Pengenalan Kapasitas Tukar Kation (KTK) Model 3 Dimensi dan Gambar Bergerak Shockwave

Transkripsi

1 Pengenalan Kapasitas Tukar Kation (KTK) Model 3 Dimensi dan Gambar Bergerak Shockwave Tugas Terjemahan Kesuburan Tanah Lanjut Oleh Rini Sulistiani SEKOLAH PASCASARJANA UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N

2 Pengenalan Kapasitas Tukar Kation (KTK) -- Model 3 Dimensi dan Gambar Bergerak Shockwave Pengantar Pada pelajaran yang lalu kita telah membicarakan tentang mineral primer dan sekunder yang secara umum terdapat dalam tanah, yaitu: Mineral primer dan mineral liat. Kebanyakan mineral liat yang ditemukan dalam tanah memiliki kemampuan untuk membentuk suatu jaringan muatan negatif yang langsung memenuhi adsorpsi elektrostatik kation-kation. Interaksi ini mirip dengan bagaimana suatu magnet menarik serbuk besi. Walaupun serbuk besi melekat erat pada magnet tetapi dapat dengan mudah dilepaskan. Hal yang sama terjadi pada adsorpsi kation di permukaan koloid yang dapat ditukar atau tersedia untuk tanaman dan mikroorganisme. Kita dapat mendefinisikan kapasitas tukar kation (KTK) yaitu Jumlah total kation dapat ditukar yang bisa diadsorpsi oleh tanah. Kapasitas tukar kation merupakan hal yang sangat penting dimiliki tanah pada bidang pertanian dan lingkungan. Sebagai contoh, tanpa KTK kation hara esensial seperti Potasium dan Kalsium harus di suplai secara kontinu oleh pupuk inorganik selama pertumbuhan tanaman. Pelajaran kali ini akan membahas pembentukan muatan negatif pada mineral liat, penyebaran kation-kation di sekitar muatan negatif permukaan liat, dan reaksi pertukaran kation yang mensuplai kation-kation hara untuk tanaman dan mikroorganisme. Pembentukan Muatan pada Permukaan Liat Fraksi liat tanah tetap pada mineral ukurannya sangat kecil. Partikel-partikel ini begitu kecil untuk dapat dilihat dengan mikroskop biasa dan harus dilihat dengan menggunakan mikroskop elektron. Umumnya partikel liat lebih kecul dari 2 µm (2 persejuta meter). Karena ukurannya kecil koloid tanah mempunyai area permukaan yang sangat tinggi atau permukaan persatuan massa. Koloid tanah berukuran kecil area permukaan tinggi dan jaringan muatan negatif membuat aktivitas permukaan lebih ekstrim. Dibawah ini adalah gambar mikroskop elektron dari mineral-mineral liat montmorillonit (kiri) dan kaolinite (kanan). Garis putih dan garis hitam pada gambar menunjukkan panjang 2 µm. Rini Sulistiani@Kesuburan Tanah Lanjut

3 Muatan permukaan pada koloid tanah dibentuk dengan dua cara: Substitusi isomorfik (Muatan permanen) dan deprotonisasi fungsi permukaan (ph tergantung muatan). ph tergantung muatan terjadi pada tepi lapisan silika muatan mineral tak tetap seperti oksidasi Fe dan Al dan bahan organik. Hal ini disebut ph tergantung muatan karena menaikkan ph dalam kelarutan tanah yang meningkat. Kebanyakan ph tergantung muatan dihubungkan dengan dengan lahan pertanian yang terjadi deprotonisasi pada fungsi organik. Sebagaimana ph tanah meningkatkan asam lemah seperti asam karboksilat yang menyumbangkan proton dan menghasilkan muatan negatif: COOH + OH - = COO - + H 2 O Salah satu cara praktis untuk meningkatkan KTK pada lahan pertanian adalah dengan menambah bahan organik melaui pengolahan tanah dan meningkatkan ph dengan menambah kapur. Substitusi isomorfik adalah menggantikan salah satu atom dengan atom lain yang sama ukurannya dalam kisi-kisi kristal tanpa mengganggu atau mengubah struktur kristal mineral. Jika anda ingat dari pelajaran tentang liat dan mineral primer, kationkation di koordinasikan pada oksigen dan anion-anion hidroksil di dalam struktur mineral. Muatan negatif pada anion-anion diseimbangkan oleh muatan positif pada kation-kation yang telah diselaraskan. Jaringan muatan negatif terbentuk ketika ukuran kation serupa dengan substitusi muatan positif rendah menjadi muatan positif lebih tinggi. Substitusi isomorfik dapat juga mengambil tempat diantara kation-kation yang bermuatan sama atau kation kation yang bermuatan positif lebih tinggi. Dalam hal ini substitusi diantara kation yang sama muatannya tidak ada muatan yang terbentuk. Dalam hal substitusi diantara kation muatan positif lebih tinggi dengan kation muatan lebih rendah jaringan muatan positif terbentuk. Hal penting yang harus Rini Sulistiani@Kesuburan Tanah Lanjut

4 diingat bahwa substitusi isomorfik hanya terjadi diantara kation-kation pada ionok radii yang sama. Pada pelajaran di bawah ini kita akan langsung berhubungan dengan pembentukan muatan permanen melalui substitusi isomorfik. Gunakan tabel dibawah ini untuk menentukan atom dan molekul yang menyusun mineral liat: kode warna untuk model mineral liat CONTOH: Substitusi isomorfik Mg 2+ ke Al 3+ dalam lapisan oktahedral a 2:1 mineral liat. (klik pada tombol dan gunakan mouse untuk memutar model mineral.) Dalam hal ini Mg bermuatan a +2, Al bermuatan a +, O bermuatan a -2. Jika kotak dibawah menunjukkan lapisan oktahedral a 2:1 mineral liat lalu mensubstitusi Mg +2 ke Al +3 akan menimbulkan satu muatan negatif. Penambahan muatan dihasilkan oleh tiap atom untuk memperoleh muatan seluruhnya. Sekarang ambil a 2:1 di oktahedral mineral liat tanah. Dalam mineral ini tidak ada substitusi isomorfik -- Si didalam lapisan tetrahedral dan Al dalam lapisan oktahedral. Sekarang ambil mineral yang sama dan secara substitusi isomorfik atom 6 Mg 2+ ke atom 6 Al 3+ pada tiap lapisan oktahedral. Tiap satu kation Mg 2+ akan memberikan satu muatan negatif. Dalam ilmu tanah kami menyatakan KTK adalah cmolc per kg (yaitu muatan centimols). Setiap muatan negatif yang dihasilkan oleh substitusi isomorfik memberi 1 molc. Jadi berdasarkan jumlah oktahedron coklat (18 molc/mineral) dan seluruh berat molekul pada gambar mineral (dihitung dengan penambahan masing-masing Si, Al, Mg, dan O dan mengalikan masing-masing dengan berat molekulnya sama dengan gr/mineral) mineral ini mempunyai seluruh muatan negatif atau KTK pada: Konsep ini akan lebih jelas jika kita membicarakan KTK dan melihat demo KTK. Rini Sulistiani@Kesuburan Tanah Lanjut

5 Lapis Ganda Elektrik Jaringan muatan negatif dihasilkan oleh partikel liat akan diseimbangkan atau dinetralkan oleh adsorpsi. Dengan penambahan sejumlah muatan negatif akan digunakan untuk meniadakan atau menolak dari area yang berdekatan pada muatan negatif permukaan liat. Penolakan atau peniadaan sering disebut dengan adsorpsi negatif. Selanjutnya akan memperbesar konsentrasi penolakan kation pada permukaan liat dan daerah yang lebih jauh dimana konsentrasi anion lebih tinggi. Akhirnya penyebaran kation dan anion akan sama dengan larutan bulk. Kombinasi pada muatan negatif permukaan liat dan penyebaran kation dan anion dengan tidak seimbang (dibandingkan pada larutan bulk) peniadaan partikel liat disebut Lapis ganda elektrik (Electrical Double Layer/EDL) atau difusi lapis ganda (Diffuse Double Layer/DDL). Ingatlah bahwa kita membicarakan tentang fenomena yang terjadi pada tingkat mikroskopis, oleh karena itu ketebalan dan volume yang nyata pada lapis ganda elektrik sangat kecil. Demo EDL memperlihatkan 18 molc terbentuk dalam liat menyebabkan substitusi isomorfik yang diseimbangkan melalui gaya tarik elektrostatis kation-kation dan gaya tolak anion-anion. EDL mencakup muatan negatif partikel liat dan kondisi lingkungan berair yang disebabkan oleh muatan tersebut. KODE WARNA UNTUK KATION DAN ANION PADA DEMO SHOCKWAVE Pada seluruh demo tersebut kita mengukur ion-ion yang sama pada hidratasi radii dalam lingkungan berair. Hidratasi radii pada kation mengukur ion-ion seperti yang terlihat di bawah ini: Ion Hydrated radii in nm* Al Ca K Cl H *From Lindsay (1979) Rini Sulistiani@Kesuburan Tanah Lanjut

6 Ketika Demo di klik pastikan yang anda amati adalah kation dan anion yang disebabkan oleh muatan negatif partikel liat. Begitu juga sebagai catatan bahwa dalam larutan bulk terdapat jumlah yang sama kation dan anion -- ini adalah konsep elektronetralitas yang lazim terjadi dalam tanah. Kapasitas Tukar Kation Sejauh ini kita telah membicarakan tentang terbentuknya muatan dalam koloid tanah dan penyebaran ion-ion di sekitar muatan permukaan. Sejak kation diadsorpsi pada permukaan mineral ditahan melalui interaksi elektrostatik yang lemah yang tersedia bagi tanaman dan mikroorganisme melalui reaksi pertukaran. Sebagai contoh tanaman dapat mengeluarkan proton (H + ) yang dapat dipertukarkan atau digantikan kation hara seperti Potasium pada permukaan koloid. Muatan negatif koloid digantikan oleh proton dan K + memasuki lingkungan berair yang dapat diabsorbsi oleh tanaman melaui aliran massa. Ada beberapa karakteristik penting pada pertukaran kation: 1. Reaksi pertukaran cepat 2. Reaksi pertukaran difusi terkontrol 3. Reaksi pertukaran dapat dikembalikan 4. Reaksi pertukaran stoikiometri 5. Selektivitas salah satu ion daripada lainnya Tiga poin pertama langsung dibahas disini dan kita akan membicarakan poin kelima pada sesi berikutnya. Poin keempat penting dan berguna untuk penjelasan selanjutnya. Terbentuknya muatan negatif pada koloid tanah melalui substitusi isomorfik dapat digantikan oleh kation-kation mono-, di-, atau trivalen. Dalam hal ini kation trivalen seperti Al 3+, 1 cmol dapat manggantikan 3 cmolc pada permukaan koloid. Sama halnya 1 cmol Ca 2+ dapat menggantikan 2 cmolc sementara 1 cmol K + dapat menggantikan 1 cmolc pada permukaan koloid. Atau dengan kata lain akan diambil 1/3 cmol Al 3+ atau 1/2 cmol Ca 2+ atau 1 cmol K + untuk menggantikan 1 cmolc pada permukaan koloid. Hal ini berarti reaksi pertukaran dengan stoikiometri (poin no 4). Hal terpenting adalah memahami perbedaan cmol dengan cmolc. Muatan pada cmolc digunakan untuk mengukur KTK. Ini adalah satuan mendasar yang dipakai untuk menormalkan kation-kation yang berbeda valensi nya yang dapat diadsorpsi. Jadi, 1 cmolc Al 3+ = 1cmolc Ca 2+ = 1 cmolc K +. ini adalah satuan mendasar dan menempatkan kation-kation yang berbeda valensinya pada suatu wilayah yang sama dan disetujui oleh ahli-ahli tanah dalam mengukur KTK. Rini Sulistiani@Kesuburan Tanah Lanjut

7 Hal ini akan sedikit membingungkan, marilah mendemonstrasikan masalah ini dengan menggunakan beberapa model. Permukaan koloid dalam model adalah permukaan yang sama yang digunakan pada demonstrasi substitusi isomorfik -- semua polihedra yang berwarna coklat adalah kation-kation Mg 2+ yang disubstitusi secara isomorfik pada Al 3+ dalam lapisan oktahedral. Selanjutnya, mineral dalam model mempunyai muatan substitusi isomorfik 18 molc. Jika kita nyatakan sebagai cmolc/kg (sama dengan perhitungan sebelumnya untuk substitusi isomorfik) maka mineral ini akan memiliki KTK sebesar 206 cmolc/kg. jumlah substitusi isomorfik ini lebih besar daripada yang ditemukan secara alami pada monmorilonit tapi masih dalam kisaran yang ditemukan secara alami pada trioktahedral vermiculites. Kita menggunakan KTK yang tinggi untuk mendemonstrasikan konsep pertukaran kation. Jika anda skrol ke atas anda akan menemukan kode warna untuk ion yang digunakan dalam model. Jika anda klik di model KTK, anda akan melihat kation-kation di dalam lapisan mineral liat yang sama bagusnya dengan kation dalam larutan bulk. Jika anda ingat demo EDL beberapa muatan negatif permukaan digunakan untuk meniadakan anion (adsorpsi negatif). Juga kation-kation dalam larutan bulk perlu dinetralkan dengan anion (konsep elektronetralitas). Untuk tujuan selanjutnya model kita yang semuanya bermuatan negatif pada koliod digantikan pada kation yang diadsorpsi di dalam interlayer. Hanya kation-kation (tidak berhubungan dengan anion) akan ditunjukkan di dalam larutan bulk yang akan diperlukan dalam reaksi pertukaran Satu konsep lagi dan akan kita peroleh pada demo KTK -- Kejenuhan Basa. Ini merupakan konsep yang lebih sederhana -- persentase kompleks pertukaran yang digunakan oleh kation-kation basa. Kation-kation basa adalah Kalsium, Potasium, Magnesium dan Sodium. Mereka disebut kation basa karena dapat digolongkan pada basa kuat (misalnya NaOH atau KOH). Kation-kation asam H + dan Al 3+. Al 3+ disebut sebagai kation asam karena dapat membentuk proton melalui reaksi hidrolisis: [Al(H 2 O) 6 ] 3+ + H 2 O = [Al(OH)(H 2 O) 5 ] 2+ + H 3 O + Ketika anda menyaksikan demo KTK perhatian umumnya pada sifat kompleks pertukaran. Jika anda ingin menghitung kejenuhan basa meningkatkan molc pada adsorpsi kation basa dalam interlayer melalui molc kation asam dan mengalikan dengan anda akan dapat peningkatan sekitar 22%. Ini adalah tipikal tanah di wilayah tenggara yang tinggi kerusakannya tanpa di kelola (misalnya penambahan kapur). Kita akan membicarakan selektivitas ion dan sifat kompleks pertukaran setelah kita menyaksikan dua model pertama. Model pertama ( pertukaran monovalen) mendemonstrasikan proton Potasium yang dipindahkan dari kompleks Rini Sulistiani@Kesuburan Tanah Lanjut

8 pertukaran -- pertukaran kation a + 1 untuk kation a + 1. pada model kedua (pertukaran monovalen-divalen) Ca 2+ dipertukarkan dengan proton 2 +1 yang diilustrasikan pada poin 4 diatas (stoikiometri). Sifat Dasar Komplek Pertukaran Sekarang kita akhiri dengan membicarakan poin kelima. Beberapa kation akan lebih disukai dibandingkan yang lain pada muatan negatif permukaan koloid tanah. Secara umum hal ini berhubungan dengan muatan kation dan hidratasi radii: Al 3+ > Ca 2+ = Mg 2+ > K + = NH 4 + > Na + Dalam hal ini kation-kation dengan muatan atau valensi yang sama lebih memilih mengikuti penurunan hidratasi radii : Cs + > Rb + > K + > Na + > Li + Pilihan di atas dpat disimpulkan dengan menggunakan hukum Coulombs yang menyatakan bahwa gaya tarik antar kation-kation berlawanan berbanding lurus terhadap muatan-muatan ion dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar muatan. Dengan kata lain muatan yang lebih besar, lebih besar gaya tariknya dan jarak yang lebih besar antar muatan lebih kecil gaya tariknya. Pada tanah dengan kerusakan yang tinggi seperti di bagian tenggara USA dan daerah tropis dengan curah hujan tinggipencucian kation-kation monovalen dan divalen serta komplek pertukaran didominasi oleh Al 3+ (Kejenuhan basa rendah). Di daerah arid dan semi-arid kationkation basa dihemat dan komplek pertukaran akan didominasi oleh mono dan divalen (kejenuhan basa tinggi). Dengan demikian, untuk beberapa tanah yang kerusakannya tinggi akan menjadi produktive, dimulai dari lahan pertanian kita harus menambahkan kapur untuk meningkatkan kejenuhan basa. Pertama kali seorang petani di USA yang memperkenalkan pentingnya pengapuran adalah petani Virginia yang bernama Edmond Ruffin, ia menggunakan kulit kerang di lahannya. Sekarang berbagai jenis sumber pengapuran tersedia bagi petani. Ketika kapur diberikan ke tanah, ia akan melepaskan katian (biasanya Ca 2+ ) yang digantikan Al 3+ dari komplek permukaanmskipun Al 3+ merupakan konsentrasi yang lebih disukai daripada Ca 2+ dalam larutan tanah, hebatnya ia dapat berlimpah dan menggantikan tempat Al 3+ dengan aksi massa. Satu Al 3+ memasuki larutan tanah yang dapat menghidrolisis (lihat reaksi di atas) dengan melepaskan proton dan dinetralkan oleh ion karbonat dan bikarbonat yang terbentuk dari kapur. Rini Sulistiani@Kesuburan Tanah Lanjut

9 Demo dibawah ini memperlihatkan bagaimana Ca 2+ dapat mengganti tempat Al 3+ dari komplek pertukaran. Perlu perhatian seksama pada reaksi stoikiometri. Itulah dia!! -- Pengantar yang relatif sederhana tentang pembentukan muatan dan KTK pada koloid tanah. Ingat bahwa reaksi yang sebenarnya disajikan pada demo di atas akan lebih komplek di dalam lingkungan. Memahami pembentukan muatan dan KTK pada tanah memungkinkan untuk mengelola tanah lebih untuk pertanaman dan memahami bioavailabilitas dan mobilitas pencemaran di bawah permukaan tanah. Rini Tanah Lanjut