Senyawa Silikon (tingkah Laku) Dalam Sistem Perairan (Laut)

 Silikon (Latin: silicium) adalah merupakan unsur kimia dalam jadwal berkala yang mempunyai simbol Si dan nomor atom 14. Silikon adalah sejenis metaloid tetravalen yang kurang reaktif dibandingkan dengan analog kimianya, karbon. Ia merupakan unsur kedua paling berlimpah di dalam kerak Bumi, yaitu mencapai hampir 25.7%. Silikon di dalam tanah liat, feldspar, granit, kuartza dan pasir, kebanyakannya dalam bentuk silikon dioksida (juga dikenali sebagai silika) dan dalam bentuk silikat, Silikon adalah merupakan bagian utama di dalam kebanyakan peranti semikonduktor, dan sekiranya dalam bentuk silika dan silikat, dalam kaca, semen, keramik. Ia juga merupakan bagian dalam silikon, nama yang diberikan kepada berbagai jenis bahan plastik yang sering disebut sebagai silikon.
Silikon digunakan secara meluas dalam semikonduktor karena ia mempunyai arus bocoran balikan yang lebih rendah daripada semikonduktor germanium, dan juga karena oksida aslinya mudah dihasilkan di dalam relau dan membentuk antara muka semikonduktor/dielektrik yang lebih baik berbanding dengan hampir semua jenis gabungan bahan.

Sifat-sifat utama silikon

Dalam bentuk aslinya, silikon berwarna kelabu gelap dengan kilauan logam. Walaupun ia secara bandingannya agak lemah, silikon masih dapat bertindak balas dengan halogen dan alkali cair, tetapi kebanyakan asid (kecuali gabungan asid nitrik dan asid hidrofluorik) tidak mempengaruhinya. Keunsuran Silikon menghantar hampir 95% panjang gelombang cahaya inframerah. Silikon murni mempunyai suhu yang negatif, karena bilangan cas bebas meningkat dengan suhu.

Penggunaan silikon.

Penggunaan Silikon adalah merupakan unsur yang sangat berguna dan juga adalah amat penting dalam bidang perusahaan. Selain itu silikon juga berguna dalam :

• Bahan bangunan : Silikon dioksida atau silika dalam bentuk pasir dan tanah liat adalah merupakan ramuan penting dalam konkrit dan batu-bata dan juga dalam penghasilan semen Portland.

• Tembikar/Enamel - Ia adalah sejenis bahan refraktori yang digunakan dalam pembuatan bahan bersuhu tinggi dan silikatnya digunakan dalam penghasilan enamel dan tembikar.

• Kaca - Silika daripada pasir adalah merupakan bagian utama dalam kaca. Kaca bisa dihasilkan menjadi beraneka jenis bentuk yang menarik dan berbagai jenis sifat fisika. Silika digunakan sebagai bahan asas dalam pembuatan kaca tingkap, bekas, penebat, dan barang-baranga berguna yang lain.

• Pelelas - Silikon karbida adalah antara bahan las yang terpenting.

Selain itu silikon juga merupakan bahan dalam pembuatan obat-obatan dan juga pembuatan kulit buatan

Siilikon di perairan laut

Silikon (Si) merupakan salah satu unsur yang terdapat ada kerak bumi secara berlimpah. Di alam silikon tidak ditemukan dalam bentuk elemen bebas, melainkan berikatan dengan oksigen dan elemen lain. Silikon banyak ditemukan dalam bentuk silika (SiO2).Silika bersifat tidak larut dalam air maupun asam dan biasanya berada dalam bentuk koloid. Unsur silikon termasuk kelompok metaloid. Silikat dalam perairan laut berasal dari pelapukan batuan kerak bumi (land derived material), Silika terdapat pada hampir semua batuan dan mudah mengalami pelapukan. Sumber alami silika adalah mineral kuarsa dan feldspar, selain bersumber dari aktivitas hidrotermal. Elemen silikat yang diendapkan dalam sedimen dalam jumlah yang cukup besar. Tabel 1. Menunjukkan kesetimbangan silikat  dalam perairan laut melalui mekanisme input dan output.

Tabel 1. Kesetimbangan biogeokimia silikat dalam perairan laut

Input (x 1014 gSiO2/tahun)		Output (x 1014 gSiO2/tahun)
Proses	Jumlah	Proses	Jumlah
1.       Masukan dari sungai 2.      Pelapukan 3.      Aktivitas hidrotermal	4,3 0,9 5,7	1.       Endapan mineral dan residu organisme dalam sedimen 2.      Adsorpsi oleh partikel tersuspensi sungai (river particulate mattert)	10,4 0,4
Total	10,9	Total	10,8

Batuan kerak bumi (earth crust basalt, granite, shale) mengandung silikat sebesar 23,0 -28,2 x 10⁴ mg/kg, dan hasil pelapukannya ditranspor terutama melalui sistem sungai. kadar dalam sungai 0,5-0,6 mg/l (dengan rata-rata 13 mg/l) dan di perairan estuari sekitar 2,0 mg/l. Nutrien silikat (silikat biogenik) dibutuhkan untuk pembentukan cangkang fitoplankton, radiolarian, dan sponge. Selain itu, SIO₂ merupakan komponen utama penyusun mineral batuan dalam sedimen. Oleh karena itu, SiO₂ merupakan pengendali kesetimbangan komposisi kimia dalam laut. Diperkirakan transpor SiO₂ melalui sungai sebesar 4,3x10¹⁴ g/tahun, dan sebesar 83% digunakan untuk kebutuhan biologi.

Silikat dalam perairan laut bisa dalam bentuk terlarut dan partikel. Reaksi dari kelarutan dari SiO₂ adalah

            SiO_2(s) + 2H₂O → Si(OH)_4(aq)

Karena Si(OH)₄ adalah asam lemah sehingga dapat terionisasi dalam pelarut aqueous.

            Si(OH)₄ →H⁺ + Si(OH)₃O^-

            Si(OH)₃O^-  → H⁺ + Si(OH)₂O₂^2-

Dengan pK₁* = 9,47 dan pK₂* =12,60 untuk ionisasi dari Si(OH)₄ dalam 0,6 M NaCl pada 25⁰C. Sementara pH di laut adalah 8,1 ,nilai dari pK ini memberikan hasil

            [Si(OH)₄]/[Si ]_T  = {1+ K_HA/[H⁺]}^-1 = 95,9%

            [Si(OH)₃O^- ]/[Si ]_T  = {1+ [H⁺]/ K_HA}^-1 = 4,1%

Bentuk polimer dari Si(OH)₄ dan Si(OH)₃O^-  bukan pelarut yang penting dalam perairan laut. Hal ini disebabkan konsentrasi SiO₂ di perairan lebih rendah. Tetapi jika ion Mg⁺ atau Ca⁺ membentuk ikatan kompleks dengan  Si(OH)₄ dan Si(OH)₃O^-  , maka akan membentuk konsentrasi yang lebih tinggi.

Determinasi dari Silikat

            Determinasi silikat terlarut di laut membentuk kompleks kuning silicomolybdic. Kompleks molybdate lain dibentuk dengan arsenit dan fosfat. Bentuk yang beda ini dipisahkan atas penambahan asam oxalic. Kompleks silicomolybdate berkurang dengan  penambahan larutan  metal (p-methyaminophenol sulfate). Senyawa ini berwarna biru yang dapat dipisahkan secara spektrofotometrical pada 812nm. Senyawa ini secara umum dapat mengurangi kestabilan dan absorbansi dari kompleks biru molybdenum. Pengurangan ini dapat dilakukan dengan metal  (p-methyaminophenol sulfate)dan Na sulfite. Fosfat juga menghasilkan senyawa yang sama, tetapi bentuk tersebut dicegah dengan menggabungkan oxalic dan asam tartaric dalam sedikit reagen.          

Pada permukaan perairan umumnya ditemukan diatom dan radiolarian, yang mempunyai skeleton dari opal (yaitu bentuk noncristal dari senyawa hydrat SiO₂). Nilai dari SiO₂ bervariasi dari 0 sampai 200µM di perairan laut. SiO₂  merupakan bagian penting dari struktur padat diatom, radiolarian, dan sponges. Hingga 60% dari material anorganik   dalam tubuh diatom adalah SiO₂ . Ketika organisme ini mati, mereka tenggelam lalu membentuk diatom oozes. Diatom oozes ini umum ditemukan di lautan Antartika. Konsentrasi dari material terlarut ini bervariasi, pada rata-rata 50% bahan anorganik Si bisa jadi 15%-60% dalam bahan anorganik(sisanya kebanyakan CaCO_3­). Pada saat terjadinya blooming diatom konsentrasi  biogenik SiO₂ berkisar  100µg/l di permukaan Antartika.

 Aktivitas dari diatom juga mempengaruhi dalam penambahan SiO₂ ke kolom perairan. Tidak banyak yang mengetahui mekanisme pengambilan SiO₂ dan penambahannya sebagai hydrat silica. Protein  terlibat dalam proses absorpsi  silica yang terjadi pada membran cyctoplanic. Proses ini berlangsung cepat dan menyebar dari pusat. Sebanyak  50%  berat kering dari diatom berupa SiO₂ . Ketika diatom tumbuh dalam jumlah yang berlebih maka sel tubuhnya akan kekurangan Si . Dengan demikian sel dapat hidup dalam beberapa minggu. Mereka akan mengambil Si ketika malam. Jika sel yang kekurangan tersebut mendapatkan sinar maka mereka akan melakukan fotosintesis untuk beberapa periode lalu segera  mati. Silica pada diatom bersifat tidak larut ketika masih hidup tetapi menjadi cepat larut ketika diatom mati. Bahan organik atau anorganik yang mungkin melindungi kulit mereka ketika masih hidup. Perlakuan dari sel yang mati dengan EDTA menunjukkan terjadinya percepatan kelarutan. Produksi dari diatom penting tetapi interaksi dari mineral lainnya juga memiliki peranan yang penting.

Ketika laut tidak jenuh terhadap SiO₂ maka partikel silika  tenggelam dan  terlarut di laut dalam. Proses ini merupakan proses yang lambat sehingga SiO₂ terlarut tidak terlihat pada kedalaman 1000km. Nilai dari SiO₂ lebih tinggi dibandingkan dengan Atlantik karena perairannya lebih lama dan akumulasi dari SiO₂ lebih lama.

Distribusi dari SiO₂ terlarut

Silikat terlarut di daerah perairan pantai umumnya cukup tinggi karena efek “run-off” dari daratan, SiO₂ yang berasal dari daratan memasuki lautan melalui sungai yang dalam perjalanannya berkurang di estuari sebelum mencapai lautan. Konsentrasi dari SiO₂ bervariasi menurut musim, pada musim semi, ledakan populasi fitoplankton dengan cepat menyebabkan menurunnya konsentrasi silikon. Regenerasi silikon akan dimulai kembali pada musim panas saat pertumbuhan fitoplankton menjadi lambat dan terus berlanjut hingga mencapai puncaknya pada awal musim dingin. Pada beberapa daerah, ledakan populasi fitoplankton pada musim gugur dapat menyebabkan terhambatnya regenerasi silikon untuk sementara waktu. Konsentrasi silikon terlarut di permukaan laut umumnya rendah, kecuali di daerah yang mengalami up-welling. Pada lapisan yang lebih dalam, ditemukan peningkatan yang tajam dari konsentrasi silikon. Pola distribusi silikon berbeda dari satu samudera ke samudera lainnya dan ditentukan oleh pola sirkulasi air dan oleh suplai silikon terlarut dari Antartik dan dari diatom terlarut yang jatuh dari permukaan. Proses absorbsi oleh organisme juga berpengaruh terhadap pola distribusi silikon.

Selain itu, partikel SiO₂ lainnya hasil pelapukan  yang  dibawa oleh aliran sungai menumpuk di muara sebagai mineral liat. Konsentrasi dari mineral liat yang tersuspensi tersebut  dapat mempengaruhi  jenis organik dan anorganik dikarenakan pengaruh  absorpsi dan pertukaran ion.

H2O(g)
H+, K+, Cl-, H2O(l)
SiO2	Kaolinite	K-mica

Tabel  2. Model perubahan ion silicon

Gas

Liquid

solid

Reaksi pertukaran ion

1,5 Al₂Si₂O₃(OH)_4(s) + K⁺ → KAl₃Si₃O₁₀(OH)_2(s) + 1,5 H₂O + H⁺

Kaolinite                                 K-mica

Reaksi ini mampu mengontrol rasio H⁺ di lautan.

            Pada keadaan kesetimbangan memberikan reaksi (saat Cl dan suhu konstan)

            K = [H⁺]/ [K⁺]

            [K⁺] + [H⁺] = [Cl^-] + K_w /[H⁺]

            Rasio dari [H+]/ [K+] bersifat tetap, dengan demikian penambahan HCL dan KOH tidak  merubah nilain asal selama Cl dan suhu konstan. Ringkasnya pH dan konsentrasi ion utama di laut dikendalikan oleh reaksi mineral liat. Hasil dari penelitian menunjukkan K = 10^-6 sampai 10^-6,5 untuk reaksi, sementara rasio di laut 10^-6,2. Untuk kesetimbangan antara kaolinite dan montmolrillonite dalam lima komponen sistem dengan Na+, rasio dari H⁺/ Na⁺ hampir sama dengan rasio dilaut. Mineral liat (segar) terbentuk dalam satu atau dua hari kemudian membentuk fase baru dalam beberapa tahun, hal ini menunjukkan bahwa SiO₂ cepat larut di laut daripada yang dianggap sebelumnya.

1,5Al₂SI₂O₅(OH)_4(s) + Na⁺ ↔ NaAl₃Si₃(OH)_2(s)+ 1,5 H₂O + H⁺

Berdasarkan hubungan antara waktu tinggal dari elemen di laut dan pembagian elemen diantara bebatuan dan laut, maka digunakan koefisien pemisah atau K_Y.

            K_Y = Ῡ_C / Ῡ_A

Dimana Ῡ_A adalah tingkat dari transpor material dari batuan crustal dan Ῡ_C adalah tingkat transpor dari reservoir lautan. Nilai Ῡ_A telah dikoreksi untuk pengembalian hempasan laut . logaritma dari rata-rata waktu tinggal, memiliki fungsi yang  linier dengan logaritma dari koefisien pemisah;

            log_T = a log Ῡ_C + b

 (Tabel 2.) Nilai dari T_R = 1000 kali putaran per juta tahun adalah  perubahan pergerakan 

laut yang diasumsikan 2000 juta tahun lamanya dan dalam keadaan tetap.

            Koefisien pemisah (K_Y)  juga berhubungan dengan keelektonegatifan unsur, ditandai dengan Q_YO;

                        Log K_Y = a₁Q_YO + b

Dimana elektonegatifitas diketahui;

            Q_YO =(X_Y – Y_O)²

Dimana nilai dari Q_YO adalah ukuran dari kontribusi energi elektrostatis ikatan Y-O atau ukuran daya tarik sebuah unsur untuk mineral beroksid. 

  Pada umumnya kadar nutrien silikat terlarut dalam laut serta nitrogen dan fosfat berkurang dengan meningkatnya klorinitas atau salinitas.

 

    Gambar  2. Distribusi mineral liat di lautan

Dalam perairan laut laut SiO₂ terdapat dalam berbagai bentuk diantaranya:

a.      Terlarut H₄SiO₄ atau orto-silikat ± 20% dari total silikat;

b.      Kolodial (amorphous)- SiO₂nH₂O;

c.       Kompleks sebagai  “ Clay mineral ” atau mineral liat (± 70%) antara lain

Ø  Montmorillonite         : NaAl₈Si₁₂O₂₀(OH)₆

Ø  Illite                             : KAl₅Si₇O₂₀(OH)₄

Ø  Kaolinite                     : Al₂Si₂O₅(OH)4

Ø  Chlorie                        : Mg₅Al₂Si₃O₁₀(OH)₈

Ø  Sepiolite                      : Mg₂Si₃O₆(OH)₄

Ø  Sodium feldspar        : NaAlSi₃O₈

Ø  Potasium feldspar     : KAlSi₃O₈

Pembentukkan mineral liat dinyatakan dalam bentuk reaksi

            Silikat yang terdegradasi + H₄SiO₄ + HCO₃- + Kation → mineral liat + CO₂ + H₂O

Keterangan : Ca, Mg, Al, Na, K, dan Fe

Beberapa kation pembentuk mineral yang  penting adalah : Na, K, Mg, Ca, Al, Si, Fe, Mn, sr, Ba, Pb, Ti, Cl, F, P, dan C. Melalui proses geologi dalam sedimen laut mineral-mineral tersebut akan kembali membentuk batuan induk

d.      Mineral Si²⁺ terlarut  dengan reaksi kesetimbangan seperti yang dipaparkan sebelumnya

 Si²⁺ + H₂O ↔ SiO₂ + 4H⁺ + 4e

Peran utama SiO₂ dalam laut adalah:

1.       Sebagai faktor pembatas untuk diatom dan radiolarian (cangkang sel diatom atau frustule mengandung 20-60% silikat)

2.      Menentukan produktivitas perairan, pada temperatur air normal (±25⁰C) memiliki produktivitas yang tinggi;

3.      Berperan dalam kestimbangan kation

4.      Mempengaruhi pH perairan

Tabel 2. Memperlihatkan bahwa selain dalam kolom air, silikat juga terdapat dalam air jebakan (interestial water), yang berinteraksi dengan kation makro lainnya membentuk mineral liat.

Tabel 3. Kation makro dan silikat yang terdapat dalam air jebakan sedimen laut

Elemen Terlarut	Kadar dalam Perairan Laut (Salinitas 300/00)	Kandungan dalam Air Jebakan
Mg2+	1290 ppm	-
K+	380 ppm	+/-
Ca+	412 ppm	+/-
Na+	10772 ppm	-/0
SiO2	2 ppm	+
HCO3-	280 ppm	+
SO42-	905 ppm	-

 Keterangan :

            +      : Penambahan (increase)

-            : Pengurangan (decrease)

0           : Relatif stabil

Adanya dinamika presipitasi atau deposisi dan pembentukan mineral liat menyebabkan terjadinya penambahan atau pengurangan kation dalam sedimen. Beberapa reaksi diagenetik pembentukan mineral liat dalam sedimen lainnya terkait dengan silikat adalah

·         6 SiO₂(amorph) + 4 CaCO₃ + 4 Mg²⁺ + 7 H₂O → 2 Mg₂Si₃O₆(OH)₄(sepiolite) + 3H₂O + 4CO₂ + 4Ca²⁺

·         5 Mg2Si₃O₆(OH)₄ + 2 Al₂Si₂O₅(OH)₄(kaolinite) +20H₂O → 2Mg₅Al₂Si₃O₁₀(OH)₈(chlorite) + 13H₄SiO₄

·         2 NaAlSi₃O₈(sodium feldspar) +  H₂O  + 2 H⁺ → 4 SiO₂ + Al₂Si₂O₅(OH)₄ + 2 Na⁺

Metode Penentuan Konsentrasi Silikat Dalam Air Laut

                 Silikon dalam air laut bisa ada dalam bentuk suspensi (melayang-layang di dalam kolom air), partikel tanah liat atau pasir, sebagai komponen diatom dan lain-lain, atau dalam bentuk larutan. Sebagian silikon dalam larutan ada dalam bentuk silikat. Konsentrasi silikat biasanya diduga dengan metode kolorimetrik Diénert & Wandenbulcke, yang memanfaatkan warna kuning asam silikomolibdik yang terbentuk ketika amonium molibdat dan asam sulfur ditambahkan ke air. Warna ini kemudian dibandingkan dengan warna larutan standar asam pikrik atau kalium kromat. Metode tersebut sederhana tetapi warna dalam air laut sering samar dan tidak mudah disesuaikan secara penglihatan, juga intensitas warnanya berkorelasi kurang erat dengan konsentrasi silikat. Warna yang dihasilkan dalam air laut kurang kuat daripada dalam larutan standar yang dibuat dari air suling dan “kesalahan garam” ini harus diperhatikan.

Proses Non Biologis Penyingkiran Silikat Dari Air Laut

                    Penyingkiran non biologis terjadi cepat terhadap 10 sampai 20 % silikat reaktif dari larutan. Penyingkiran ini tergantung pada keberadaan partikel material anorganik dalam suspensi. Di Estuari, partikel material dalam suspensi tampaknya dihasilkan akibat pengadukan pasang surut terhadap endapan dasar estuari.  Hal ini membuktikan bahwa baik material tersuspensi maupun elektrolit air laut harus ada agar reaksi ini bisa terjadi. Sebagian besar silikat yang melekat tampaknya terikat lebih kuat pada fase padat.

Upwelling Sebagai Pengendali Aktivitas Biogeokimia Silikat

                  Masukan air tawar, upwelling, mineralisasi-kembali dan sedimentasi dipertimbangkan. Masukan silikat air tawar tidak penting selama musim upwelling. Upwelling merupakan proses utama pengendali aktivitas biogeokimia silikat di zona pesisir. Area mineralisasi-kembali silikat dalam kolom air dan area kelimpahan opal dalam sedimen permukaan adalah sama. Hal ini secara bersama-sama menentukan batas pengaruh upwelling di pesisir dan berbagai efek lokalnya. 

Hubungan Konsentrasi Silikat Dalam Air Laut Dengan Produktivitas Primer

                Konsentrasi klorofil-a menunjukkan hubungan langsung dengan produksi primer. Parameter-parameter hidrologis yang mencakup zat-zat hara dalam kolom air memperlihatkan fluktuasi musiman yang jelas. Zat-zat hara terutama fosfat dan silikat menunjukkan hubungan terbalik dengan produksi primer, sedangkan nitrat berkorelasi positif.

Dinamika Produktivitas Perairan Yeng Tercermin Dalam Perubahan Kelimpahan Organisme Bersilikat

                 Aliran air pada daerah yang menunjukkan pola bimodal (berpuncak-dua) musiman dengan puncak-puncak utama pada musim panas, kemudian menurun menjadi sedang sampai rendah pada musim gugur dan musim semi. Fraksi kalsium karbonat mendominasi ekspor partikel sepanjang tahun, diikuti oleh fraksi litogenik dan opal biogenik. Plankton foraminifera dan coccolithophoridae merupakan komponen utama fraksi karbonat, sedang diatom dengan jelas mendominasi fraksi opal biogenik. Komposisi isotop d15N dalam partikel berkorelasi positif dengan total massa aliran selama musim panas dan musim gugur, sedang korelasi negatif terjadi selama musim dingin dan musim semi. Perubahan musiman dalam hal intensitas proses-proses oseanografi utama yang mempengaruhi daerah Upwelling bisa diduga berdasarkan variasi komponen yang terbawa dalam aliran air, dan berdasarkan pola keragaman spesies individual atau kelompok spesies. Pengaruh upwelling Namaqua (Hondeklip), berdasarkan migrasi filamen korofil lepas pantai, adalah lebih kuat pada musim panas, sedang aliran maksimum pada musim dingin tampaknya mencerminkan produksi di daerah itu, sementara upwelling di pesisir dan di paparan benua memberikan pengaruh yang lebih kecil. Pada basis tahunan, jenis mikroorganisme dominan sangat bersesuaian dengan flora dan fauna perairan tropis/sub tropis, dengan organisme dekat-pantai memberikan sumbangan sedikit. Keberadaan spesies yang bersamaan dengan berbagai daya tarik ekologi membuktikan bahwa lokasi penelitian merupakan daerah peralihan dengan keragaman hidrografi yang besar selama jangka waktu yang singkat.