Darpublic www.darpublik.com Sudaryatno Sudirham, “Struktur Kristal dan Nonkristal” 1/13 Struktur Kristal dan Nonkristal Sudaryatno Sudirham Penjelasan mengenai struktur padatan dapat dilihat dalam buku William G. Moffatt dan buku Zbigniew D Jastrzebski.[2,5]. Di sini kita akan melihat struktur kristal dan nonkristal, sebatas pada bentuk-bentuk, macam, dan ketidak-sempurnaan kristal, tanpa terlalu jauh mempelajari kristalografi. Demikian pula halnya dengan struktur nonkristal; kita hanya akan melihat bentuk susunan dan macam-macamnya. Struktur Kristal Kristal merupakan susunan atom-atom yang teratur dalam ruang tiga dimensi. Keteraturan susunan tersebut terjadi karena harus terpenuhinya kondisi geometris, ketentuan ikatan atom, serta susunan yang rapat. Walaupun tidak mudah untuk menyatakan bagaimana atom tersusun dalam padatan, namun ada hal-hal yang bisa 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. Kisi Ruang Bravais. Kisi ruang (space lattice) adalah susunan titik-titik dalam ruang tiga dimensi di mana setiap titik memiliki lingkungan yang serupa. Titik dengan lingkungan yang serupa 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 itu disebut sel unit (unit cell). Rusuk dari suatu sel unit dalam struktur kristal haruslah merupakan translasi kisi, yaitu vektor yang menghubungkan dua simpul kisi. Jika sel unit disusun bersentuhan antar bidang sisi, mereka akan mengisi ruangan tanpa meninggalkan ruang kosong dan membentuk kisi ruang. Satu kisi ruang yang sama mungkin bisa dibangun dari sel unit yang berbeda; akan tetapi yang disebut sel unit dipilih yang memiliki geometri sederhana dan mengandung hanya sejumlah kecil simpul kisi. Sel unit dari 14 kisi Bravais diperlihatkan pada Gb.1. Jika kita pilih tiga rusuk non-paralel pada suatu sel sedemikian rupa sehingga simpul kisi hanya terletak pada sudut-sudut sel, sel itu disebut sel sederhana atau sel primitif. Pada Gb.7.1. sel primitif diberi tanda huruf P. Sel primitif hanya berisi satu simpul kisi; jika kita lakukan translasi sepanjang rusuknya, simpul kisi yang semula ada pada sel menjadi tidak
13
Embed
7 Struktur Kristal dan Nonkristal - Darpublic · PDF fileDarpublic Sudaryatno Sudirham, “Struktur Kristal dan Nonkristal” 4/13 berikatan dengan tiga atom lain
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Darpublic www.darpublik.com
Sudaryatno Sudirham, “Struktur Kristal dan Nonkristal” 1/13
Struktur Kristal dan Nonkristal
Sudaryatno Sudirham
Penjelasan mengenai struktur padatan dapat dilihat dalam buku William G. Moffatt
dan buku Zbigniew D Jastrzebski.[2,5]. Di sini kita akan melihat struktur kristal dan
nonkristal, sebatas pada bentuk-bentuk, macam, dan ketidak-sempurnaan kristal, tanpa
terlalu jauh mempelajari kristalografi. Demikian pula halnya dengan struktur nonkristal; kita
hanya akan melihat bentuk susunan dan macam-macamnya.
Struktur Kristal
Kristal merupakan susunan atom-atom yang teratur dalam ruang tiga dimensi.
Keteraturan susunan tersebut terjadi karena harus terpenuhinya kondisi geometris,
ketentuan ikatan atom, serta susunan yang rapat. Walaupun tidak mudah untuk
menyatakan bagaimana atom tersusun dalam padatan, namun ada hal-hal yang bisa
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.
Kisi Ruang Bravais. Kisi ruang (space lattice) adalah susunan titik-titik dalam ruang
tiga dimensi di mana setiap titik memiliki lingkungan yang serupa. Titik dengan lingkungan
yang serupa 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 itu disebut sel
unit (unit cell). Rusuk dari suatu sel unit dalam struktur kristal haruslah merupakan translasi
kisi, yaitu vektor yang menghubungkan dua simpul kisi. Jika sel unit disusun bersentuhan
antar bidang sisi, mereka akan mengisi ruangan tanpa meninggalkan ruang kosong dan
membentuk kisi ruang. Satu kisi ruang yang sama mungkin bisa dibangun dari sel unit yang
berbeda; akan tetapi yang disebut sel unit dipilih yang memiliki geometri sederhana dan
mengandung hanya sejumlah kecil simpul kisi. Sel unit dari 14 kisi Bravais diperlihatkan pada
Gb.1.
Jika kita pilih tiga rusuk non-paralel pada suatu sel sedemikian rupa sehingga simpul
kisi hanya terletak pada sudut-sudut sel, sel itu disebut sel sederhana atau sel primitif. Pada
Gb.7.1. sel primitif diberi tanda huruf P. Sel primitif hanya berisi satu simpul kisi; jika kita
lakukan translasi sepanjang rusuknya, simpul kisi yang semula ada pada sel menjadi tidak
Darpublic www.darpublik.com
Sudaryatno Sudirham, “Struktur Kristal dan Nonkristal” 2/13
lagi berada pada sel tersebut. Sel dengan simpul kisi yang terletak pada pusat dua bidang sisi
yang paralel diberi tanda C (center); sel dengan simpul kisi di pusat setiap bidang kisi diberi
tanda F (face); sel dengan simpul kisi di pusat bagian dalam sel unit ditandai dengan huruf I.
Huruf R menunjuk pada sel primitif rhombohedral.
Sel unit yang paling sederhana adalah kubus yang semua rusuk dan sudutnya sama
yaitu, o90 a,aa =γ=β=α−− . Ada tiga variasi pada kubus ini yaitu kubus sederhana
(primitive), face centered cubic, dan body centered cubic. Jika salah satu rusuk tidak sama
dengan dua rusuk yang lain tetapi sudut tetap sama 90o, kita dapatkan bentuk tetragonal,
o90 c,aa =γ=β=α−− ; ada dua variasi seperti terlihat pada Gb.1. Jika rusuk-rusuk tidak
sama tetapi sudut tetap sama 90o
kita dapatkan bentuk orthorombic dengan 4 variasi.
Selanjutnya lihat Gb.1.
Gb.1. Sel unit dari 14 kisi ruang Bravais.[2,5].
Kristal Unsur. Untuk unsur, dua dari empat keadaan yang harus dipenuhi untuk
terbentuknya struktur kristal, telah terpenuhi yaitu kenetralan listrik dan gaya tolak antar
ion yang minimal. Dua keadaan lagi yang harus dipenuhi adalah ikatan kovalen yang diskrit
dan terjadinya susunan yang rapat.
a
a
a
a
a
a
a
a
a
Kubus
P
F
I
a a a a
c
Heksagonal P
a
c
b
a
c
b
a
c
b
a
c
b
Orthorombic
P
I
C
F
a
c
b
Monoklinik
c
a b P
C
a
c
b
Triklinik
P
a
a
c
a
a
c
Tetragonal
P
I
a
a
a
Rhombohedral R
Darpublic www.darpublik.com
Sudaryatno Sudirham, “Struktur Kristal dan Nonkristal” 3/13
Unsur grup VIII dan Metal. Gas mulia, Ne dengan kofigurasi ([He] 2s2 2p
6), dan Ar ([Ne]
3s2 3p
6), serta Kr ([Ar] 3d
10 4s
2 4p
6), memiliki delapan elektron di kulit terluarnya.
Konfigurasi ini sangat mantap. Oleh karena itu mereka tidak membentuk ikatan
dengan sesama atom atau dengan kata lain atom-atom ini merupakan atom bebas.
Dalam membentuk padatan (membeku) atom-atom gas mulia tersusun dalam susunan
yang rapat.
Selain gas mulia, atom metal juga membentuk susunan rapat dalam padatan. Hal ini
disebabkan karena ikatan metal merupakan ikatan tak berarah sehingga terjadinya
susunan yang rapat sangat dimungkinkan. Tiga sel satuan yang paling banyak dijumpai
pada metal dan gas mulia dalam keadaan beku adalah FCC, HCP, dan BCC yang
diperlihatkan pada Gb.2.
FCC BCC HCP
Gb.2. Sel unit FCC, BCC, dan HCP.
Unsur grup VII. Atom Cl ([Ne] 3s2 3p
5), Br ([Ar] 4s
2 4p
5), J ([Kr] 4d
10 5s
2 5p
5), memuat 7
elektron di kulit terluarnya (tingkat energi terluar). Oleh karena itu pada umumnya
mereka berikatan dengan hanya 1 atom dari elemen yang sama membentuk molekul
diatomik (Cl2, Br2, J2); dengan ikatan ini masing-masing atom akan memiliki konfigurasi
gas mulia, yaitu delapan elektron di kulit terluar. Molekul-molekul diatomik tersebut
berikatan satu dengan yang lain melalui ikatan sekunder yang lemah, membentuk
kristal. Karena ikatan antar molekul yang lemah ini maka titik-leleh mereka rendah.
Unsur grup VI. Atom S ([Ne] 3s2 3p
4), Se ([Ar] 3d
10 4s
2 4p
4), Te ([Kr] 4d
10 5s
2 5p
4),
memiliki 6 elektron di kulit terluarnya. Setiap atom akan mengikat dua atom lain untuk
memenuhi konfigurasi gas mulia dengan delapan elektron di kulit terluar masing-
masing atom. Ikatan semacam ini dapat dipenuhi dengan membentuk molekul rantai
spiral atau cincin di mana setiap atom berikatan dengan dua atom yang lain dengan
sudut ikatan tertentu. Molekul rantai spiral atau cincin ini berikatan satu sama lain
dengan ikatan sekunder yang lemah membentuk kristal. Contoh ikatan telurium yang
membentuk spiral diberikan pada Gb.3. Satu rantaian spiral ikatan Te bergabung
dengan spiral Te yang lain membentuk kristal hexagonal.
Gb.3. Rantai spiral Te membentuk kristal hexagonal.[2].
Unsur Grup V. Atom P ([Ne] 3s2 3p
3), As ([Ar]
3d
10 4s
2 4p
3), Sb ([Kr]
4d
10 5s
2 5p
3), dan Bi
([Xe] 4f
14 5d
10 6s
2 6p
3) memiliki 5 elektron di kulit terluarnya dan setiap atom akan
Rantai spiral Te Hexagonal
Darpublic www.darpublik.com
Sudaryatno Sudirham, “Struktur Kristal dan Nonkristal” 4/13
berikatan dengan tiga atom lain dengan sudut ikatan tertentu. Atom-atom berikatan
membentuk lapisan bergelombang dan lapisan-lapisan ini berikatan satu dengan
lainnya melalui ikatan yang lemah. Contoh salah satu lapisan dari kristal As
diperlihatkan pada Gb.4.
Unsur Grup IV. Pada Grup IV hanya unsur ringan yang membentuk kristal dimana
semua ikatan yang menyatukan kristal adalah kovalen. Ikatan ini merupakan hasil dari
orbital hibrida sp3 tetrahedral dan membentuk kristal kubik pada C (intan), Si, Ge, Sn.
Sebagian dari unsusr grup ini dapat pula membentuk struktur dengan ikatan bukan
kovalen, seperti pada grafit. Atom-atom pada grafit terikat secara kovalen heksagonal
membentuk bidang datar yang terikat dengan bidang yang lain melalui ikatan yang
lemah. (Gb.5.). Ikatan kovalen terjadi antar orbital sp2 sedangkan ikatan antar bidang
lebih bersifat ikatan metal. Oleh karena itu grafit lebih mudah mengalirkan arus listrik
dan panas pada arah sejajar dengan bidang ini dibandingkan dengan arah tegak lurus.
Kristal Ionik. Walau sangat jarang ditemui kristal yang 100% ionik, namun beberapa
kristal memiliki ikatan ionik yang sangat dominan sehingga dapat disebut sebagai kristal