Dr.Atikah,MSi,Apt Jurusan Kimia FMIPA Universitas Brawijaya (UB) 2012

1. Lingkungan air Dr.Atikah,MSi,Apt Jurusan Kimia FMIPA Universitas Brawijaya (UB) 2012 Kimia Lingkungan Air-1

2. Referensi • From Green Chemistry and the Ten Commandments of Sustainability, Stanley E. Manahan, ChemChar Research, Inc., 2006 manahans@missouri.edu • Manahan, Stanley E. "ENVIRONMENTAL SCIENCE, TECHNOLOGY, AND CHEMISTRY"Environmental Chemistry, Boca Raton: CRC Press LLC, 2000 Kimia Lingkungan Air-1

3. pendahuluan • Air, dengan rumus kimia tampak sederhana H2O, merupakan substansi sangat penting dalam semua bagian dari lingkungan. • Air mencakup sekitar 70% keberadaanya di semua bidang lingkungan dari permukaan bumi, dengan lautan sebagai reservoir terbesar • Keberadaan air mulai dari : • air asin, air atas tanah sebagai air permukaan di danau dan sungai, • air bawah tanah sebagai air tanah, • di atmosfer sebagai uap air, • dalam ice caps kutub seperti es padat, dan. Kimia Lingkungan Air-1

4. PENDAHULUAN • Keberadaan air juga terdapat dalam banyak segmen anthrosphere seperti dalam boiler atau sistem distribusi air kota • Air merupakan bagian penting dari semua sistem kehidupan dan • Merupakan media dari mana kehidupan berevolusi dan di mana ada kehidupan Kimia Lingkungan Air-1

5. AIR • Air yang digunakan manusia harus cukup keberadaannya dan bersih • Oleh karena itu kita perlu mengukur kuantitas dan kualitas air dalam rangka untuk memahami di mana masalah air terjadi • Air dapat menjadi "terbarukan" jika penggunaan air < dibandingkan air yang dapat di Recharge(pengisisn kembali air) • Air dapat menjadi "terbarukan" jika Polusi air < dari Pembersihan air Kimia Lingkungan Air-1

6. H2O: RUMUS MOLEKUL SEDERHANA, MOLEKUL KOMPLEKS • Siku struktur molekul air (lihat slide berikutnya) • Molekul air • polar• Muatan Positif berakhir pada anion•Muatan Negatif berakhir pada kation • Molekul air membentuk ikatan hidrogen Kimia Lingkungan Air-1

7. Water Molecule Water’s properties can best be understood by considering the structure andbonding of the water molecule: The water molecule is made up of two hydrogen atoms bonded to an oxygen atom. The three atoms are not in a straight line; instead, as shown above, they form an angleof 105°. Because of water’s bent structure and the fact that the oxygen atom attractsthe negative electrons more strongly than do the hydrogen atoms, the water moleculebehaves like a dipole having opposite electrical charges at either end.

8. The Water Molecule The properties of water are due to the polar nature of the water molecule and its ability to form hydrogen bonds. Kimia Lingkungan Air-1

9. SIFAT PENTING AIR • Air memiliki sifat yang sangat penting karena perannya sebagai: • Pelarut, • media kehidupan, • perilaku lingkungan, dan penggunaan di industri, mengikuti dasar karakteristik molekul air: Kimia Lingkungan Air-1

10. Sifat Air sebagai Senyawa yang Unik • Sebagai media reaksi kimia, air sangat penting dalam kehidupan makhluk hidup • Sifat khusus air adalah: bersifat polar, cenderung membentuk ikatan hidrogen serta mampu menghidrasi ion-ion logam • Sifat air disajikan dalam Tabel 3.1 Kimia Lingkungan Air-1

12. MOLEKUL AIR Apabila garam NaCldilarutkan ke dalam air, maka akan dihasilkan ion positifNa+dan ion negatifCl-, ion ion positif Na+dikelilingi oleh molekul air , dimana gugus negatifnya berujung pada ion-ion positif dan anion klorida dikelilingi molekul air dengan gugus positifnya berujung pada ion-ion negatifseperti yang terlihap pada Gambar 3.4. This kind of attraction forions is the reason why water dissolves many ionic compounds and salts that do not dissolve in other liquids.

13. Polar water molecules

14. Ikatan Hidrogen Air Sifat kedua dari air adalah kemampuannya membentuk ikatan hidrogen

15. Ikatan Hidrogen dalam Molekul Air Ikatan Hidrogen air membantu agar molekul-molekul solut dan ion-ion berada dalam larutan Hal ini terjadi jika terjadi ikatan Hidrogen yang terbentuk antara molekul air dengan atom hidrogen,nitrogen, oksigen dalam molekul solut (see Figure 3.5). Ikatan Hidrogen juga membantu mengikat partikel-partikel kecil (partikel koloid) tetap dalam bentuk suspensi dalam air

16. Sifat Air Sebagai Pelarut yang Baik • Sebagai pelarut, molekul air merupakan media transpor dasar untuk nutrisi dan limbah yang dihasilkan dalam proses-proses kehidupan • Karena memiliki tetapan dielektrik yang tinggi maka air merupakan pelarut yang baik dan kebanyakan senyawa-senyawa ionik berdissosiasi dalam air menghasilkan ion-ion • Air juga memiliki kapasitas panas tertinggi diantara cairan atau padatan (l calx g-1 xdeg-1) Kimia Lingkungan Air-1

17. Sifat Air Sebagai Pelarut yang Baik • Karena tingginya kapasitas panas yang dimiliki air maka untuk mengubah temperatur massa air diperlukan panas cukup besar • Oleh karena itu badan air bersifat dapat menstabilkan efek temperatur pada daerah geografis berdekatan • Sifat kapasitas panas dari air mencegah perubahan besar temperatur secara tiba-tiba dalam badan air sehingga melindungi organisme akuatik akibat terjadinya schock tiba-tiba akibat perubahan temperatur air Kimia Lingkungan Air-1

18. Sifat Air Sebagai Pelarut yang Baik • Kenyataan sifat air ini menyababkan es mengapung, Yang beruntung konsekuensi dari fakta ini adalah bahwa es mengapung, bahkan tubuh besar beberapa molekul air dapat membeku. • Gambaran sirkulasi secara vertikal air danau merupakan faktor penentu senyawa kimia dan biologi yang berada di dalamnya yang sebagian besar dibentuk oleh keunikan hubungan densitas-temperatur molekul air Kimia Lingkungan Air-1

19. SIFAT PENTING AIR • Sebagai pelarut yang baik untuk garam, asam, basa, dan • Dengan zat yang memiliki atom H, O, dan N mampu membentuk ikatan hidrogen • Sebagai pelarut dalam cairan biologis, seperti darah atau urin • Sebagai media mineral dan transportasi mineral terlarut dalam geosfer yang mengangkut nutrisi ke akar tanaman dalam tanah • Banyak digunakan dalam industri • Air memiliki tegangan permukaan sangat tinggi • Cairan air seperti tetes hujan menunjukkan sifat fisk seperti penutup lapisan tipis membran • bebek mengapresiasi sifat air karena memungkinkan mereka mengambang diatas permukaan air Kimia Lingkungan Air-1

20. SIFAT PENTING AIR • Seekor bebek akan tenggelam dalam air yang ditambahkan deterjen telah untuk menurunkan tegangan permukaan, menyebabkan burung bernasib sangat menyedihkan • Air bersifat transparan terhadap cahaya sinar tampak dan UV yang memungkinkan terjadinya fotosintesis pada ganggang di bawah permukaan air • Air membeku pada 0oC dan memiliki kerapatan maksimum pada temperatur 4oC, sehingga menyebabkan badan air bertingkat dengan bagian lebih dingin, lapisan padat berada di bagian lebih bawah air Kimia Lingkungan Air-1

21. Sifat Panas Air yang Penting • High heat capacity of 4.184 joules per gram per ˚ C (J/g-˚C) • Very high heat of fusion of 334 joules per gram (J/g) • Very high heat of vaporization of water is 2,259 J/g, • water vapor carries latent heat Kimia Lingkungan Air-1

22. Karakteristik Panas Air yang Penting • Sifat fisik yang paling penting dari air yang sering diperdebatkan adalah perilaku dengan panas. • Air cair memiliki kapasitas panas dari 4,184 joules per gram per ˚ C (J / g ˚ C), • yang berarti bahwa 4,184 joule energi panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gramair cair sebesar 1 ˚ C. • Ini menunjukkan kapasitas panas yang sangat tinggi untuk menstabilkan suhu daerah di dekat badan air. • Kapasitas panas tinggi air adalah karena adanya fakta bahwa molekul air sangat terikat bersama oleh ikatan hidrogen Kimia Lingkungan Air-1

23. Karakteristik Panas Air yang Penting • Besarnya energi panas diperlukan untuk memecahkan ikatan hidrogen air sehingga molekul air dapat bergerak lebih cepat pada suhu tinggi • Air juga memiliki panas fusi sangat tinggi yakni 334 joule per gram (J / g). • Ini berarti diperlukan panas yang sangat tinggi untuk memecahkan bagian molekul air yang terikat secara ikatan hidrogen dalam molekul es dalam rangka mengubah es menjadi cairan air Kimia Lingkungan Air-1

24. Karakteristik Panas Air yang Penting • Es yang meleleh, asalkan baik es padat dan air cair berada bersama-sama, maka suhu tetap pada suhu leleh, yaitu suhu konstan pada 0 ˚C. • Panas ditambahkan ke sistem digunakan untuk memecah molekul terpisah dalam es padat, bukan untuk meningkatkan suhu. • Panas penguapan air adalah 2,259 J/g. • Artinya 2.259 joule energi panas yang dibutuhkan untuk menguapkan 1 gram air cair • Panas ini merupakan suhu penguapan tertinggi bagi kebanyakan cairan Kimia Lingkungan Air-1

25. Karakteristik Panas Air yang Penting • Panas penguapan ini memiliki pengaruh besar pada badan air dan pada cuaca. • Dengan menyerap panas begitu banyak, air berubah dari cair ke uap, • Air menstabilkan suhu atmosfer. • Namun, panas laten yang terkandung dalam uap airdilepaskan ketika uap mengembun, seperti apa yang terjadi saat hujan. • panas yang dilepas ini menghangatkan massa udara menyebabkan massa udara meningkat, yang merupakan kekuatan pendorong di belakang badai dan angin topan. Kimia Lingkungan Air-1

26. Karakteristik Panas Air yang Penting • Panas laten dalam bentuk uap air diuapkan darilautan di dekat khatulistiwa yang terbawa menjauh dari khatulistiwa dalam bentuk massa udara dan dilepaskan ketika uap air terkondensasi membentuk hujan. Kimia Lingkungan Air-1

27. PENGGUNAAN AIR • Air yang digunakan oleh manusia terutama adalah air permukaan dan air tanah • Meskupun sumber air berbeda beda satu sama lainnya secara nyata • Secara teoritis air yang dapat digunakan sekitar 4.6 x 1012liter per hari, atau hanya 23 sentimeterper tahun. • Pada saat ini air yang dapat digunakan di USA sekitar 1.6 x 1012liter per hari, atau 8 sentimeterdari rata-rata curah hujan tahunan . • Jumlah ini merupakan kenaikan 10 kali penggunaan dari 1.66 x 1011liter per hari pada pergantian abad. Kimia Lingkungan Air-1

28. Trend dalam penggunaan air di U.SA • Pendorong tren dalam penggunaan air di AS, merupakan hasil dari: • upaya konservasi air, terutama di industri dan pertanian • Daur ulang air, termasuk penggunaan melalui beberapa tingkatan membutuhkan kualitas air semakin rendah • Penggantian irigasi semprot dengan aplikasi langsung dari air untuk tanah termasuk irigasi • kontrol penggunaan air Kimia Lingkungan Air-1

29. 7.3. WATER DISTRIBUTION AND SUPPLY Kimia Lingkungan Air-1

30. conserve water Since about 1980, however, water use in the U.S. has shown an encouragingtrend with total consumption down by about 9% during a time in which population grew 16%, according to figures compiled by the U.S. Geological Survey. This trend,which is illustrated in Figure 3.2,

31. 4.4. Water Utilization (in U.S.) Kimia Lingkungan Air-1

32. conserve water It has been attributed to the success of efforts toconserve water, especially in the industrial (including power generation) andagricultural sectors. Conservation and recycling have accounted for much of thedecreased use in the industrial sector. Irrigation water has been used much moreefficiently by replacing spray irrigators, which lose large quantities of water to theaction of wind and to evaporation, with irrigation systems that apply water directly tosoil. Trickle irrigation systems that apply just the amount of water needed directly toplant roots are especially efficient

33. Distribution Problem of Water A major problem with water supply is its nonuniform distribution with locationand time. As shown in Figure 3.3, precipitation falls unevenly in the continental U.S. This causes difficulties because people in areas with low precipitation often consumemore water than people in regions with more rainfall. Rapid population growth in themore arid southwestern states of the U.S. during the last four decades has further aggravated the problem

34. Distribution Problem of Water .

35. THE CHARACTERISTICS OF BODIES OF WATER The physical condition of a body of water strongly influences the chemical andbiological processes that occur in water. Surface water occurs primarily in streams, lakes, and reservoirs. Wetlands are flooded areas in which the water is shallow enough to enable growth of bottom-rooted plants. Estuaries are arms of the oceaninto which streams flow. The mixing of fresh and salt water gives estuaries uniquechemical and biological properties. Estuaries are the breeding grounds of muchmarine life, which makes their preservation very important

36. THE CHARACTERISTICS OF BODIES OF WATER

37. THE CHARACTERISTICS OF BODIES OF WATER Water’s unique temperature-density relationship results in the formation of distinctlayers within nonflowing bodies of water, as shown in Figure 3.6. During the summera surface layer (epilimnion) is heated by solar radiation and, because of its lowerdensity, floats upon the bottom layer, or hypolimnion. This phenomenon is calledthermal stratification.

38. THE CHARACTERISTICS OF BODIES OF WATER When an appreciable temperature difference exists betweenthe two layers, they do not mix but behave independently and have very differentchemical and biological properties. The epilimnion, which is exposed to light, mayhave a heavy growth of algae. As a result of exposure to the atmosphere and (duringdaylight hours) because of the photosynthetic activity of algae, the epilimnioncontainsrelatively higher levels of dissolved oxygen and generally is aerobic. In thehypolimnion, bacterial action on biodegradable organic material may cause the waterto become anaerobic (lacking dissolved oxygen). As a consequence, chemical speciesin a relatively reduced form tend to predominate in the hypolimnion.

39. THE CHARACTERISTICS OF BODIES OF WATER The shear-plane, or layer between epilimnion and hypolimnion, is called thethermocline During the autumn, when the epilimnion cools, a point is reached atwhich the temperatures of the epilimnion and hypolimnion are equal. This disappearanceof thermal stratification causes the entire body of water to behave as a hydrologicalunit, and the resultant mixing is known as overturn. An overturn also generallyoccurs in the spring. During the overturn, the chemical and physical characteristics ofthe body of water become much more uniform, and a number of chemical, physical,and biological changes may result. Biological activity may increase from the mixing ofnutrients. Changes in water composition during overturn may cause disruption in water-treatment processes.

40. BADAN AIR DAN KEHIDUPAN DI AIR • Stratifikasi thermal badan air menunjukkan sifat sebagai berikut: • Pada lapisan bagian atas badan air (lapisan epilimnion) lebih hangat, kurang padat, kaya oksigendan lapisan lebih bawah (hypolimnion) , dingin lebih padat, dan miskin oksigen (Gambar 7.4) sangat mempengaruhi kimia dan biologi air • Lapisan Epiliminion sering mendukung tinggipertumbuhan alga secara fotosintetik • Lapisan epilimnion yang kaya oksigen umumnya mengandung konsentrasi tinggi spesies kimia teroksidasi, yang biasanya memiliki kandungan oksigen yang tinggi, misal: CO2 dan HCO3-untuk karbon, NO3 untuk nitrogen, dan SO42- untuksulfur Kimia Lingkungan Air-1

41. BADAN AIR DAN KEHIDUPAN DI AIR • Lapisan hypolimnion sering kekurangan O dan cenderung mengandung senyawa kimia cenderung tereduksi mengurangi isi species dengan kandungan oksigen rendah dan H tinggi, termasuk CH4, NH3 (atau NH4 +), dan H2S masing-masing untuk karbon, nitrogen, dan beleran • Di bawah kondisi reduksi lapisan hypolimnion, besi dapat hadir sebagai Fe larut, • sedangkan di hypolimnion itu ada apadatan Fe(OH)3 atau Fe2O3 Kimia Lingkungan Air-1

42. BADAN AIR DAN KEHIDUPAN DI AIR Kimia Lingkungan Air-1

43. Sources and Uses of Water: The Hydrologic Cycle The world’s water supply is found in the five parts of the hydrologic cycle(Figure 3.1). About 97% of Earth’s water is found in the oceans. Another fraction ispresent as water vapor in the atmosphere (clouds). Some water is contained in thesolid state as ice and snow in snowpacks, glaciers, and the polar ice caps. Surfacewater is found in lakes, streams, and reservoirs. Groundwater is located in aquifers underground.

44. Kimia Lingkungan Air-1

45. The Hydrologic Cycle: There is a strong connection between the hydrosphere, where water is found,and the lithosphere, which is that part of the geosphere accessible to water. Humanactivities affect both. For example, disturbance of land by conversion of grasslands orforests to agricultural land or intensification of agricultural production may reducevegetation cover, decreasing transpiration (loss of water vapor by plants) andaffecting the microclimate. The result is increased rain runoff, erosion, andaccumulation of silt in bodies of water. The nutrient cycles may be accelerated,leading to nutrient enrichment of surface waters. This, in turn, can profoundly affectthe chemical and biological characteristics of bodies of water.

46. Where Earth’s Water is Found • About 97% of Earth’s water is in oceans • Most of the remaining water is in the form of solid snow and ice • Less than 1% of Earth’s water as water vapor and clouds in the atmosphere, as surface water in lakes, streams, and reservoirs, and as groundwater in underground aquifers

47. 7.4. Bodies of Water and Life in Water Stratification of a Body of Water Strongly Affects Chemical and Biological Processes

48. Living Organisms inWater • Sebuah badan air normal akan menyediakan habitat bagi sejumlah besar organisme mulaidari bersel tunggal ganggang sampai ikan. • Sehingga badan air dapat dianggap sebagai sebuah ekosistem,biasanya didasarkan pada pasokan makanan yang terdiri dari biomassa yang dihasilkan secara photosynthetic oleh ganggang dan tanaman yang hidup di dalamnya: Kimia Lingkungan Air-1

49. Biologically Mediated Processes in Water • Specialized bacteria in water can utilize oxidized chemical species with high oxygen contents other than molecular O2 for oxygen sources. • Example: Nitrate ion, NO3-, acts as an oxidizing agent in the bacterially-mediated biodegradation of biomass: • C6H12O6 + 3NO3- + 6H+ 6CO2 + 3H2O + 3NH4+ (7.4.3) • By mediating chemical reactions, such as the one above, microorganisms, particularly bacteria, largely determine the chemistry that occurs in water. • Dissolved oxygen in water is very important. • Biodegradable organic pollutants cause biochemical oxygen demand, BOD.

50. 7.5. CHEMICAL PROCESSES IN WATER • Biochemical processes including photosynthesis • 2HCO3- (sunlight energy)  {CH2O} + O2 + CO32- (7.5.1) • • {CH2O} represents biomass • Acid-base reactions • CO32-+ H2O  HCO3- + OH- (7.5.2) • Precipitation reactions • Ca2+ + CO32- CaCO3(s)(7.5.3) • Oxidation-reduction reactions, usually carried out by bacteria are generally ones in which chemical species gain or lose oxygen • Example: Oxidation of S in H2S • H2S + 2O2SO42- + 2H+ (7.5.4)