1. Struktur Kristal
Kristal merupakan susunan atom-atom yang teratur dalam ruang tiga dimensi. Keteraturan susunan tersebut terjadi karena kondisi geometris yang harus memenuhi adanya ikatan atom yang berarah dan susunan yang rapat. Walaupun tidak mudah untuk menyatakan bagaimana atom tersusun dalam padatan, namun ada hal-hal yang
diharapkan menjadi faktor penting yang menentukan terbentuknya polihedra koordinasi susunan atom-atom.
Secara ideal, susunan polihedra koordinasi paling stabil adalah yang memungkinkan
terjadinya energi per satuan volume yang minimum. Keadaan tersebut dicapai jika:
(1) kenetralan listrik terpenuhi,
(2) ikatan kovalen yang diskrit dan terarah terpenuhi,
(3) gaya tolak ion-ion menjadi minimal,
(4) susunan atom serapat mungkin.
Ø Kisi Ruang Bravais Dan Susunan Atom Pada Kristal
Kisi ruang (space lattice) adalah susunan titik-titik dalam ruang tiga dimensi dimana setiap titik memiliki lingkungan yang serupa. Titik dengan lingkungan yangserupa itu disebut simpul kisi (lattice points). Simpul kisi dapat disusun hanya dalam 14 susunan yang berbeda, yang disebut kisi-kisi Bravais.
Jika atom-atom dalam kristal membentuk susunan teratur yang berulang maka atom-atom dalam kristal haruslah tersusun dalam salah satu dari 14 bentuk kisi-kisi tersebut. Perlu dicatat bahwa setiap simpul kisi bisa ditempati oleh lebih dari satu atom, dan atom atau kelompok atom yang menempati tiap-tiap simpul kisi haruslah identik dan memiliki orientasi sama sesuai dengan pengertian simpul kisi.
Karena kristal yang sempurna merupakan susunan atom secara teratur dalam kisi ruang, maka susunan atom tersebut dapat dinyatakan secara lengkap dengan menyatakan posisi atom dalam suatu kesatuan yang berulang. Kesatuan yang berulang di dalam kisi ruang itu disebut sel unit (unit cell). Jika posisi atom dalam padatan dapat dinyatakan dalam sel unit ini, maka sel unit itu merupakan sel unit struktur kristal. Rusuk dari suatu sel unit dalam struktur kristal haruslah merupakan translasi kisi, yaitu vektor yang menghubungkan dua simpul kisi.
Ø Macam-macam Kristal
Sampai di sini, kristal telah diklasifikasikan berdasarkan cara penyusunan partikelnya. Kristal juga dapat diklasifikasikan dengan jenis partikel yang menyusunnya atau dengan interaksi yang menggabungkan partikelnya (Tabel 8.2).
Tabel 8.2 Berbagai jenis kristal
logam
|
ionik
|
molekular
|
kovalen
| ||||
Li
|
38
|
LiF
|
246,7
|
Ar
|
1,56
|
C(intan)
|
170
|
Ca
|
42
|
NaCl
|
186,2
|
Xe
|
3,02
|
Si
|
105
|
Al
|
77
|
AgCl
|
216
|
Cl
|
4,88
|
SiO2
|
433
|
Fe
|
99
|
Zn
|
964
|
CO2
|
6,03
| ||
W
|
200
|
CH4
|
1,96
| ||||
Nilai yang tercantum di atas adalah energi yang diperlukan untuk memecah kristal menjadi partikel penyusunnya (atom, ion, atau molekul (dalam kkal mol-1))
a. Kristal logam
Kisi kristal logam terdiri atas atom logam yang terikat dengan ikatan logam. Elektron valensi dalam atom logam mudah dikeluarkan (karena energi ionisasinya yang kecil) menghasilkan kation. Bila dua atom logam saling mendekat, orbital atom terluarnya akan tumpang tindih membentuk orbital molekul. Bila atom ketiga mendekati kedua atom tersebut, interaksi antar orbitalnya terjadi dan orbital molekul baru terbentuk. Jadi, sejumlah besar orbital molekul akan terbentuk oleh sejumlah besar atom logam, dan orbital molekul yang dihasilkan akan tersebar di tiga dimensi. Hal ini sudah dilakukan di Bab 3.4 (Gambar 3.8).
Karena orbital atom bertumpangtindih berulang-ulang, elektron-elektron di kulit terluar setiap atom akan dipengaruhi oleh banyak atom lain. Elektron semacam ini tidak harus dimiliki oleh atom tertentu, tetapi akan bergerak bebas dalam kisi yang dibentuk oleh atom-atom ini. Jadi, elektron-elektron ini disebut dengan elektron bebas.
Sifat-sifat logam yang bemanfaat seperti kedapat-tempa-annya, hantaran listrik dan panas serta kilap logam dapat dihubungkan dengan sifat ikatan logam. Misalnya, logam dapat mempertahankan strukturnya bahkan bila ada deformasi. Hal ini karena ada interaksi yang kuat di berbagai arah antara atom (ion) dan elektron bebas di sekitarnya (Gambar 8.8).
Gambar 8.8 Deformasi sruktur logam.
Logam akan terdeformasi bila gaya yang kuat diberikan, tetapi logam tidak akan putus. Sifat ini karena interaksi yang kuat antara ion logam dan elektron bebas.
Logam akan terdeformasi bila gaya yang kuat diberikan, tetapi logam tidak akan putus. Sifat ini karena interaksi yang kuat antara ion logam dan elektron bebas.
Tingginya hantaran panas logam dapat juga dijelaskan dengan elektron bebas ini. Bila salah satu ujung logam dipanaskan, energi kinetik elektron sekitar ujung itu akan meningkat. Peningkatan energi kinetik dengan cepat ditransfer ke elektron bebas. Hantaran listrik dijelaskan dengan cara yang sama. Bila beda tegangan diberikan pada kedua ujung logam, elektron akan mengalir ke arah muatan yang positif.
Kilap logam diakibatkan oleh sejumlah besar orbital molekul kristal logam. Karena sedemikian banyak orbital molekul, celah energi antara tingkat-tingkat energi itu sangat kecil. Bila permukaan logam disinari, elektron akan mengabsorbsi energi sinar tersebut dan tereksitasi. Akibatnya, rentang panjang gelombang cahaya yang diserap sangat lebar. Bila elektron yang tereksitasi melepaskan energi yang diterimanya dan kembali ke keadaan dasar, cahaya dengan rentang panjang gelombang yang lebar akan dipancarkan, yang akan kita amati sebagai kilap logam.
b. Kristal ionik
Kristal ionik semacam natrium khlorida (NaCl) dibentuk oleh gaya tarik antara ion bermuatan positif dan negatif. Kristal ionik biasanya memiliki titik leleh tinggo dan hantaran listrik yang rendah. Namun, dalam larutan atau dalam lelehannya, kristal ionik terdisosiasi menjadi ion-ion yang memiliki hantaran listrik. Biasanya diasumsikan bahwa terbentuk ikatan antara kation dan anion. Dalam kristal ion natrium khlorida, ion natrium dan khlorida diikat oleh ikatan ion. Berlawanan dengan ikatan kovalen, ikatan ion tidak memiliki arah khusus, dan akibatnya, ion natrium akan berinteraksi dengan semua ion khlorida dalam kristal, walaupun intensitas interaksi beragam. Demikian juga, ion khlorida akan berinteraksi dengan semua ion natrium dalam kristal.
Susunan ion dalam kristal ion yang paling stabil adalah susunan dengan jumlah kontak antara partikel bermuatan berlawanan terbesar, atau dengan kata lain, bilangan koordinasinya terbesar. Namun, ukuran kation berbeda dengan ukuran anion, dan akibatnya, ada kecenderungan anion yang lebih besar akan tersusun terjejal, dan kation yang lebih kecil akan berada di celah antar anion.
Dalam kasus natrium khlorida, anion khlorida (jari-jari 0,181 nm) akan membentuk susunan kisi berpusat muka dengan jarak antar atom yang agak panjang sehingga kation natrium yang lebih kecil (0,098 nm) dapat dengan mudah diakomodasi dalam ruangannya (Gambar 8.9(a)). Setiap ion natrium dikelilingi oleh enam ion khlorida (bilangan koordinasi = 6). Demikian juga, setiap ion khlorida dikelilingi oleh enam ion natrium (bilangan koordinasi = 6) (Gambar 8.9(b)). Jadi, dicapai koordinasi 6:6.
Gambar 8.9 Struktur kristal natrium khlorida
Masing-masing ion dikelilingi oleh enam ion yang muatannya berlawanan.
Struktur ini bukan struktur terjejal.
Masing-masing ion dikelilingi oleh enam ion yang muatannya berlawanan.
Struktur ini bukan struktur terjejal.
Dalam cesium khlorida, ion cesium yang lebih besar (0,168nm) dari ion natrium dikelilingi oleh 8 ion khlorida membentuk koordinasi 8:8. Ion cesium maupun khlorida seolah secara independen membentuk kisi kubus sederhana, dan satu ion cesium terletak di pusat kubus yang dibentuk oleh 8 ion khlorida (Gambar 8.10)
Gambar 8.10 Struktur kristal cesium khlorida.
Setiap ion dikelilingi oleh delapan ion dengan muatan yang berlawanan.
Struktur ini juga bukan struktur terjejal.
Setiap ion dikelilingi oleh delapan ion dengan muatan yang berlawanan.
Struktur ini juga bukan struktur terjejal.
Jelas bahwa struktur kristal garam bergantung pada rasio ukuran kation dan anion. Bila rasio (jarijari kation)/(jari-jari anion) (rC/rA) lebih kecil dari nilai rasio di natrium khlorida, bilangan koordinasinya akan lebih kecil dari enam. Dalam zink sulfida, ion zink dikelilingi hanya oleh empat ion sulfida. Masalah ini dirangkumkan di tabel 8.3.
Tabel 8.3 Rasio jari-jari kation rC dan anion rA dan bilangan koordinasi.
Rasio jari-jari rC/rA
|
Bilangan koordinasi
|
contoh
|
0,225-0,414
|
4
|
ZnS
|
0,414-0,732
|
6
|
Sebagian besar halida logam alkali
|
>0,732
|
8
|
CsCl, CsBr, CsI
|
Latihan 8.4 Penyusunan dalam kristal ion
Dengan menggunakan jari-jari ion (nm) di bawah ini, ramalkan struktur litium fluorida LiF dan rubidium bromida RbBr. Li+ = 0,074, Rb+ = 0,149, F- = 0,131, Br- = 0<196
Jawab
Untuk LiF, rC/rA = 0,074/0,131 = 0,565. Nilai ini berkaitan dengan nilai rasio untuk kristal berkoordinasi enam, sehingga LiF akan bertipe NaCl. Untuk RbBr, rC/rA = 0,149/0,196 = 0,760, yang termasuk daerah berkoordinasi 8, sehingga RbBr diharapkan bertipe CsCl.
c. Kristal Molekular
Kristal dengan molekul terikat oleh gaya antarmolekul semacam gaya van der Waals disebut dengan kristal molekul. Kristal yang didiskusikan selama ini tersusun atas suatu jenis ikatan kimia antara atom atau ion. Namun, kristal dapat terbentuk, tanpa bantuan ikatan, tetapi dengan interaksi lemah antar molekulnya. Bahkan gas mulia mengkristal pada temperatur sangat rendah. Argon mengkristal dengan gaya van der Waaks, dan titik lelehnya -189,2°C. Padatan argon berstruktur kubus terjejal.
Molekul diatomik semacam iodin tidak dapat dianggap berbentuk bola. Walaupun tersusun teratur di kristal, arah molekulnya bergantian (Gambar 8.11). Namun, karena strukturnya yang sederhana, permukaan kristalnya teratur. Ini alasannya mengapa kristal iodin memiliki kilap.
Gambar 8.11 Struktur kristal iodin.
Strukturnya berupa kisi ortorombik berpusat muka.
Strukturnya berupa kisi ortorombik berpusat muka.
Molekul di pusat setiap muka ditandai dengan warna lebih gelap. Pola penyusunan kristal senyawa organik dengan struktur yang lebih rumit telah diselidiki dengan analisis kristalografi sinar-X. Bentuk setiap molekulnya dalam banyak kasus mirip atau secara esensi identik dengan bentuknya dalam fasa gas atau dalam larutan.
d. Kristal Kovalen
Banyak kristal memiliki struktur mirip molekul-raksasa atau mirip polimer. Dalam kristal seperti ini semua atom penyusunnya (tidak harus satu jenis) secara berulang saling terikat dengan ikatan kovelen sedemikian sehingga gugusan yang dihasilkan nampak dengan mata telanjang. Intan adalah contoh khas jenis kristal seperti ini, dan kekerasannya berasal dari jaringan kuat yang terbentuk oleh ikatan kovalen orbital atom karbon hibrida sp3 (Gambar 8.12). Intan stabil sampai 3500°C, dan pada temperatur ini atau di atasnya intan akan menyublim.
Kristal semacam silikon karbida (SiC)n atau boron nitrida (BN)n memiliki struktur yang mirip dengan intan. Contoh yang sangat terkenal juga adalah silikon dioksida (kuarsa; SiO2) (Gambar 8.13). Silikon adalah tetravalen, seperti karbon, dan mengikat empat atom oksigen membentuk tetrahedron. Setiap atom oksigen terikat pada atom silikon lain. Titik leleh kuarsa adalah 1700 °C.
Gambar 8.12 Struktur kristal intan
Sudut ∠C-C-C adalah sudut tetrahedral, dan setiap
atom karbon dikelilingi oleh empat atom karbon lain.
Sudut ∠C-C-C adalah sudut tetrahedral, dan setiap
atom karbon dikelilingi oleh empat atom karbon lain.
Gambar 8.13 Struktur kristal silikon dioksida
Bila atom oksigen diabaikan, atom silikon akan membentuk struktur mirip intan. Atom oksigen berada di antara atom-atom silikon.
Bila atom oksigen diabaikan, atom silikon akan membentuk struktur mirip intan. Atom oksigen berada di antara atom-atom silikon.
1. Struktur Non-Kristal
Pada temperatur rendah, energi pada susunan non-kristal tidaklah serendah energy pada susunan kristal untuk komposisi material yang sama. Namun demikian struktur non-kristal dapat dengan mudah terbentuk, dan ia juga stabil. Struktur non-kristal tidaklah seratus persen tidak teratur. Atom-atom dari padatan ini masih menunjukkan keteraturan susunan dalam skala sub-unit. Akan tetapi susunan antar
sub-unit terjadi secara tak beraturan. Melihat strukturnya, material non-kristal dapat dikelompokkan menjadi dua kelompok utama, yaitu:
a) struktur yang terbangun dari molekul berbentuk rantai panjang;
b) struktur yang terbangun dari jaringan tiga dimensi;
Molekul berbentuk rantai panjang akan mudah saling berbelit dan membentuk material non-kristal walaupun bagian-bagian tertentu dari rantai panjang ini dapat tersusun sejajar membentuk susunan teratur. Pada fasa cair mobilitas sangat rendah sehingga sekali materiaal ini menjadi dingin, strukturnya akan tetap non-kristal, sebab untuk membentuk struktur kristal diperlukan mobilitas atom yang cukup agar penyusunan atau pengaturan kembali dapat terjadi.
Jaringan tiga dimensi terbentuk bila sub-unit berupa polihedra koordinasi yang saling berikatan sudut. Ikatan antar polihedron merupakan ikatan diskrit dengan karakter kovalen yang dominan dan rantaian ini cukup fleksible sehingga mudah saling berbelit satu sama lain. Hanya sedikit polihedra dari rantaian ini yang dapat tersusun secara teratur membentuk kristal; kebanyakan mereka tersusun secara tidak teratur sehingga material yang terbentuk merupakan material non-kristal.
Ø Perilaku Material Non-kristal
Walaupun terdapat perbedaan-perbedaan, pada umumnya material non-kristal menunjukkan perilaku yang mirip, seperti: tidak memiliki titik leleh tertentu melainkan menjadi lunak bila temperatur ditingkatkan dan mengeras secara berangsur-angsur jika didinginkan; sifat fisik dan mekanis juga mirip jika diukur pada temperatur yang secara relatif sebanding dengan energi ikat yang dimiliki.
Semua material non-kristal memiliki karakter umum yaitu bahwa setiap sub-unit pada fasa cair sangat mudah saling berbelit; dan sekali hal ini terjadi hampir tidak mungkin untuk diuraikan kembali.
Pengaruh Temperatur. Struktur dan ikatan yang mirip antara berbagai material non-kristal, menyebabkan mereka memiliki perilaku yang hampir sama terhadap perubahan temperatur. Material non-kristal tidak memiliki titik beku tertentu. Mereka menunjukkan viskositas yang berangsur berubah dalam selang temperatur tertentu. Hal ini dapat dipandang sebagai proses pembekuan yang berlangsung secara bertahap karena setiap sub-unit memiliki lingkungan berbeda dan energi ikat yang berbeda pula.
Pembentukan fasa padat akan dimulai dari sub-unit yang memiliki energi ikat terendah, yang kemudian disusul oleh yang memiliki energi ikat yang lebih tinggi, seiring dengan menurunnya temperatur. Oleh karena itu terdapat selang temperatur dimana proses pembentukan struktur padat itu terjadi transparansi. Banyak material non-kristal transparan, baik pada keadaan cair maupun padat. Sifat ini muncul karena tak ada unsur asing dalam material ini, tak ada hole, tak ada permukaan internal yang akan merefleksikan gelombang elektromagnet, tidak ada elektron-bebas yang akan menyerap energi.
Ø Material Non-kristal Dari Unsur.
Pada temperatur kamar, hanya sulfur dan selenium yang dapat membentuk material non-kristal. (Beberapa unsur lain dapat membentuk gelas pada temperatur mendekati nol absolut). Kedua unsure ini adalah dari grup-6 pada tabel periodik; mereka mempunyai dua electron valensi. Ikatan antar atom terutama adalah kovalen dengan overlaping orbital p. Ikatan ini membentuk rantaian panjang, yang dalam keadaan cair akan saling berbelit, dan jika didinginkan dengan cepat akan membentuk material nonkristal.
DAFTAR PUSTAKA
Sudaryatno.S, Ning Utari.2011.Mengenal Sifat-sifat Material
0 Comments
:))
;))
;;)
:D
;)
:p
:((
:)
:(
:X
=((
:-o
:-/
:-*
:|
8-}
:)]
~x(
:-t
b-(
:-L
x(
:-q
=))