Kamis, 03 November 2011

Hubungan Antara CO2, pH dan Alkalinitas

Waktu kuis Ocekim kemarin, ada satu soal yang cukup menarik perhatian saya, yaitu bagaimana hubungan antara CO2, pH dan alkalinitas. Disini saya mencoba menguraikan pendapat saya tentang hubungan tersebut. Apabila ada teori atau argumentasi saya yang salah, saya menerima masukan dengan senang hati. Terima kasih.


pH adalah intensitas kondisi asam atau basa dalam suatu perairan. pH menunjukkan konsentrasi ion hidrogen (H+) dalam suatu larutan (Julinda, 2011).

Alkalinitas adalah ukuran konsentrasi ion yang dapat bereaksi dengan H+. Satuannya adalah meq. CO2 dalam air laut berbentuk CO2 terlarut, ion HCO3- (Dominan), CO32-, dan OH- (Mulyanto, 2011).

Hubungan CO2 dengan Alkalinitas:
Jika dalam 1 kg air laut mendapatkan tambahan 1 mmol:
1. CO2 → CO2 naik 1 milimole sementara alkalinitas tetap.
Karena dengan masuknya CO2 (sebelum bereaksi dengan air) tidak menambah ion yang bisa bereaksi dengan H+ (CO2 tidak bermuatan).
2. HCO3- → Total CO2 naik 1 milimole dan alkalinitas naik 1 meq.
HCO3- bermuatan -1, menambah jumlah ion yang bisa bereaksi dengan H+.
3. CO32- → Total CO2 naik 1 milimole dan alkalinitas naik 2 meq.
CO32- bermuatan -2, menambah jumlah ion yang bisa bereaksi dengan 2H+.
Dapat disimpulkan bahwa alkalinitas tidak berhubungan langsung dengan CO2, tetapi dengan muatan yang ada dalam molekul CO2 tersebut. Semakin tinggi CO2 nya, maka alkalinitasnya semakin tinggi.

Hubungan antara pH dan CO2:
Di air laut, pH terus bervariasi karena adanya respirasi dan fotosintesis. Saat malam hari, jumlah CO2 naik sebagai hasil proses respirasi. CO2 bebas dilepaskan dan bereaksi dengan air membentuk asam karbonat (yang kemudian direduksi menjadi bikarbonat dan karbonat), membuat temperatur dan pH menjadi lebih rendah.
CO2 + H2O ↔ H2CO3
Sehingga semakin tinggi CO2 pH nya semakin rendah.

Hubungan antara pH dengan alkalinitas:
(Lanjutan hubungan CO2 dengan alkalinitas)
Jika dalam 1 kg air laut mendapatkan tambahan 1 mmol:
4. HCl → Total CO2 tetap dan alkalinitas turun.
Ada penambahan ion yang akan bereaksi dengan HCO3- (ion H+ dari HCl) membentuk H2CO3.
H+ + HCO3- → H2CO3
Bikarbonat Asam karbonat
5. NaOH → Total CO2 tetap, alkalinitas naik.
Disebabkan adanya penambahan ion OH- dari NaOH yang kemudian bereaksi dengan CO2 membentuk senyawa HCO3-.
CO2+OH- → HCO3-
Kedua reaksi diatas tidak mengandung CO2, hanya bersifat asam atau basa.
Untuk pernyataan nomor 4:
Permisalan:
pH H2CO3 pada konsentrasi 0,1 M?
H2CO3 → 2H+ + CO32-
= (0,1)2 (0,1)
= (0,1)2
H+ = 0,01 / 10-2
pH = -log 10-2
= 2
Jadi saat alkalinitas turun, pH naik.
Untuk pernyataan nomor 5:
Permisalan:
pH HCO3- pada konsentrasi 0,1 M?
HCO3- → H+ + CO3-
= (0,1) (0,1)
H+ = 0,1 / 10-1
pH = -log 10
= 1
Saat alkalinitas naik, pH turun.


Dari penjabaran diatas, dapat disimpulkan bahwa pH berpengaruh terhadap CO2 dan alkalinitas, sementara alkalinitas tidak secara langsung berhubungan dengan konsentrasi CO2 di perairan (melihat jumlah muatan pada total CO2). Semakin tinggi CO2, maka pH di perairan semakin rendah, saat pH air turun, alkalinitasnya semakin besar.


Sumber bacaan:
Julinda, Syarifah Hikmah. 2011. Chemical Oceanography: pH and Alkalinity. FPIK-UB
Mulyanto. 2011. Gas-Gas Terlarut dalam Air Laut. FPIK-UB

Air

Air adalah zat atau materi atau unsur yang penting bagi semua bentuk kehidupan yang diketahui sampai saat ini di bumi, tetapi tidak di planet lain. Air menutupi hampir 71% permukaan bumi. Terdapat 1,4 triliun kubik (330 juta mil³) tersedia di bumi. Jenis – Jenis Air sendiri di bagi menjadi 2 macam (Etnize, 2009).

Dalam bentuk-bentuk ikatan kimia, ada ikatan ion yaitu ikatan dimana satu elemen memberikan elektron pada elemen lainnya yang kemudian diikat oleh gaya elektrostatis (muatan ion), contohnya NaCl (Unsur utama dalam kadar garam/salinitas). Ada pula ikatan kovalen yaitu penggunaan bersama satu pasang elektron dan memiliki ikatan yang lebih kuat daripada ikatan ion (H2O), serta ikatan hidrogen yang mengikat beberapa molekul air membentuk polimer (monohydrol, dihidrol, dan tryhidrol), contohnya air dengan air. Sehingga pada saat kita meminum air terjadi dua ikatan disitu, yaitu ikatan kovalen dan hidrogen (ikatan satu pasang elektron yang digunakan bersama-sama serta ikatan molekul air dengan air itu sendiri).


Pada ikatan hidrogen, salah satu polimer air menghasilkan bentuk tetrahedron. Tetrahedron berupa poligon yang bersisi empat, sisi-sisinya adalah segitiga sama sisi (terlihat seperti segienam karena pinggir-pinggirnya berbentuk segitiga yang mengikat bentuk yang lain). Ikatan hidrogen ini dapat diatasi dengan agitasi termis (thermal agitation) yang menyebabkan air memiliki titik beku dan titik didih yang lebih tinggi dibandingkan senyawa yang serupa seperti H2S, H2Se dan H2Te. Akibatnya adalah pada saat dipanaskan hingga 100⁰ C air tidak menguap seluruhnya dan saat didinginkan hingga 0⁰ C air tidak membeku seluruhnya.

Suhu menentukan perbandingan jumlah polimer dan komposisi polimer menentukan sifat fisika air, menyebabkan air memiliki sifat: hubungan kerapatan – suhu yang aneh, kohesi, serta panas penguapan tinggi (Pada benda lain jika dipanaskan memuai jika didinginkan menyusut. Hg dalam ruangan meskipun logam namun lebih cepat memuai dari
air).


Pembentukan molekul air:

Sifat Fisik dan Kimia Air:


1. Hubungan kerapatan dan Suhu yang Aneh

Pada suhu 4⁰ C, kerapatan/densitasnya menurun karena pembentukan tetrahedron lebih dominan daripada penyusutan molekul-molekul air. Saat didinginkan, molekul air tetap menyusut namum pembentukan tetrahedron tetap terjadi dan menyisakan ruang-ruang kosong yang tidak terisi molekul air dan diisi oleh udara, densitas air menurun. Itulah sebabnya batu yang dilempar ke air tenggelam, es batu padat dilempar ke air akan mengapung.

Danau pada suhu 0⁰ C masih berupa air, setelah titik beku tercapai baru berubah menjadi es. Namun hanya permukaan saja yang membeku, sementara air didalamnya belum karena suhu di udara yang dingin tidak bisa lagi menembus es. Sehingga di daerah 4 musim, organisme-organisme yang berada di perairan tidak mati meskipun terjadi penurunan suhu yang cukup ekstrim.

Pada suhu >4⁰ C air terdiri dari polimer rendah tetapi pemuaian lebih dominan daripada penyusutan sebagai akibat pembentukan polimer rendah ini. Jadi densitas air menurun. Begitu juga dengan pada suhu <4⁰ C densitas air juga menurun (<1). Pada suhu 4⁰ C terjadi kesetimbangan penyusutan dan pemuaian. Volume air dengan massa yang konstan minim, atau dengan kata lain densitas air maksimum pada suhu 4⁰ C, sebesar 1. Suhu yang lebih rendah membuat air jadi lebih berat dan densitas lebih tinggi. Suhu yang lebih tinggi membuat air menjadi lebih ringan dan menurukan densitas. Kegunaan di perairan adalah menyebabkan upwelling. Saat udara dingin menyentuh permukaan air, air yang dibawahnya tetap hangat. Air yang lebih berat akan turun kebawah dan air yang lebih ringan akan naik. Proses yang berlanjut ini akan menyebabkan upwelling. Upwelling biasanya terjadi di 4 musim: saat semi es mencair, angin datang, lalu terjadi pengadukan air. Saat gugur pun terjadi proses upwelling. 2. Adhesi dan kohesi

Adhesi adalah gaya tarik menarik antara molekul zat yang tidak sejenis. Kohesi adalah gaya tarik menarik antara molekul zat yang sejenis. Air bisa merambat naik karena adanya tarik-menarik air dengan dindingnya (adhesi) dan tarik-menarik antara air dengan air atau dinding dengan dinding (kohesi). Pengaruhnya menyebabkan miniskus cembung dan miniskus cekung, kapilaritas, dan tidak berlakunya hukum bejana berhubungan.

Saat miniskus cekung, adhesi lebih besar dari kohesi. Contohnya ikatan air dengan tabung > ikatan molekul air itu sendiri. Miniskus cembung (contohnya raksa), kohesi > adhesi. Ikatan antar molekul raksa > ikatan molekul raksa dengan air. Oleh karena itu termometer yang dipakai saat ini adalah termometer Hg, bukan air. Jika menggunakan termometer air, akan ada air yang tersisa dalam gelas jika air dijadikan termometer. Saat suhu naik air ikut naik, sementara saat suhu turun, ada air yang masih tersisa, akibat adhesi > kohesi tadi. Sementara pada raksa saat suhu naik air ikut naik dan saat suhu turun semua molekul raksa ikut turun akibat gaya tarik menarik antar molekul raksa > dari gaya tarik menarik raksa dengan dindingnya.


Kapilaritas ialah melekatnya zat cair melalui zat sempit. Semakin kecil lubangnya, air yang masuk semakin tinggi. Akibatnya pada air tidak berlaku hukum bejana berhubungan


3. Tegangan Permukaan Air

Kohesi di air meningkat seiring dengan penurunan suhu. Kohesi mempengaruhi tegangan permukaan air dan viskositasnya. Pada tegangan permukaan air, molekul zat cair akan saling tarik menarik secara seimbang diantara sesamanya dengan gaya berbanding lurus dengan massa (m) dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak (r) antara pusat massa.

F= m1 x m2 / r2
Dimana :
F = Gaya tarik menarik
m1 x m2 = Massa molekul 1 dan 2
r = jarak antar pusat massa molekul

Jika zat cair bersentuhan dengan udara atau zat lainnya, gaya tarik menarik antara molekul tidak seimbang lagi dan menyebabkan molekul-molekul pada permukaan zat cair melakukan kerja untuk tetap membentuk permukaan zat cair. Kerja ini disebut sebagai tegangan permukaan (σ). σ hanya bekerja pada bidang permukaan dan besarnya sama di semua titik. Pada tegangan permukaan, batas antara air dan udara cukup kuat untuk menyangga benda-benda kecil. Akibat adanya kohesi antar molekul air, benda tertentu tidak bisa menembus permukaan air / memecah air. Contohnya kapal yang tidak tenggelam. Kapal mampu memecah tegangan permukaan air jika dasarnya berbentuk persegi, bukan lonjong di bagian permukaan seperti bentuk dasar kapal pada umumnya.


4. Viskositas

Viskositas merupakan gaya gesekan antara molekul fluida (cair dan gas). Dapat juga diartikan sebagai besarnya daya yang diperlukan untuk memisahkan molekul-molekul zat cair agar dapat dilewati. Pada zat cair, viskositas disebabkan adanya gaya kohesi. Sementara pada zat gas, disebabkan oleh tumbukan antar molekul. Di air laut saat suhu tinggi dan salinitas tinggi, maka viskositasnya pun meningkat.
Kekentalan air yang rendah penting untuk semua makhluk hidup. Berpengaruh terhadap kecepatan tenggelam benda dan gerakan hewan di dalam air. Jika terlalu kental, apapun akan mengapung diatasnya, sehingga membutuhkan gaya yang besar untuk bergerak.


5. Densitas (Kerapatan)

Kerapatan (berat jenis) ditentakan oleh suhu, salinitas, dan tekanan. Maksimum pada suhu 4⁰ C. Garam memiliki suhu yang rendah, dan air penyangga naik turunnya suhu (karena memiliki kalor laten peleburan tertinggi). Air lebih lambat menerima dan melepaskan panas. Sehingga pada siang hari, saat terjadi angin laut, saat daratan menerima panas matahari, energi tersebut lama untuk diterima dan dilepaskan, sehingga densitas / kerapatan air laut pada siang hari menurun. Sebaliknya, saat terjadi angin darat, densitas laut meningkat.

Air memiliki proses penguapan tertinggi diantara cairan yang lain, kisaran suhu air lebih kecil dari udara sehingga dapat melunakkan iklim. Karenanya air merupakan bahan pendingin yang baik karena dapat menyerap sejumlah besar panas, titik didih air tinggi, 100 σ C, sehingga air di permukaan bumi berbentuk cair bukan gas.
Kapasitas pelarutnya tinggi (contoh: gula larut dalam air) yang disebabkan oleh polarisasi molekul air dan ikatan hidrogen(Contoh: NaCl dalam air tereduksi menjadi Na+ dan Cl- karena interaksi antara ion-ion garam dan molekul air maka garam dapat bertahan dalam lautan. Sebagian molekul air mengalami disosiasi menjadi H+ dan OH-.

Bacaan:
Etnize. 2009. Definisi Air.. http://etnize.wordpress.com/2009/07/01/definisi-air/. Diakses pada 3 November 2011 pukul 19.40 WIB