Mengenal Sifat Material Struktur Kristal dan Nonkristal

1. MengenalSifat Material Struktur Kristal danNonkristal

2. StrukturKristal

3. Kristal merupakan susunan atom-atom yang teratur dalam ruang tiga dimensi. Keteraturan susunan tersebut timbul karena kondisi geometris yang dihasilkan oleh ikatan atom yang terarah dan paking yang rapat. Sesungguhnya tidaklah mudah untuk menyatakan bagaimana atom tersusun dalam padatan. Namun ada hal-hal yang diharapkan menjadi faktor penting yang menentukan terbentuknya polihedra koordinasi atom-atom. Secara ideal, susunan polihdra koordinasi paling stabil adalah yang memungkinkan terjadinya energi per satuan volume minimal. • Keadaan tersebut dicapai jika: • kenetralan listrik terpenuhi • ikatan kovalen yang diskrit dan terarah terpenuhi • meminimalkan gaya tolak ion-ion • paking atom serapat mungkin

4. Struktur kristal yang biasa teramati pada padatan dinyatakan dalam konsep geometris ideal yang disebut kisi-kisi ruang (space lattice) dan menyatakan cara bagaimana polihedra koordinasi atom-atom tersusun bersama agar energi dalam padatan menjadi minimal. Kisi-kisi ruang adalah susunan tiga dimensi titik-titik di mana setiap titik memiliki lingkungan yang serupa. Titik dengan lingkungan yang serupa itu disebut titik kisi (Lattice Point). Titik kisi dapat disusun hanya dalam 14 susunan yang berbeda yang disebut kisi-kisi Bravais; oleh karena itu atom-atom dalam kristal haruslah tersusun dalam salah satu dari 14 kemungkinan tersebut.

5. Sel Satuan pada Kisi-Kisi Ruang BRAVAIS [2,5]

6. Setiaptitikkisidapatditempatiolehsatuataulebih atom, tetapi atom ataukelompok atom padasatutitikkisiharuslahidentikdenganorientasi yang sama agar memenuhidefinisikisiruang. Susunan atom dapat disebutkan secara lengkap dengan menyatakan posisi atom dalam suatu unit yang secara berulang tersusun dalam kisi ruang. Unit yang berulang itu disebut sel satuan. Rusuk sel satuan, yaitu vektor yang menghubungkan dua titik kisi, haruslah merupakan translasi kisi, dan sel satuan yang identik akan membentuk kisi-kisi ruang jika mereka disusun bidang sisi ke bidang sisi. Satu kisi-kisi ruang dapat memiliki beberapa sel satuan berbeda yang memenuhi kriteria tersebut di atas, akan tetapi biasanya sel satuan dipilih yang memiliki geometri sederhana dan memuat beberapa titik kisi saja. Satu sel satuan yang memiliki titik kisihanya pada sudut-sudutnya, atau dengan kata lain satu unit sel yang memuat hanya satu titik kisi, disebut sel primitif.

7. Unsur Metal dan Unsur Mulia 3 sel satuan yang paling banyak dijumpai pada unsur ini adalah: [2] Posisi atom yang ada dalam sel bukanlattice points Bulatan menunjukkan posisi atom yang juga merupakan lattice points pada FCC dan BCC

8. Unsur Dengan Lebih Dari 3 Elektron Valensi Unsur ini biasanya memiliki ikatan kovalen sehingga kristal yang terbentuk akan mengikuti ketentuan ikatan ini. Jika orbital yang tak terisi digunakan seluruhnya untuk membentuk ikatan, maka atom ini akan berikatan dengan (8 – N) atom lain, dimana N adalah jumlah elektron valensi yang dimilikinya. Elemen Cl, Br, J, kulit terluarnya memuat 7 elektron; oleh karena itu pada umumnya mereka berikatan dengan hanya 1 atom dari elemen yang sama membentuk molekul diatomik, Cl2, Br2, J2. [2] Molekul diatomik tersebut membangun ikatan dengan molekul yang lain melalui ikatan sekunder yang lemah, membentuk kristal.

9. Atom Group VI (S, Se, Te) [2] Atom Group VI (S, Se, Te) memiliki 6 elektron di kulit terluarnya dan membentuk molekul rantai atao cincin di mana setiap atom berikatan dengan dua atom (dengan sudut ikatan tertentu). Molekul ini berikatan satu sama lain dengan ikatan sekunder yang lemah membentuk kristal. Rantai spiral atom Tebergabungdenganrantai yang lain membentukkristal hexagonal.

10. [2] Atom Group V (P, As, Sb, Bi) Atom Group V (P, As, Sb, Bi) memiliki 5 elektron di kulitterluarnyadansetiap atom berikatandengantiga atom (dengansudutikatantertentu).

11. Kristal Ionik Walau sangat jarang ditemui kristal yang 100% ionik, namun beberapa kristal memiliki ikatan ionik yang sangat dominan sehingga dapat disebut sebagai kristal ionik. Contoh: NaCl, MgO, SiO2, LiF. Dalam kristal ionik murni, polihedra anion (polihedra koordinasi) tersusun sedemikian rupa sehingga kenetralan listrik terpenuhi dan energi ikat per satuan volume menjadi minimum tanpa menyebabkan menguatnya gaya tolak antar muatan yang bersamaan tanda. Gaya tolak yang terbesar terjadi antar kation karena muatan listriknya terkonsentrasi dalam volume yang kecil, oleh karena itu polihedra koordinasi harus tersusun sedemikian rupa sehingga kation saling berjauhan.

12. Contohstrukturkristalionik Kation Anion oktahedron tetrahedron

13. Kristal Molekul Jika dua atom terikat dengan ikatan primer, baik berupa ikatan ion ataupun ikatan kovalen, maka mereka dapat membentuk molekul yang diskrit. Jika ikatan primer tersebut kuat dalam satu sub-unit, maka ikatan yang terjadi antar sub-unit akan berupa bentuk ikatan yang berbeda dari ikatan primer. Kristal yang terbentuk adalah kristal molekuler dengan ikatan antar sub-unit yang lemah. Jika ikatan primernya adalah ikatan ion, molekul yang diskrit terbentuk jika muatan kation sama dengan hasilkali muatan anion dengan bilangan koordinasi. Contoh: sub-unit SiF4 terbentuk dengan ikatan ion, polihedra koordinasi atau polihedra anion berbentuk tetrahedra F mengelilingi kation Si yang kemudian tersusun dalam kisi-kisi BCC

14. Pada es (H2O), ikatan primernya adalah ikatan kovalen dan ikatan sekunder antar sub-unit adalah ikatan ionik yang lemah Hidrogen hanya akan membentuk satu ikatan kovalen. Oleh karena itu molekul air terdiri dari 1 atom oksigen dengan 2 ikatan kovalen yang dipenuhi oleh 2 atom hidrogen dengan sudut antara dua atom hidrogen adalah 105o. Dalambentukkristal, atom-atom hidrogenmengikatmolekul-molekul air denganikatanionikatauikatan dipole hidrogen. Bola-bola menunjukkan posisi atom O; atom H terletak pada garis yang menghubungkan atom O yang berdekatan;ada 2 atom H setiap satu atom O.

15. Jikamolekulmembentukrantaianpanjangdenganpenampangmelintang yang mendekatisimetris, merekabiasanyamengkristaldalamkisi-kisiberbentukorthorhombicataumonoclinic. dilihat dari depan Molekul polyethylene

16. Kebanyakanpolimer yang terbentuklebihdariduamacam atom, memilikiketidak-teraturan yang membuatiatidakmengkristal. Walaupundemikianada yang memilikipenampangsimetrisdanmudahmengkristal, sepertipolytetrafluoroethylene (Teflon). Molekul polytetrafluoroethylene Polimer yang komplekspun masih mungkin memiliki struktur yang simetris dan dapat mengkristal seperti halnya cellulose.

17. KetidaksempurnaanPada Kristal

18. Kebanyakankristalmengandungketidak-sempurnaan. Karenakisi-kisikristalmerupakansuatukonsepgeometris, makaketidak-sempurnaankristaljugadiklasifikasikansecarageometris. • ketidak-sempurnaanberdimensinol (ketidak-sempurnaantitik), • ketidak-sempurnaanberdimensisatu (ketidak-sempurnaangaris), • ketidak-sempurnaanberdimensidua (ketidak-sempurnaanbidang). • Selainituterjadi pula ketidak-sempurnaan volume danjugaketidak-sempurnaanpadastrukturelektronik

19. Ketidaksempurnaantitik atom dariunsur yang sama (unsursendiri) berada di antara atom matriks yang seharusnyatidakterisiatom tidakada atom padatempat yang seharusnyaterisi interstitial (atom sendiri) kekosongan interstitial (atom asing) substitusi (atom asing) atom asingberada di antara atom matriks yang seharusnyatidakterisi(pengotoran) atom asingmenempatitempat yang seharusnyaditempatiolehunsursendiri (pengotoran)

20. Ketidaksempurnaantitikpadakristalionik pasangantempatkosong yang ditinggalkandankation yang meninggalkannya kekosongankationberpasangandengankekosongan anion ketidaksempurnaanSchottky ketidaksempurnaanFrenkel pengotoran substitusi pengotoran interstitial kekosongan kation

21. Dislokasi Dislokasimerupakanketidak-sempurnaankristalkarenapenempatan atom yang tidakpadatempat yang semestinya.  vector Burger  screw dislocation edge dislocation

22. StrukturNonkristal

23. Melihatstrukturnya, material nonkristaldapatdikelompokkanmenjadiduakelompokutama, yaitu: a) struktur yang terbangundarimolekulberbentukrantaipanjang b) struktur yang terbangundarijaringantigadimensi

24. MolekulRantaianPanjang - Organik Beberapafaktor yang mendorongterbentuknyastrukturnonkristaladalah: a) molekulrantaian yang panjangdanbercabang; b) kelompokatom yang terikatsecaratakberaturansepanjangsisimolekul; c) rantaianpanjang yang merupakankombinasidariduaataulebihpolimer, yang disebutkopolimer; d) adanyaunsuraditif, yang akanmemisahkansaturantaiandarirantaian yang lain; unsuraditifinibiasadisebut plasticizer.

25. Contohterbentuknyarantaianpanjang H H | | C C | | H H ethylene : C2H4 H H H H H H H H H H H H | | | | | | | | .... C  C C  C C  C C  C C  C C  C ... | | | | | | | | H H H H H H H H H H H H membentukrantaianpanjang polyethylene Dalamstrukturini polyethylene disebutlinear polyethylene

26. Keadaanjauhberbedajikamolekul polyethylene bercabang. Makin bercabang, polyethylene makinnonkristal. Pengaruhadanyacabanginibisadilihatpadavinyl polymer, yaitu polymer dengan unit berulang C2H3X. Cabang X inibisaberupagugus atom yang menempatiposisi di mana atom H seharusnyaberada. H H | |  C  C | | H X

27. Ada tigakemungkinancaratersusunnyacabanginiyaitu (a) ataktik(atactic), atauacak (b) isotaktik (isotactic), semuacabangberada di salahsatusisirantai H C X H H C (c) sindiotaktik (syndiotactic), cabang-cabang secara teratur bergantian dari satu sisi ke sisi yang lain. X H H C X H

28. Jikaguguscabangkecil, sepertipadapolyvinyl alkoholdi mana X = OH, danrantaian linier, makapolimerinidenganmudahmembentukkristal. Akan tetapijikaguguscabangbesar, polimerakanberbentuknonkristalsepertipadapoyvinyl chloride, di mana X = Cl; jugapada polystyrene, di mana X = benzena yang secaraacakterdistribusisepanjangrantaian (ataktik). Polimer isotactic dansyndiotacticbiasanyamembentukkristal, bahkanjikacabangcukupbesar.

29. Kopolimerisasiataupembentukankopolimer, selalumenyebabkanketidak-teraturandanolehkarenaitumendorongterbentuknyastrukturnonkristal. (a) dua macam polimer tersusun secara acak sepanjng rantai. (b) susunanberselang-selingsecarateratur (c) susunankopolimersecarablok (d) salahsatumacampolimermenjadicabangrantaianmacampolimer yang lain

30. Cross-Linking Cross-linkingmerupakanikatanantarrantaianpanjang yang terjadi di berbagaititik, danikataninimerupakanikatan primer. Cross-linkbisaterbentukolehsegmenkecildarirantaian. Cross-linkbisajugaterbentukoleh atom ataumolekulasing.

31. JaringanTigaDimensi - Anorganik Suatusenyawaanorganikcenderungmembentukstrukturnonkristaljika: a) setiapanion terikatpadahanyaduakation; b) tidaklebihdariempat anion mengelilingisatukation; c) polihedraanion berhubungansudutkesudut, tidaksisikesisidantidak pula bidangkebidang; d) senyawamemilikisejumlahbesar atom penyusun yang terdistribusisecaratakmenentu di seluruhjaringan. Jikamuatankationbesar, sepertimisalnyasilika Si+4, denganpolihedron anion yang kecil, makastrukturnonkristalmudahsekali terbentuk. Kebanyakangelasanorganikberbahandasarsilika, SiO2, dengan sub-unit berbentuktetrahedra yang padagelassilikamurniterhubungsudutkesudut

32. Penambahanoksida alkali padastruktur yang demikianinidapatmemutusrantaiantetrahedra; atom oksigendarioksidainimenyelippadatitikdimanaduatetrahedraterhubungdanmemutushubungantersebutsehinggamasing-masingtertrahedronmempunyaisatusudutbebas. Terputusnyahubunganantartetrahedradapatmenyebabkanturunnyaviskositas, sehinggagelaslebihmudahdibentuk.

33. StrukturPadatanDalamSkala yang LebihBesar

34. StrukturPadatan Strukturkristaldannonkristaladalahstrukturpadatandilihatdalamskala atom ataumolekul. Sesungguhnyakebanyakanpadatanmemilikidetilstruktur yang lebihbesardariskala atom ataupunmolekul, yang terbangundarikelompok-kelompokkristalataupunnonkristal. Kelompok-kelompokinidenganjelasdapatdibedakanantarasatudenganlainnyadandisebutfasa; bidangbatasantaramerekadisebutbatasfasa. Secaraformal dikatakanbahwafasaadalahdaerahdarisuatupadatan yang secarafisisdapatdibedakandaridaerah yang lain dalampadatantersebut. Padadasarnyaberbagaifasa yang hadirdalamsuatupadatandapatdipisahkansecaramekanis.

35. Dalamsatu unit kristaljarakantara atom dengan atom hanyabeberapa angstrom. Jika unit-unit kristaltersusunsecarahomogenmembentukpadatanmakapadatan yang terbentukmemilikibangun yang samadenganbangun unit kristal yang membentuknyanamundenganukuran yang jauhlebihbesar, dandisebutsebagaikristaltunggal; padataninimerupakanpadatansatufasa. Padaumumnyasusunankristaldalampadatansatufasatidaklahhomogen. Dislokasidanperbedaanorientasiterjadiantarakristal-kristal. Padatanjenisinimerupakanpadatanpolikristal, walaupuntetapmerupakanpadatansatufasa. Kristal-kristal yang membentukpadataninibiasa di sebutgrain, danbatasantara grain disebutbatas grain. Padapadatannonkristalsulitmengenaliadanyastrukturteraturdalamskalalebihbesardaribeberapa kali jarak atom. Olehkarenaitukebanyakanpadatannonkristalmerupakanpadatansatufasa. Padatandapattersusundariduafasaataulebih. Padatandemikiandisebutsebagaipadatanmultifasa. Padatanmultifasabisaterdirihanyadarisatukomponen (komponentunggal) ataulebih (multikomponen).

36. Courseware MengenalSifatMaterial Struktur Kristal danNonkristal SudaryatnoSudirham