keluar per waktu

Beberapa Arti Residence Time

◼

Mencerminkan variasi reaktivitas unsur di air laut (nilai 2.6x10

⁸

, Na, sampai 100 th, Al).

◼

RT terlama terdapat pada logam alkali dan alkali tanah, cerminkan kurang reaktive.

◼

RT pertengahan (~ 10

³

– 10

⁴

th), Zn, Mn, Co dan Cu.

◼

RT pendek (~ 10 – 10

³

th), Al, Ti, Cr dan Fe

Karakteristik Unsur Mikro

◼

Adsorpsi dan Presipitasi

◼ Adpsorpsi terjadi karena mineral liat, logam oxyhidroksida dan bahan organik partikel cenderung memiliki net muatan negatif pada pH air laut, sehingga menarik logam kation.

◼ Adsorpsi menimbulkan proses “scavenging” yang bergantung pada sifat unsur, kelimpahan partikel, konsentrasi terlarut dan kedalaman.

◼ Inkorporasi ke bahan biogenis (jaringan dan skeletal.

◼ Presipitasi akibat kondisi anoxia (logam sulfida di sedimen kaya bahan organik)

Proses adsorpsi

Tipe Profil Distribusi Logam

◼

Tipe unsur hara

◼

Tipe Peningkatan di permukaan air

◼

Tipe Peningkatan di tengah kolom air

◼

Tipe Penurunan di tengah kolom air

◼

Tipe Kondisi anoksia

Tipe Unsur Hara

◼

Ciri Umum

◼ Turun di permukaan

◼ Meningkat di kedalaman

◼ Unsur terlibat dalam proses siklus

biogeokimia (nutrien : nitrat, fosfat dan silika)

◼

Contoh lain: Ni, Cd, Cu

Tipe Peningkatan di permukaan air

◼

Ciri Umum

◼

Input di permukaan

◼

Penurunan di kedalaman

◼

Diperkirakan masukan dari transport udara atau percampuran horisontal dari sungai atau

sedimen paparan benua.

Tipe Peningkatan di tengah kolom air

◼

Ciri umum

◼

Sumber logam di

pertengahan kolom air laut (Emisi

Hidrotermal).

Tipe Penurunan di tengah kolom air

◼

Ciri umum

◼ Sumber logam di

permukaan dan dasar.

◼ Scavenging di tengah kolom air oleh cangkang siliceous.

◼ Unsur membentuk

spesies terlarut reaktive thd partikel

Tipe Kondisi anoksia

◼

Ciri Umum

◼

Terjadi pada perairan Anoxia seperti:

◼ Sirkulasi terbatas

◼ Keluaran permukaan hidrotermal

◼ Sedimen interstitial (air antara

Spesiasi Cd dan Pb

Konstata dari Byrne, (1981) dan Byrne

& Miller (1984)

DASAR SPESIASI UNSUR

◼

Sistem dengan kandungan senyawa padat MgSO

₄

= 1 m dan CaF

₂

= 1 m dalam air, tentukan konsentrasi ion bebas dari spesies Mg

²⁺

, Ca

²⁺

, SO

₄^2-

, F

^-

).

◼

Penyelesaian memerlukan kemungkinan terbentuknya senyawa komplek, diasumsikan komplek terlarut

terbentuk adalah MgSO

₄

, MgF

⁺

, CaSO

₄

dan CaF

⁺

Kesetimbangan Masa

◼

Mg = (Mg

²⁺

) + (MgSO

₄

) + (MgF

⁺

) = 1

◼

Ca = (Ca

²⁺

) + (CaSO

₄

) + (CaF

⁺

) = 1

◼

S = (SO

₄^2-

) + (MgSO

₄

) + (CaSO

₄

) = 1

◼

F = (F

^-

) + (MgF

⁺

) + (CaF

⁺

) = 2 Diketahui:

◼

K

_MgSO4

= 10; K

_MgF+

= 18.3

◼

K

_CaSO4

= 7.99; K

_CaF+

= 3.27

Hukum Masa

◼ K_MgSO4 = (MgSO₄)/(Mg²⁺)(SO₄^2-)

(MgSO₄) = K_MgSO4(Mg²⁺)(SO₄^2-) = 10(Mg²⁺)(SO₄^2-)

◼ K_MgF+ = (MgF⁺)/(Mg²⁺)(F^-)

(MgF⁺) = K_MgF+(Mg²⁺)(F^-) = 18.3(Mg²⁺)(F^-)

◼ Untuk mengawali hitungan nilai ligan diasumsikan tidak terjadi komplek sehingga S = (SO₄^2-) = 1 dan F = (F^-) = 2

Hitungan

◼ (MgSO₄) = 10(Mg²⁺)(SO₄^2-) = 10(Mg²⁺)

(MgF⁺) = 18.3(Mg²⁺)(F^-) = 36.6(Mg²⁺) Mg = (Mg²⁺) + 10(Mg²⁺) + 36.6(Mg²⁺) = 1 (Mg²⁺) = 0.021 m

◼ Dengan cara yang sama diperoleh

Ca = (Ca²⁺) + 7.99 (Ca²⁺) + 6.55 (Ca²⁺) = 1 (Ca²⁺) = 0.064 m

◼ Kedua nilai selanjutnya dimasukkan pada S dan F

Hitungan

◼ Nilai sulfat bebas diperoleh dari

S = (SO₄^2-) + (MgSO₄) + (CaSO₄)

S = (SO₄^2-) + K_MgSO4(Mg²⁺)(SO₄^2-) + K_CaSO4(Ca²⁺)(SO₄^2-) S = (SO₄^2-) + {10 x 0.021(SO₄^2-)} + {7.99 x 0.064(SO₄^2-) = 1 (SO₄^2-) = 0.58 m

◼ Dengan cara yang sama florida bebas diperoleh

F = (F^-) + (MgF⁺) + (CaF⁺) = 2

F = (F^-) + K_MgF+(Mg²⁺)(F^-) + K_CaF+ (Ca²⁺)(F⁺) = 2 F = (F^-) + {18.3 x 0.021(F^-)} + {3.27 x 0.064(F^-)} = 2 (F^-) = 1.3 m

◼ Kedua nilai selanjutnya dimasukkan pada kembali ke Mg dan Ca, untuk

mendapatkan nilai (Mg²⁺) dan (Ca²⁺) terkoreksi, perhitungan dilakukan sampai nilai spesiasi yang diperoleh tidak lagi berubah, dan setelah 10 kali pengulangan (iterasi) diperoleh (Mg²⁺) = 0.05 m, (Ca²⁺) = 0.15, (SO₄^2-) = 0.37 m (F^-) = 0.83 m

Hasil Iterasi

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Konsentrasi Ion Bebas

Pengulangan

Mg2+

Ca2+

SO42-

F-

Hasil Spesiasi Akhir

Spesies Konsentrasi

Mg2+ 0,050

Ca2+ 0,150

SO42- 0,370

F- 0,830

MgSO4 0,186

MgF+ 0,764

CaSO4 0,555

CaF+ 0,407