19Pelapukan dan lempung

Huruf-huruf pada batu nisan tua memudar, tepi-tepi tajamnya membulat menjadi alur dangkal, lebih cepat pada batu marmer daripada pada batu sabak. Singkapan granit yang tampak sekeras apa pun di Bumi hancur di permukaannya menjadi pasir kasar, yang mengalir di sela jari sebagai butiran lepas kuarsa berkilau, feldspar kapur dan serpihan mika. Di bawah hutan tropis yang lembap, batuan padat mungkin terletak jauh di bawah, di bawah tanah merah yang masih mempertahankan garis-garis mineral batuan tetapi dapat dipotong dengan sekop. Ketiganya adalah hasil kerja air di permukaan Bumi. Bab ini menuliskan kerja itu sebagai kimia: mineral mana yang menyerah lebih dulu, apa yang mereka menjadi, mengapa sebagian unsur pergi bersama air dan yang lain tinggal, bagaimana iklim menentukan hasilnya, dan bagaimana pelapukan lambat batuan silikat menarik karbon dioksida keluar dari udara.

Yang sudah kamu ketahui

Pelapukan memecah batuan di tempat ia berada (Buku 1, kelas 5). Pelapukan kimia mengubah mineral; hidrolisis feldspar menghasilkan mineral lempung, kaolinit, dan mengirim kalium dan silika ke sungai; laterit adalah produk merah yang kaya besi dan aluminium dari iklim panas dan basah (Buku 2, kelas 10). Silikat diklasifikasikan menurut cara tetrahedra $\ce{SiO4}$ berbagi sudut, fillosilikat membentuk lembaran; feldspar adalah silikat kerangka natrium, kalium dan kalsium, mika silikat lembaran dengan kalium di antara lembaran (Definisi 7.3, Definisi 7.10). Radius ion bergantung pada muatannya dan koordinasinya (Bab 7). Mineral mengkristal dari magma yang mendingin dalam urutan deret reaksi Bowen, olivin pertama dan kuarsa terakhir (Buku 2, kelas 11). Asam melepaskan ion hidrogen; karbon dioksida yang larut dalam air membentuk asam karbonat; oksidasi adalah kehilangan elektron; persamaan yang seimbang menjaga setiap unsur dan muatan (buku-buku kimia). Tanah adalah lapisan hidup yang tersusun dalam horizon (buku-buku biologi).

19.1 Pelapukan fisik dan kimia

Batuan yang terbentuk di kedalaman, pada suhu dan tekanan tinggi dan tanpa air bebas atau oksigen, berada di luar kesetimbangan di permukaan. Ia menyesuaikan diri dengan dua cara, yang bekerja bersama.

Definisi 19.1 (Pelapukan fisik, pelapukan kimia)

Pelapukan fisik adalah pemecahan batuan di tempatnya menjadi fragmen-fragmen yang lebih kecil tanpa perubahan mineralnya. Pelapukan kimia adalah transformasi mineral suatu batuan di tempatnya oleh reaksi dengan air dan zat-zat yang dibawanya, terutama ion hidrogen, karbon dioksida terlarut dan oksigen: sebagian mineral larut, yang lain digantikan oleh mineral baru yang stabil di permukaan, dan sebagian batuan pergi dalam larutan.

Beku. Air pada $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ memiliki massa jenis $999.87\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$, es $916.72\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$: air memuai sebesar $9.1\,\%$ saat membeku. Gambaran lama pelapukan beku adalah air yang membeku dalam retakan tertutup dan memaksanya terbuka, lagi pada setiap pencairan dan pembekuan. Model retakan pada granit dan marmer, dibangun di atas mekanika rekahan dan apa yang diketahui tentang tanah beku, menempatkan bebannya di tempat lain: air ditarik melalui pori-pori menuju es yang sudah ada di dalam retakan, seperti halnya menuju lensa es dalam tanah beku, dan es tumbuh serta menyelipi retakan selama pembekuan berlangsung. Pembekuan yang bertahan paling efektif antara sekitar $-4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan $-15\,{}^{\circ}\mathrm{C}$: lebih dekat ke nol es tidak dapat membangun tekanan yang cukup, dan lebih dingin air tidak lagi dapat bergerak menuju es itu.

Pemanasan, pembebasan beban dan garam. Pemanasan dan pendinginan berulang melelahkan batuan yang mineral-mineralnya memuai dengan besar yang berbeda; granit yang dibawa ke permukaan oleh erosi, terlepas dari beban di atasnya, memuai dan pecah menjadi lembaran-lembaran sejajar permukaan; garam yang mengkristal dari air yang menguap, di gurun dan di pantai, mencongkel butiran-butiran terpisah.

Pelapukan fisik lebih dari sekadar memecah batuan: ia membukanya bagi air.

Proposisi 19.2 (Permukaan yang terbuka oleh fragmentasi)

Sebuah kubus bersisi $L$ yang dipotong menjadi kubus-kubus bersisi $L/n$ memiliki luas permukaan $n$ kali lebih besar. Lebih umum, massa $m$ butiran dengan massa jenis $\rho$, semuanya kubus bersisi $d$, memiliki luas permukaan $S = 6m/(\rho d)$: permukaan spesifik $S/m = 6/(\rho d)$ berbanding terbalik dengan ukuran butir.

Blok feldspar dengan massa jenis sekitar $2600\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ memiliki permukaan spesifik $0.23\,\mathrm{m}^{2}\,\mathrm{kg}^{-1}$ sebagai fragmen sentimeter, dan $2.3\,\mathrm{m}^{2}\,\mathrm{g}^{-1}$ sebagai butir mikrometer, sepuluh ribu kali lebih banyak. Reaksi kimia berlangsung di permukaan, sehingga batuan yang dihancurkan oleh beku atau terbuka sepanjang sambungannya melapuk secara kimia jauh lebih cepat daripada batuan yang sama yang masih utuh.

Reaksi-reaksi kimianya. Kalsit larut sepenuhnya dalam air yang membawa karbon dioksida, itulah sebabnya nisan marmer kehilangan hurufnya (Buku 2, kelas 10). Besi(II) dari silikat gelap teroksidasi menjadi besi(III), yang tetap sebagai oksida kuning-cokelat dan merah. Yang paling penting, karena silikat membentuk sebagian besar kerak, adalah hidrolisis. Ion hidrogen berasal dari karbon dioksida, yang larut dari udara dan dihembuskan oleh akar serta pengurai ke dalam tanah, dan dari asam organik tumbuhan yang membusuk: air permukaan dan air tanah yang tidak tercemar memiliki pH antara 5.5 dan 7, dan air lapisan organik beberapa tanah hutan bahkan serendah 3.5. Air, suhu, luas permukaan dan keasaman dengan demikian adalah empat pengendali pelapukan kimia, dan iklim hangat dan basah dengan tanah tebal menyediakan keempatnya.

19.2 Hidrolisis silikat

Definisi 19.3 (Hidrolisis silikat)

Hidrolisis suatu silikat adalah reaksinya dengan air dan ion hidrogen, di mana ion hidrogen menggantikan kation logam, yang masuk ke dalam larutan; sebagian atau seluruh silikon keluar sebagai asam silikat terlarut $\ce{H4SiO4}$, dan sisa mineral dibangun kembali menjadi padatan baru, mineral lempung atau hidroksida. Pelarutannya tidak kongruen: padatan yang tersisa tidak memiliki komposisi mineral yang diserang.

Aluminium adalah kunci untuk menuliskan reaksinya: pada pH tanah dan sungai ia hampir tidak larut, dan produk padat menyimpan seluruhnya. Semua yang lain mengikuti dari situ.

Metode 19.4 (Menyeimbangkan reaksi hidrolisis)

Diberikan mineral yang diserang dan produk padatnya:

1. Ambil satu satuan rumus produk, dan sebanyak mineral yang membawa jumlah atom aluminium yang sama.
2. Silikon mineral yang tidak digunakan oleh produk keluar sebagai $\ce{H4SiO4}$; kation logam yang tidak digunakan oleh produk keluar sebagai ion.
3. Seimbangkan muatan kation ini dengan ion hidrogen di ruas kiri.
4. Seimbangkan oksigen dengan air di ruas kiri.
5. Periksa hidrogen: ia harus seimbang dengan sendirinya. Jika tidak, ada rumus yang salah.
6. Jika persamaan bilangan bulat diinginkan, kalikan seluruhnya.

Proposisi 19.5 (Hidrolisis feldspar)

Dengan smektit beidelit $\ce{Na_{0.5}Al2(Si_{3.5}Al_{0.5})O10(OH)2}$ (air antarlapisan tidak disertakan), kaolinit $\ce{Al2Si2O5(OH)4}$ dan gibsit $\ce{Al(OH)3}$ sebagai produk,

$$\begin{align*} &\ce{5 NaAlSi3O8 + 4 H+ + 16 H2O -> 2 Na_{0.5}Al2(Si_{3.5}Al_{0.5})O10(OH)2 + 4 Na+ + 8 H4SiO4},\\ &\ce{2 NaAlSi3O8 + 2 H+ + 9 H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + 2 Na+ + 4 H4SiO4},\\ &\ce{NaAlSi3O8 + H+ + 7 H2O -> Al(OH)3 + Na+ + 3 H4SiO4},\\ &\ce{CaAl2Si2O8 + 2 H+ + H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + Ca^2+}. \end{align*}$$

Albit kehilangan $80\,\%$ natriumnya dan $8/15$ silikonnya ke dalam larutan pada reaksi pertama, seluruh natriumnya dan $2/3$ silikonnya pada reaksi kedua, seluruh keduanya pada reaksi ketiga. Anortit kehilangan seluruh kalsiumnya dan tidak ada silikonnya sama sekali.

Albit yang sama dengan demikian dapat menghasilkan tiga padatan yang berbeda, dan padatan mana yang terbentuk bergantung pada seberapa banyak air yang melewati batuan dan membawa produknya pergi: sedikit air, dan banyak silika serta sebagian kation tetap tinggal untuk membangun smektit; lebih banyak, dan hanya cukup silika untuk kaolinit yang tersisa; sangat banyak, dan silika keluar seluruhnya.

Definisi 19.6 (Bisiallitisasi, monosiallitisasi, alitisasi)

Derajat hidrolisis silikat dinamai menurut produknya. Bisiallitisasi membentuk mineral lempung 2:1, seperti smektit, dengan sekitar dua atom silikon per aluminium; sebagian kation tetap berada di dalamnya. Monosiallitisasi membentuk mineral lempung 1:1, kaolinit, dengan satu silikon per aluminium; semua kation alkali dan alkali-tanah keluar. Alitisasi menghilangkan silikon seluruhnya dan menyisakan aluminium hidroksida, gibsit.

Derajat yang tercapai terutama ditentukan oleh iklim, lewat curah hujan dan suhu, lalu oleh drainase profil. Di tempat air sedikit diperbarui, granit kehilangan banyak natrium dan kalsiumnya, kalium lebih lambat, dan hanya sebagian silikanya: feldsparnya berubah menjadi lempung 2:1, dan banyak kuarsa tersisa; batuan itu pecah menjadi pasir kuarsa, mika dan feldspar setengah lapuk yang bercampur dengan lempung. Di bawah hujan lebat di tropika lembap, lebih dari $2000\,\mathrm{mm}$ setahun, kation dan silika tercuci jauh lebih banyak, dan terbentuklah kaolinit, Si/Al = 1. Di tempat pencucian paling intens, bahkan silika kaolinit pun hilang, dan gibsit tersisa.

Mineral mana yang lebih dulu hilang. Pada 1938 Samuel Goldich, membandingkan profil yang lapuk dengan batuan induknya, mengusulkan deret mineral dari yang paling tidak stabil hingga paling stabil dalam pelapukan, dan mendapati bahwa deret itu mengikuti urutan mereka mengkristal dari magma: olivin dan plagioklas kaya kalsium lebih dulu, kuarsa terakhir. Mineral yang terbentuk pada suhu tertinggi paling jauh dari kesetimbangan di permukaan. Daftar modern, dari yang paling tidak tahan hingga paling tahan, berbunyi: pirit, kalsit, dolomit, olivin, plagioklas kaya kalsium, piroksen, plagioklas menengah, amfibol, biotit, feldspar kalium, muskovit, smektit, kuarsa, kaolinit, dan oksida gibsit serta hematit. Pengukuran laboratorium tentang laju pelarutan mengonfirmasi peringkat ini; ia tetap berupa peringkat, bukan hukum, karena laju tiap mineral juga bergantung pada air di sekitarnya. Produk akhir pelapukan, kaolinit, gibsit dan hematit, adalah yang paling tahan dari semuanya: mereka sudah stabil di permukaan.

Neraca massa profil pelapukan. Pelapukan mengeluarkan materi, sehingga konsentrasi yang diukur pada batuan lapuk tidak menunjukkan berapa banyak yang hilang: hilangnya unsur lain memekatkan unsur yang tinggal. Unsur yang tidak berpindah memberikan acuan.

Proposisi 19.7 (Neraca massa dengan unsur yang tidak bergerak)

Misalkan $i$ adalah unsur yang tidak dipindahkan oleh pelapukan, dengan fraksi massa $C_{i,p}$ pada batuan induk dan $C_{i,w}$ pada batuan lapuk. Maka massa $m_p$ batuan induk menjadi massa $m_w = m_p C_{i,p}/C_{i,w}$ batuan lapuk, dan fraksi unsur lain $j$ yang hilang adalah

$$f_j = 1 - \frac{C_{j,w}}{C_{j,p}}\,\frac{C_{i,p}}{C_{i,w}} .$$

Titanium dan zirkonium adalah pilihan yang biasa, dengan alasan yang diberikan oleh bagian berikutnya.

19.3 Unsur mana yang keluar: potensial ionik

Natrium, kalium dan kalsium keluar bersama air; aluminium, besi(III) dan titanium tinggal; silikon berada di antaranya. Perbedaannya terletak pada cara setiap ion berperilaku dalam air.

Definisi 19.8 (Potensial ionik)

Potensial ionik suatu ion adalah rasio $z/r$ antara bilangan muatannya $z$ dan jari-jari ioniknya $r$, di sini dalam ångström (untuk koordinasi yang sama bagi semua ion, yaitu enam, pada yang berikut).

Proposisi 19.9 (Tiga medan potensial ionik)

Dalam air pelapukan, ion dengan $z/r < 3$ tetap dalam larutan sebagai kation terhidrasi dan terbawa pergi (kation larut); ion dengan $3 < z/r < 10$ mengikat ion hidroksida dari air dan mengendap sebagai hidroksida atau oksida di tempat mereka dilepaskan (hidrolisat); ion dengan $z/r > 10$ mengikat oksigen begitu kuat sehingga mereka menolak ion hidrogen dan berpindah sebagai oksianion larut, seperti karbonat, sulfat, fosfat dan nitrat. Silikon, pada $z/r = 10$, berada pada batas, dan sebagian terlindi, makin banyak makin intens pelapukannya.

Aturan ini bersifat empiris, berasal dari Victor Moritz Goldschmidt pada 1930-an, dan batasnya kira-kira; kimia di baliknya, tarik-menarik antara kation dan oksigen molekul air di sekitarnya, termasuk dalam buku-buku kimia. Kation kecil yang bermuatan sangat tinggi menarik elektron molekul airnya begitu kuat sehingga mereka kehilangan ion hidrogen dan menjadi hidroksida: pada tingkat sedang, hidroksida mengendap; pada tingkat ekstrem, bahkan hidroksida pun kehilangan hidrogennya, menyisakan oksianion.

Diagram di bawah ini membaca pelapukan sebuah batuan sekilas pandang. Natrium ($z/r = 0.98$), kalium (0.72), kalsium (2.0) dan magnesium (2.8) keluar: mereka adalah kation air sungai dan air laut. Aluminium (5.6), besi(III) (4.7), titanium (6.6) dan zirkonium (5.6) tinggal, dan menumpuk pada profil yang paling lapuk; titanium dan zirkonium, yang selain itu berada dalam mineral yang hampir tidak lapuk, adalah acuan tak bergerak dalam Proposisi 19.7. Silikon (10.0) adalah unsur yang kehilangan sebagiannya menentukan derajat hidrolisis.

Oksidasi memindahkan ion melewati batas. Besi(II), dengan $z/r = 2.6$, adalah kation larut; besi(III), pada 4.7, adalah hidrolisat. Dalam tanah yang tergenang air tanpa oksigen, besi larut sebagai $\ce{Fe^2+}$ dan terbawa pergi, menyisakan tanah kelabu; di tempat air bertemu udara, di mata air atau di tanah yang berdrainase baik, besi teroksidasi dan langsung mengendap sebagai oksida merah dan cokelat. Mangan berperilaku dengan cara yang sama, $\ce{Mn^2+}$ (2.4) melawan $\ce{Mn^4+}$ (7.5).

19.4 Mineral lempung

Definisi 19.10 (Mineral lempung, kaolinit, illit, smektit, klorit)

Sebuah mineral lempung adalah filosilikat aluminium terhidrasi, biasanya berbutir beberapa mikrometer atau kurang, tersusun dari lapisan-lapisan yang menggabungkan lembaran tetrahedral (T) dari tetrahedra $\ce{SiO4}$ yang berbagi tiga sudut dan lembaran oktahedral (O) dari aluminium atau magnesium yang dikelilingi oksigen dan hidroksil. Pada kaolinit, $\ce{Al2Si2O5(OH)4}$, setiap lapisan adalah satu lembaran T dan satu lembaran O (lapisan 1:1 atau T–O), tanpa muatan, dan lapisan-lapisannya dipegang oleh ikatan hidrogen. Pada mineral lempung 2:1 atau T–O–T, lembaran O terletak di antara dua lembaran T yang mengarah kepadanya: illit adalah mineral lempung 2:1 yang tidak mengembang, dengan ion kalium di antara lapisan-lapisannya, seperti mika dengan kalium lebih sedikit; sebuah smektit adalah mineral lempung 2:1 dengan kation terhidrasi yang dapat dipertukarkan dan air di antara lapisan-lapisannya, yang dapat menyerap lebih banyak air dan mengembang; sebuah klorit adalah mineral 2:1 yang lapisan-lapisannya bermuatan negatif bergantian dengan lembaran oktahedral bermuatan positif bertipe brusit, $\ce{(Mg,Fe)(OH)2}$ dengan sedikit aluminium.

Muatan lapisan menentukan bagaimana lapisan-lapisan itu bertumpuk, dan muatan itu berasal dari substitusi dalam lembaran-lembaran (Definisi 7.5).

Proposisi 19.11 (Muatan lapisan 2:1)

Lapisan 2:1 dengan rumus $\mathrm{(Si_{4-x}Al_x)(Al_{2-y}Mg_y)O_{10}(OH)_2}$, dengan $x$ aluminium untuk silikon pada lembaran tetrahedralnya dan $y$ magnesium untuk aluminium pada lembaran oktahedralnya, membawa muatan $-(x + y)$ per satuan rumus.

Tanpa substitusi ($x = y = 0$) lapisan itu netral, seperti pada $\ce{Al2Si4O10(OH)2}$, mineral pirofilit, dan lapisan-lapisannya hanya dipegang oleh gaya yang lemah. Pada muskovit, $x = 1$, muatan $-1$ diseimbangkan oleh satu ion kalium yang mengunci lapisan-lapisannya bersama; illit mendekati itu, dengan sedikit lebih sedikit. Pada beidelit dari Proposisi 19.5, $x = 0.5$: muatan $-0.5$ diseimbangkan oleh $0.5$ natrium. Muatan yang lebih kecil memegang lapisan-lapisannya lebih longgar, dan di antaranya air serta kation terhidrasi dapat masuk: inilah sebabnya smektit, dengan muatan sekitar 0.3 hingga 0.5 per satuan rumus, seperti pada rumus montmorilonit dan beidelit, mengembang, sedangkan illit tidak. Kation antarlapisan pada smektit dapat dipertukarkan, dan kapasitas tukar kation dari mineral lempung yang umum mengikuti strukturnya: 3 hingga 15 miliekuivalen per $100\,\mathrm{g}$ untuk kaolinit, yang lapisannya tidak bermuatan, 10 hingga 40 untuk illit, 70 hingga 100 untuk montmorilonit, sebuah smektit. Kalium, yang mengunci lapisan-lapisan mika, mendukung illit; smektit terbentuk di tempat kalium langka dan kalsium serta magnesium tersedia.

mineral	lapisan	antarlapis	kering udara	glikol	dipanasi	KTK	lingkungan khas
kaolinit	T–O	tidak ada	$7\,\text{Å}$	$7\,\text{Å}$	hancur pada $550\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	3–15	feldspar yang tercuci oleh air asam; pelapukan tropis yang intens
illit	T–O–T	$\ce{K+}$	$10\,\text{Å}$	$10\,\text{Å}$	$10\,\text{Å}$	10–40	air alkalin yang kaya K; dari feldspar dan mika; lempung utama batulumpur
smektit	T–O–T	$\ce{Na+}$, $\ce{Ca^2+}$ terhidrasi	sekitar $14\,\text{Å}$	$17\,\text{Å}$	$10\,\text{Å}$ pada $400\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	70–100	batuan basa yang lapuk; tanah yang buruk drainasenya, K langka
klorit	T–O–T	lembaran bertipe brusit	$14\,\text{Å}$	$14\,\text{Å}$	$14\,\text{Å}$	–	batuan metamorf derajat rendah dan batuan beku yang terubah; batulumpur

Di laboratorium — Mengidentifikasi mineral lempung dengan difraksi sinar-X

Mineral lempung terlalu halus untuk dibedakan di bawah mikroskop optik. Di laboratorium, fraksi paling halus dari tanah atau batulumpur dipisahkan dengan membiarkan butiran yang lebih kasar mengendap dari air, dan setetes suspensi dikeringkan pada kaca objek, tempat serpihan-serpihannya tergeletak datar: preparat terorientasi. Sinar-X yang dipantulkan oleh lapisan-lapisan bertumpuk memberikan puncak kuat pada sudut-sudut yang ditentukan oleh jarak basal, menurut hukum difraksi Bragg (buku-buku fisika). Preparat dijalankan tiga atau empat kali: dikeringkan udara; setelah semalam dalam uap etilena glikol, yang masuk ke antarlapisan smektit dan memekarkannya menjadi $17\,\text{Å}$ sementara mineral lain tidak berubah; setelah dipanaskan hingga $400\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, yang mengeluarkan air dari smektit dan memampatkannya menjadi $10\,\text{Å}$; dan setelah dipanaskan hingga $550\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, yang menghancurkan kaolinit tetapi menyisakan illit dan klorit. Table 19.1 adalah kunci untuk membaca keempat jalan itu; campuran dan mineral berlapis-antar, yang sangat umum dalam tanah, memerlukan lebih banyak.

Laterit. Di tempat hidrolisis mencapai derajat terakhirnya untuk waktu yang lama, profil menebal dan puncaknya memekatkan segala yang tidak keluar.

Definisi 19.12 (Laterit)

Sebuah laterit adalah produk kaya besi dan aluminium dari hidrolisis yang intens dan berkepanjangan di bawah iklim panas dan basah: bahan merah hingga cokelat, lunak atau mengeras, tersusun dari kaolinit dan oksida serta hidroksida besi, dengan gibsit di tempat alitisasi tercapai, yang darinya hampir semua kation alkali dan alkali-tanah serta sebagian besar silika telah dihilangkan.

Laterit yang cukup kaya gibsit atau boehmit, hidroksida aluminium, adalah bauksit, bijih sembilan persepuluh aluminium: alitisasi adalah langkah yang menjadikannya bijih. Kebanyakan bauksit bersifat residual, batuan tempat semua selain alumina telah tercuci; sebagian besar yang tersusun dari gibsit terletak di daerah tropis, dan banyak di antaranya mungkin masih terbentuk.

Sejarah — Sebuah kata dari lapangan

Pada 1807 Francis Buchanan, yang berkeliling di Malabar, di India selatan, menggambarkan bahan yang penuh rongga dan kaya akan oker merah dan kuning dari besi, tersebar di atas granit dalam massa-massa besar. Ketika digali dari tanah, bahan itu begitu lunak sehingga dapat dipotong dengan pisau, dan penduduk membentuknya menjadi balok; di udara ia segera menjadi keras seperti bata, dan bertahan lebih baik daripada bata mana pun yang pernah ia lihat. Bahasa setempat menyebutnya batu bata; ia mengusulkan nama laterit, yang dipertahankan geologi untuk produk merah pelapukan tropis.

19.5 Pelapukan silikat dan karbon dioksida

Ion hidrogen dari hidrolisis sebagian besar berasal dari karbon dioksida, sehingga menuliskannya sebagai asam karbonat menunjukkan apa yang dilakukan pelapukan terhadap udara. Untuk kalsium silikat, ditulis $\ce{CaSiO3}$ demi kesederhanaan,

dan di laut, tempat organisme membangun cangkang kalsium karbonat,

Proposisi 19.13 (Pelapukan dan karbon dioksida)

(a) Pelapukan silikat mengonsumsi dua mol karbon dioksida, yang diubah menjadi bikarbonat, untuk setiap mol kalsium atau magnesium yang dilepaskan; ketika kalsium atau magnesium diendapkan sebagai karbonat, satu dari dua itu kembali ke udara, dan satu mol tersimpan sebagai batuan karbonat. (b) Pelapukan batuan karbonat dan pengendapan kembali karbonatnya tidak menyimpan apa pun.

Dengan feldspar, asam karbonat menggantikan ion hidrogen dari Proposisi 19.5: setiap $\ce{H+}$ yang dikonsumsi adalah satu $\ce{CO2}$ yang diubah menjadi $\ce{HCO3-}$. Anortit dari basal atau gabro dengan demikian mengonsumsi dua mol karbon dioksida per mol sambil berubah menjadi kaolinit,

dan menyimpan satu dalam jangka panjang. Natrium dan kalium tidak membentuk karbonat di dasar laut, dan penyimpanan jangka panjang dihitung dari kalsium dan magnesium yang dilepaskan.

Sungai membawa bikarbonat ke laut, dan kimia mereka mengukur fluksnya. Dari kimia sungai-sungai besar dunia, karbon dioksida yang dikonsumsi oleh pelapukan silikat benua diperkirakan sebesar $11.7 \times 10^{12}$ hingga $13.6 \times 10^{12}\,\mathrm{mol}$ setahun, sekitar 0.14 hingga 0.16 miliar ton karbon, dari jumlah itu pelapukan basal saja menyumbang 30 hingga $35\,\%$. Fluks ini kecil dibandingkan dengan pertukaran karbon antara udara, samudra dan makhluk hidup, tetapi ia tidak berbalik: selama jutaan tahun, ia adalah jalan utama bagi karbon dioksida yang dipasok oleh gunung api untuk keluar dari atmosfer. Karena pelapukan berlangsung lebih cepat ketika lebih hangat dan lebih basah, ia mengikat karbon dioksida udara dengan iklim, yang pada gilirannya bergantung pada karbon dioksida melalui efek rumah kaca: umpan balik negatif yang menstabilkan suhu Bumi sepanjang waktu geologi, dipelajari dalam volume Tahun ke-2.

19.6 Latihan

Latihan 19.1 ★

Dengan jari-jari $\ce{K+}$ $1.38\,\text{Å}$, $\ce{Fe^2+}$ $0.78\,\text{Å}$, $\ce{Fe^3+}$ $0.645\,\text{Å}$ dan $\ce{Ti^4+}$ $0.605\,\text{Å}$, hitunglah potensial ionik setiap ion dan sebutkan medannya. Mengapa tanah yang tergenang air kehilangan besinya sedangkan tanah yang berdrainase baik mempertahankannya?

Solusi

Solusi Latihan 19.1.

$\ce{K+}$: $1/1.38 = 0.72$; $\ce{Fe^2+}$: $2/0.78 = 2.56$; keduanya di bawah 3, kation larut. $\ce{Fe^3+}$: $3/0.645 = 4.65$; $\ce{Ti^4+}$: $4/0.605 = 6.61$; keduanya di antara 3 dan 10, hidrolisat. Di tanah yang tergenang air, tanpa oksigen, besi dilepaskan sebagai $\ce{Fe^2+}$, yang tetap dalam larutan dan terbawa oleh air; di tanah yang berdrainase baik, oksigen mengubahnya menjadi $\ce{Fe^3+}$, yang langsung mengendap sebagai oksida dan hidroksida dan tinggal.

Latihan 19.2 ★

Empat fraksi lempung disinar-X sebagai preparat terorientasi. A: puncak pada $14\,\text{Å}$, berpindah ke $17\,\text{Å}$ oleh etilena glikol dan ke $10\,\text{Å}$ oleh pemanasan hingga $400\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. B: puncak pada $7\,\text{Å}$, tidak berubah oleh glikol, hilang setelah pemanasan hingga $550\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. C: puncak pada $10\,\text{Å}$ yang tidak digerakkan oleh perlakuan apa pun. D: puncak pada $14\,\text{Å}$ yang tidak digerakkan oleh perlakuan apa pun. Identifikasi setiap mineral.

Solusi

Solusi Latihan 19.2.

A mengembang dengan glikol dan menyusut ketika dipanaskan: sebuah smektit. B berada pada $7\,\text{Å}$ dan hancur pada $550\,{}^{\circ}\mathrm{C}$: kaolinit. C, pada $10\,\text{Å}$ apa pun perlakuannya: illit. D, pada $14\,\text{Å}$ tanpa mengembang atau menyusut: klorit.

Latihan 19.3 ★

Seimbangkan, dengan Metode 19.4, hidrolisis ortoklas $\ce{KAlSi3O8}$ menjadi kaolinit. Berapa fraksi kaliumnya dan silikonnya yang keluar dalam larutan?

Solusi

Solusi Latihan 19.3.

Dua ortoklas memberikan 2 aluminium satu kaolinit; $6 - 2 = 4$ silikon keluar sebagai $\ce{H4SiO4}$; 2 $\ce{K+}$ keluar, diseimbangkan oleh 2 $\ce{H+}$; oksigen, $16 + w = 9 + 16$, memberi $w = 9$:

$$\ce{2 KAlSi3O8 + 2 H+ + 9 H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + 2 K+ + 4 H4SiO4}.$$

Hidrogen cocok: $2 + 18 = 20 = 4 + 16$. Seluruh kalium keluar, dan $4/6 = 2/3$ dari silikon.

Latihan 19.4 ★

(a) Berapa volume es yang dihasilkan oleh $10\,\mathrm{cm}^{3}$ air pada $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$? (b) Dalam kisaran suhu berapakah es yang tumbuh di dalam retakan paling efektif membelah batuan, dan mengapa beku yang lebih ringan maupun yang lebih keras tidak sebaik itu? (c) Sebuah kubus granit bersisi $1\,\mathrm{m}$ dibelah oleh beku menjadi kubus-kubus bersisi $1\,\mathrm{cm}$: dengan faktor berapakah luas permukaannya bertambah?

Solusi

Solusi Latihan 19.4.

(a) Massa tidak berubah: $10 \times 999.87/916.72 = 10.91\,\mathrm{cm}^{3}$. (b) Antara sekitar $-4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan $-15\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. Tepat di bawah nol es tidak dapat membangun tekanan yang cukup untuk membaji retakan; pada beku yang lebih keras air tidak lagi bergerak melalui pori-pori menuju es, dan es berhenti tumbuh. (c) Dengan Proposisi 19.2 dengan $n = 1\,\mathrm{m}/1\,\mathrm{cm} = 100$, luasnya dikalikan 100: dari $6\,\mathrm{m}^{2}$ menjadi $600\,\mathrm{m}^{2}$.

Latihan 19.5 ★★

Hitunglah permukaan spesifik butir feldspar dengan massa jenis $2600\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$, dianggap sebagai kubus, untuk ukuran $1\,\mathrm{cm}$, $1\,\mathrm{mm}$ dan $1\,\text{µ}\mathrm{m}$. Mengapa ukuran butir sangat berpengaruh terhadap laju pelapukan kimia, dan mengapa pelapukan fisik mempercepat pelapukan kimia?

Solusi

Solusi Latihan 19.5.

$S/m = 6/(\rho d)$: untuk $1\,\mathrm{cm}$, $6/(2600\times0.01) = 0.231\,\mathrm{m}^{2}\,\mathrm{kg}^{-1}$; untuk $1\,\mathrm{mm}$, $2.31\,\mathrm{m}^{2}\,\mathrm{kg}^{-1}$; untuk $1\,\text{µ}\mathrm{m}$, $2308\,\mathrm{m}^{2}\,\mathrm{kg}^{-1}$, atau $2.3\,\mathrm{m}^{2}\,\mathrm{g}^{-1}$. Reaksi kimia berlangsung di permukaan butir, sehingga lajunya per kilogram batuan tumbuh seiring permukaan spesifiknya, sepuluh ribu kali dari sentimeter ke mikrometer. Pelapukan fisik memotong batuan menjadi potongan yang makin kecil dan membuka retakan tempat air masuk: ia melipatgandakan permukaan tempat pelapukan kimia dapat bekerja.

Latihan 19.6 ★★

Satu ton albit $\ce{NaAlSi3O8}$ ($262.22\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$) diubah menjadi kaolinit ($258.16\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$). Hitunglah massa kaolinit yang terbentuk, massa silika yang diekspor, dihitung sebagai $\ce{SiO2}$ ($60.08\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$), dan massa natrium yang diekspor.

Solusi

Solusi Latihan 19.6.

Satu ton albit adalah $10^{6}/262.22 = 3813.6\,\mathrm{mol}$. Menurut Proposisi 19.5, dua mol memberi satu kaolinit: $1906.8\,\mathrm{mol} \times 258.16\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1} = 492.3\,\mathrm{kg}$. Dua dari tiga atom silikon keluar: $2\times3813.6 = 7627.2\,\mathrm{mol}$ dari $\ce{SiO2}$, $458.2\,\mathrm{kg}$. Seluruh natrium keluar: $3813.6\times22.99 = 87.7\,\mathrm{kg}$. Kurang dari setengah massa feldspar tersisa sebagai lempung.

Latihan 19.7 ★★

Sebuah granit mengandung, menurut massa, $0.30\,\%$ $\ce{TiO2}$, $3.5\,\%$ $\ce{Na2O}$, $72\,\%$ $\ce{SiO2}$ dan $14\,\%$ $\ce{Al2O3}$; saprolitnya mengandung $0.60\,\%$ $\ce{TiO2}$, $0.35\,\%$ $\ce{Na2O}$, $60\,\%$ $\ce{SiO2}$ dan $27\,\%$ $\ce{Al2O3}$. Dengan menganggap titanium tidak bergerak, carilah massa saprolit yang tersisa dari satu kilogram granit dan fraksi natrium, silikon dan aluminium yang hilang. Derajat hidrolisis mana yang sedang berlangsung?

Solusi

Solusi Latihan 19.7.

Dengan Proposisi 19.7, satu kilogram granit menyisakan $0.30/0.60 = 0.5\,\mathrm{kg}$ saprolit. Fraksi yang hilang: natrium $1 - (0.35/3.5)(0.5) = 0.95$; silikon $1 - (60/72)(0.5) = 0.583$; aluminium $1 - (27/14)(0.5) = 0.036$. Aluminium praktis tetap, natrium hampir seluruhnya hilang, dan hampir $60\,\%$ silikon juga, meskipun sebagian besar yang tersisa tertahan dalam kuarsa: feldsparnya sedang berubah menjadi kaolinit, monosiallitisasi.

Latihan 19.8 ★★

Dengan Proposisi 19.11, hitunglah muatan lapisan pirofilit $\ce{Al2Si4O10(OH)2}$, muskovit $\ce{KAl2(Si3Al)O10(OH)2}$ tanpa kaliumnya, lapisan beidelit $\ce{Al2(Si_{3.5}Al_{0.5})O10(OH)2}$ dan lapisan montmorilonit $\ce{(Al_{1.67}Mg_{0.33})Si4O10(OH)2}$. Yang manakah dari mereka dapat mengembang, dan mengapa?

Solusi

Solusi Latihan 19.8.

Pirofilit: $x = y = 0$, muatan 0. Lapisan muskovit: $x = 1$, muatan $-1$. Lapisan beidelit: $x = 0.5$, muatan $-0.5$. Lapisan montmorilonit: $y = 0.33$, muatan $-0.33$. Kedua lapisan smektit, beidelit dan montmorilonit, dapat mengembang: muatan kecil mereka diseimbangkan oleh sedikit kation antarlapisan, yang memegang lapisan-lapisannya longgar dan menarik air ketika terhidrasi. Pirofilit tidak memiliki kation antarlapisan untuk dihidrasi, dan muatan $-1$ muskovit diseimbangkan oleh ion kalium yang mengunci lapisan-lapisannya.

Latihan 19.9 ★★

Forsterit $\ce{Mg2SiO4}$ melapuk menurut $\ce{Mg2SiO4 + 4 CO2 + 4 H2O -> 2 Mg^2+ + 4 HCO3- + H4SiO4}$. (a) Periksa persamaannya. (b) Untuk satu ton forsterit, hitunglah karbon dioksida yang dikonsumsi dan karbon dioksida yang disimpan dalam jangka panjang menurut Proposisi 19.13. (c) Berapakah hasil perhitungan yang sama untuk satu ton kalsit?

Solusi

Solusi Latihan 19.9.

(a) Mg: 2 dan 2; Si: 1 dan 1; C: 4 dan 4; O: $4 + 8 + 4 = 16$ dan $12 + 4 = 16$; H: 8 dan $4 + 4 = 8$; muatan: 0 dan $4 - 4 = 0$. (b) Massa molar forsterit adalah $2\times24.305 + 28.085 + 4\times15.999 = 140.69\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$, sehingga satu ton adalah $7108\,\mathrm{mol}$. Ia mengonsumsi $4\times7108 = 28\,431\,\mathrm{mol}$ dari $\ce{CO2}$, $1251\,\mathrm{kg}$; dengan dua magnesium per satuan rumus, Proposisi 19.13 menyimpan $2\times7108$ mol, $626\,\mathrm{kg}$, setengah dari jumlah yang dikonsumsi. (c) Satu ton kalsit, $9991\,\mathrm{mol}$, mengonsumsi $9991\,\mathrm{mol}$ $\ce{CO2}$ ($440\,\mathrm{kg}$) saat melarut, dan mengembalikan semuanya ketika karbonat mengendap kembali: tidak ada yang tersimpan.

Latihan 19.10 ★★★

(a) Di antara jari-jari berapakah ion bermuatan 3 merupakan hidrolisat? (b) Boron, $\ce{B^3+}$, memiliki jari-jari $0.27\,\text{Å}$: dalam bentuk apakah ia bergerak dalam air? (c) $\ce{Mn^2+}$ memiliki jari-jari $0.83\,\text{Å}$, $\ce{Mn^4+}$ $0.53\,\text{Å}$. Jelaskan mengapa kerak hitam oksida mangan terbentuk di tempat air mata air, yang miskin oksigen, keluar ke udara. (d) Mengapa silikon tidak dapat sepenuhnya tercuci maupun sepenuhnya dipertahankan?

Solusi

Solusi Latihan 19.10.

(a) $3 < 3/r < 10$ memberi $0.3\,\text{Å} < r < 1.0\,\text{Å}$. (b) $3/0.27 = 11.1 > 10$: boron bergerak sebagai oksianion, borat. (c) $2/0.83 = 2.41$, kation larut; $4/0.53 = 7.55$, hidrolisat. Dalam air yang miskin oksigen mangan larut sebagai $\ce{Mn^2+}$; di tempat mata air bertemu udara, ia teroksidasi menjadi $\ce{Mn^4+}$, yang langsung mengendap sebagai oksida hitam pada batuan. (d) Potensial ioniknya, $4/0.40 = 10.0$, berada pada batas antara hidrolisat dan oksianion: silikon tidak ditahan seperti aluminium maupun dibawa pergi seperti sulfur, dan fraksi yang tercuci bergantung pada seberapa banyak air yang lewat, yang menjadi dasar tiga derajat hidrolisis.

Latihan 19.11 ★★★

Pelapukan silikat benua mengonsumsi $11.7 \times 10^{12}$ hingga $13.6 \times 10^{12}\,\mathrm{mol}$ karbon dioksida setahun, $4.08 \times 10^{12}\,\mathrm{mol}$ darinya berasal dari basal. (a) Ubahlah rentang itu menjadi ton karbon dan ton karbon dioksida setahun. (b) Berapa bagian yang diambil basal? (c) Jika semua ini berasal dari silikat kalsium dan magnesium, berapa banyak karbon yang akan tersimpan dalam jangka panjang setiap tahun? Mengapa angka jangka panjang yang nyata lebih kecil?

Solusi

Solusi Latihan 19.11.

(a) Dengan $12.011\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$ karbon, $11.7 \times 10^{12}$ hingga $13.6 \times 10^{12}\,\mathrm{mol}$ adalah 0.141 hingga 0.163 miliar ton karbon setahun; dengan $44.009\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$, 0.515 hingga 0.599 miliar ton karbon dioksida. (b) $4.08/13.6 = 30\,\%$ hingga $4.08/11.7 = 35\,\%$. (c) Setengah karbon dioksida yang dikonsumsi tersimpan ketika kalsium dan magnesium mengendap sebagai karbonat: 0.070 hingga 0.082 miliar ton karbon setahun. Angka nyatanya lebih kecil, karena sebagian bikarbonat pergi bersama natrium dan kalium, yang tidak membentuk karbonat di dasar laut.

Latihan 19.12 ★★★

Tiga fraksi lempung, yang telah dibebaskan dari kuarsa dan oksida besi, dianalisis (persen massa): A, $\ce{SiO2}$ $46.55$ dan $\ce{Al2O3}$ $39.50$; B, $\ce{SiO2}$ 60 dan $\ce{Al2O3}$ 25; C, $\ce{SiO2}$ 2 dan $\ce{Al2O3}$ 63 ($\ce{SiO2}$ $60.08\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$, $\ce{Al2O3}$ $101.96\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$). Hitunglah rasio molar Si/Al masing-masing, sebutkan derajat hidrolisis yang dicatatnya, dan letakkan ketiga tanah itu pada satu garis dari pencucian paling sedikit hingga paling intens.

Solusi

Solusi Latihan 19.12.

Si/Al $= (w_{\ce{SiO2}}/60.08)/(2w_{\ce{Al2O3}}/101.96)$. A: $0.7748/0.7748 = 1.00$, rasio kaolinit, monosiallitisasi. B: $0.9987/0.4904 = 2.04$, sebuah mineral lempung 2:1, bisiallitisasi. C: $0.0333/1.2358 = 0.027$, hampir tidak ada silikon yang tersisa, gibsit, alitisasi. Dari pencucian paling sedikit hingga paling intens, yaitu menuju iklim yang paling panas dan paling basah: B, A, C.

19.7 Masalah: dari granit ke lempung

Soal 19.1

Soal akhir pekan — feldspar granit dan gabro, dari reaksi yang seimbang hingga karbon dioksida yang dibawa sungai

Kedua feldspar itu adalah albit $\ce{NaAlSi3O8}$ ($262.22\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$, massa jenis $2.62\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$) dan anortit $\ce{CaAl2Si2O8}$ ($278.20\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$, massa jenis $2.75\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$). Kaolinit $\ce{Al2Si2O5(OH)4}$ memiliki massa molar $258.16\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$ dan massa jenis $2.6\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}$; gibsit $\ce{Al(OH)3}$, $78.00\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$. Gunakan $\ce{SiO2}$ $60.08\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$, $\ce{CO2}$ $44.01\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$, $\ce{HCO3-}$ $61.02\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$, Na $22.99$ dan Ca $40.08\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}$.

Bagian I — Reaksinya.

1. Seimbangkan hidrolisis albit menjadi kaolinit.
2. Seimbangkan hidrolisis anortit menjadi kaolinit. Apa yang istimewa darinya?
3. Seimbangkan hidrolisis anortit menjadi gibsit.
4. Seimbangkan hidrolisis albit menjadi beidelit $\ce{Na_{0.5}Al2(Si_{3.5}Al_{0.5})O10(OH)2}$, dan periksa hidrogennya.
5. Tuliskan ulang dua reaksi pertama dengan asam karbonat sebagai sumber ion hidrogen: $\ce{CO2 + H2O -> H+ + HCO3-}$.
6. Manakah dari reaksi-reaksi ini yang merupakan bisiallitisasi, monosiallitisasi dan alitisasi?

Bagian II — Apa yang tinggal, apa yang keluar.

7. Berapa mol yang ada dalam satu ton albit, dan dalam satu ton anortit?
8. Hitunglah massa kaolinit yang terbentuk dari satu ton masing-masing.
9. Hitunglah massa silika (sebagai $\ce{SiO2}$), natrium dan kalsium yang diekspor dalam larutan.
10. Hitunglah volume satu ton masing-masing feldspar dan kaolinit yang dihasilkannya. Berapa fraksi volume padatan menyusut?
11. Saprolit mempertahankan bentuk batuan yang digantikannya. Apa yang mengisi ruang yang tersisa dalam granit lapuk yang kaya albit? Mengapa gabro lapuk yang kaya anortit tetap lebih padat?
12. Dengan diagram potensial ionik, jelaskan unsur-unsur dari kedua feldspar mana yang keluar dan mana yang tinggal.

Bagian III — Karbon dioksida.

13. Berapa mol, dan berapa kilogram, karbon dioksida yang dikonsumsi ketika satu ton albit berubah menjadi kaolinit?
14. Pertanyaan yang sama untuk satu ton anortit.
15. Berapa massa bikarbonat yang diekspor oleh anortit?
16. Apa yang terjadi pada bikarbonat ini di laut? Berapa banyak karbon dioksida yang dikonsumsi kembali ke udara?
17. Mengapa tidak ada penyimpanan jangka panjang yang dihitung untuk natrium dari albit?
18. Bandingkan dengan pelarutan satu ton kalsit yang diikuti oleh pengendapannya.

Bagian IV — Sebuah sungai.

19. Sebuah sungai mengalirkan $50\,000\,\mathrm{km}^{2}$ granit dan gneis, dengan debit rata-rata $200\,\mathrm{m}^{3}\,\mathrm{s}^{-1}$; bikarbonat yang dibawanya dari pelapukan silikat adalah $0.3\,\mathrm{mmol}\,\mathrm{L}^{-1}$. Hitunglah fluks tahunan bikarbonat ini, dalam mol, dan per kilometer persegi.
20. Nyatakan itu sebagai mol anortit yang pelapukannya menjadi kaolinit akan memasoknya, lalu sebagai ton anortit setahun dan per kilometer persegi.
21. Jika batuan mengandung setara $20\,\%$ anortit dan memiliki massa jenis $2700\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$, dengan laju berapa, dalam meter per juta tahun, batuan segar itu sedang terkikis?
22. Berapa banyak karbon dioksida yang dikeluarkan sungai ini dari udara untuk selamanya setiap tahun?
23. Mengapa laju pada soal 21 merupakan batas bawah bagi penurunan permukaan daratan?
24. Dalam kilogram, dengan tiga angka penting, berapa banyak karbon dioksida yang ditarik untuk selamanya oleh pelapukan satu ton anortit?

Solusi

Solusi Soal 19.1.

1. $\ce{2 NaAlSi3O8 + 2 H+ + 9 H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + 2 Na+ + 4 H4SiO4}$.

2. $\ce{CaAl2Si2O8 + 2 H+ + H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + Ca^2+}$. Tidak ada silikon yang keluar: anortit sudah memiliki satu silikon per aluminium seperti kaolinit.

3. Satu gibsit mengambil satu aluminium, setengah anortit: dikalikan dua, $\ce{CaAl2Si2O8 + 2 H+ + 6 H2O -> 2 Al(OH)3 + Ca^2+ + 2 H4SiO4}$. Oksigen: $8 + 6 = 6 + 8$; hidrogen: $2 + 12 = 6 + 8$.

4. $\ce{5 NaAlSi3O8 + 4 H+ + 16 H2O -> 2 Na_{0.5}Al2(Si_{3.5}Al_{0.5})O10(OH)2 + 4 Na+ + 8 H4SiO4}$; hidrogen, $4 + 32 = 36$ di ruas kiri dan $2\times2 + 8\times4 = 36$ di ruas kanan, seimbang.

5. Setiap $\ce{H+}$ disertai satu $\ce{HCO3-}$ dari satu $\ce{CO2}$ dan satu $\ce{H2O}$: $\ce{2 NaAlSi3O8 + 2 CO2 + 11 H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + 2 Na+ + 2 HCO3- + 4 H4SiO4}$ dan $\ce{CaAl2Si2O8 + 2 CO2 + 3 H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + Ca^2+ + 2 HCO3-}$.

6. Albit menjadi beidelit adalah bisiallitisasi; albit dan anortit menjadi kaolinit adalah monosiallitisasi; anortit menjadi gibsit adalah alitisasi.

7. $10^{6}/262.22 = 3813.6\,\mathrm{mol}$ albit; $10^{6}/278.20 = 3594.5\,\mathrm{mol}$ anortit.

8. Albit: $3813.6/2 = 1906.8\,\mathrm{mol}$ kaolinit, $492.3\,\mathrm{kg}$. Anortit: $3594.5\,\mathrm{mol}$, $928.0\,\mathrm{kg}$.

9. Albit: $2\times3813.6 = 7627.2\,\mathrm{mol}$ dari $\ce{SiO2}$, $458.2\,\mathrm{kg}$, dan $3813.6\,\mathrm{mol}$ natrium, $87.7\,\mathrm{kg}$. Anortit: tidak ada silika, dan $3594.5\,\mathrm{mol}$ kalsium, $144.1\,\mathrm{kg}$.

10. Albit: $1/2.62 = 0.382\,\mathrm{m}^{3}$; kaolinitnya, $0.4923/2.6 = 0.189\,\mathrm{m}^{3}$: padatan kehilangan $50.4\,\%$ dari volumenya. Anortit: $1/2.75 = 0.364\,\mathrm{m}^{3}$; kaolinitnya, $0.9280/2.6 = 0.357\,\mathrm{m}^{3}$: hanya kehilangan $1.8\,\%$.

11. Ruang yang tersisa menjadi pori, terisi air dan udara: sebuah saprolit di atas granit yang kaya albit ringan, berpori dan rapuh, butir kuarsanya lepas dalam sedikit lempung. Anortit berubah menjadi kaolinit yang hampir sama volumenya dengannya, sehingga gabro lapuk mempertahankan sebagian besar materi padatnya.

12. Natrium ($z/r = 0.98$) dan kalsium (2.0) adalah kation larut dan keluar; aluminium (5.6) adalah hidrolisat dan tinggal seluruhnya dalam kaolinit; silikon (10.0), pada batas, keluar sebagian dari albit dan tidak sama sekali dari anortit, yang silikonnya dapat ditampung kaolinit.

13. Satu $\ce{CO2}$ per albit: $3813.6\,\mathrm{mol}$, $3813.6 \times 44.01 = 167.8\,\mathrm{kg}$.

14. Dua per anortit: $7189.0\,\mathrm{mol}$, $316.4\,\mathrm{kg}$.

15. $7189.0 \times 61.02 = 438.7\,\mathrm{kg}$ bikarbonat.

16. Organisme mengendapkannya sebagai kalsium karbonat, $\ce{Ca^2+ + 2 HCO3- -> CaCO3 + CO2 + H2O}$: untuk setiap kalsium, satu dari dua $\ce{CO2}$ kembali ke udara, $3594.5\,\mathrm{mol}$ atau $158.2\,\mathrm{kg}$, dan yang lain terkubur dalam karbonat.

17. Natrium tidak membentuk karbonat di dasar laut: bikarbonatnya tidak dapat tersimpan sebagai batuan karbonat, dan penyimpanan jangka panjang dihitung dari kalsium dan magnesium saja.

18. Satu ton kalsit mengonsumsi $9991\,\mathrm{mol}$ $\ce{CO2}$ ketika melarut dan mengembalikan semuanya ketika mengendap: tidak ada yang tersimpan, dan hanya pelapukan silikat kalsium dan magnesium yang menarik karbon dioksida turun untuk selamanya.

19. $200\,\mathrm{m}^{3}\,\mathrm{s}^{-1} \times 0.3\,\mathrm{mol}\,\mathrm{m}^{-3} = 60\,\mathrm{mol}\,\mathrm{s}^{-1}$; selama setahun $3.156 \times 10^{7}\,\mathrm{s}$, $1.893 \times 10^{9}\,\mathrm{mol}$, atau $1.893 \times 10^{9}/50\,000 = 37\,870\,\mathrm{mol}$ per kilometer persegi.

20. Dua bikarbonat per anortit: $9.467 \times 10^{8}\,\mathrm{mol}$ setahun, $9.467 \times 10^{8}\times278.20\,\mathrm{g} = 263\,400\,\mathrm{t}$ setahun, atau $5.27\,\mathrm{t}$ per kilometer persegi.

21. Batuan segar yang terkonsumsi adalah $5.27/0.20 = 26.3\,\mathrm{t}$, atau $26\,340/2700 = 9.75\,\mathrm{m}^{3}$, per kilometer persegi dan tahun: lapisan setebal $9.75\,\text{µ}\mathrm{m}$ setahun, $9.8\,\mathrm{m}$ per juta tahun.

22. Satu $\ce{CO2}$ tersimpan per kalsium: $9.467 \times 10^{8} \times 44.01 = 4.17 \times 10^{10}\,\mathrm{g}$, sekitar $41\,700\,\mathrm{t}$ setahun.

23. Ini hanya menghitung materi yang terbawa dalam larutan. Kaolinit dan kuarsa yang ditinggalkan oleh pelapukan juga dibawa pergi oleh erosi, sebagai lumpur dan pasir dalam sungai, dan tidak dihitung; begitu pula pelapukan mineral lain dari batuan itu. Dan jika sebagian bikarbonat berasal dari feldspar natrium atau kalium, yang memberi satu bikarbonat per satuan rumus alih-alih dua, lebih banyak batuan harus lapuk untuk memasoknya.

24. Menurut Proposisi 19.13, satu mol $\ce{CO2}$ tersimpan per mol anortit: $3594.5 \times 44.01\,\mathrm{g} = 158.19\,\mathrm{kg}$. Pelapukan satu ton anortit menarik turun untuk selamanya 158 kg karbon dioksida.