slide1 n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Megenal Sifat Material PowerPoint Presentation
Download Presentation
Megenal Sifat Material

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 311

Megenal Sifat Material - PowerPoint PPT Presentation


  • 382 Views
  • Uploaded on

Sudaryatno Sudirham. Megenal Sifat Material. Pendahuluan : Perkembangan Konsep Atom Elektron Sebagai Partikel dan Sebagai Gelombang Persamaan Gelombang Schrödinger Aplikasi Persamaan Schrödinger pada Atom Konfigurasi Elektron Dalam Atom Ikatan Atom dan Susunan Atom

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Megenal Sifat Material' - nathaniel-gates


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

Sudaryatno Sudirham

MegenalSifat Material

slide2

Pendahuluan: PerkembanganKonsep Atom

  • ElektronSebagaiPartikeldanSebagaiGelombang
  • PersamaanGelombang Schrödinger
  • AplikasiPersamaan Schrödinger pada Atom
  • KonfigurasiElektronDalam Atom
  • Ikatan Atom danSusunan Atom
  • Struktur Kristal danNonkristal
  • Teori Pita Energi
slide3

SifatListrik Metal

  • SifatListrikDielektrik
  • Sifat-Sifat Thermal
  • PengertianDasarThermodinamika
  • SistemMultifasa
  • GejalaPermukaan
  • Difusi
  • OksidasidanKorosi
  • KarbondanIkatanKarbon
  • SenyawaHidrokarbon
slide5

PerkembanganKonsep Atom

Perkembangan pengetahuan tentang materialdilandasioleh konsep atom yang tumbuhsemakin rumit dibandingkan dengankonsepawalnya yang sangatsederhana.

Dalamtayanganinikitahanyaakanmelihatselintasmengenaiperkembanganini. Uraianagakrincidapatdilihatdalambuku yang dapatdiunduhdarisitusinijuga.

slide6

1803 Dalton

: berat atom

Emaks

metal 1

metal 2

metal 3

f

0

1

2

3

 460 SMDemocritus

elektron

: atom bukan partikel terkecil

1897 Thomson

Akhirabad 19:Persoalanradiasibendahitam

1880Kirchhoff

Eosc = h  f

h = 6,626  1034 joule-sec

1901 MaxPlanck

1905Albert Einstein

efek photolistrik

Dijelaskan: gelombang cahaya seperti partikel; disebut photon

: Intiatom (+) dikelilingi oleh elektron (-)

1906-1908Rutherford

slide7

5

4

3

PASCHEN

tingkat energi

2

BALMER

1

LYMAN

1913 Niels Bohr

photon darisinar-X mengalamiperubahan momentum saatberbenturandenganelektronvalensi.

1923Compton :

partikel sub-atom dapat dipandang sebagai gelombang

1924Louis de Broglie :

1926 Erwin Schrödinger :

mekanika kuantum

1927 Davisson danGermer :

berkas elektron didefraksi oleh sebuah kristal

1927 Heisenberg :

uncertainty Principle

1930Born :

intensitas gelombang

slide8

Model Atom Bohr

Model atom Bohr dikemukakan dengan menggunakan pendekatan

mekanika klasik.

Model atom Bohr berbasis pada model yang diberikan oleh Rutherford:

Partikel bermuatan positif terkonsentrasi di inti atom, dan elektron berada di sekeliling inti atom.

Perbedaan penting antara kedua model atom:

Model atom Rutherford: elektron berada di sekeliling inti atom dengan cara yang tidak menentu

Model atom Bohr: elektron-elektron berada pada lingkaran-lingkaran orbit yang diskrit;energi elektron adalah diskrit.

slide9

r

Fc

Ze

Gagasan Bohr :

orbit elektron adalah diskrit; ada hubungan linier antara energi dan frekuensi seperti halnya apa yang dikemukakan oleh Planck dan Einstein

slide10

Dalam model atom Bohr :

energi dan momentum sudutelektron dalam orbitterkuantisasi

Setiap orbit ditandai dengan dua macam bilangan kuantum:

bilangan kuantum prinsipal,n

bilangan kuantum sekunder,l

slide11

Jari-Jari Atom Bohr

Untuk atom hidrogen padaground state, di mana n = 1 dan Z= 1,

maka r = 0,528 Å

slide12

bilangan kuantum prinsipal

n :

1 2 3 4 5

1,51

energi total [ eV ]

 1,89 eV

3,4

 10,2 eV

13,6

ground state

Tingkat-Tingkat Energi Atom Hidrogen

slide13

5

4

Tingkat Energi

3

deret Paschen

2

deret Balmer

1

deret Lyman

Spektrum Atom Hidrogen

slide15

Gelombang Tunggal

bilangan gelombang

Kecepatan rambat gelombang dicari dengan melihat perubahan posisi amplitudo

Kecepatan ini disebut kecepatan fasa

Paket Gelombang

Paketgelombangadalahgelombang komposit yang merupakan jumlah dari n gelombang sinus

dengank0 , 0, A0, berturut-turut adalah nilai tengah dari bilangan gelombang, frekuensi dan amplitudo

slide16

Bilangan gelombang: k

variasik sempit

Perbedaan nilai k antara gelombang-gelombang yang membentuk paket gelombang tersebut sangat kecil  dianggap kontinyu demikian juga selang k sempit sehingga An / A0 ≈ 1.Dengan demikian maka

Pada suatu t tertentu, misalnya pada t = 0 persamaan bentuk amplitudo gelombang menjadi

Karena perubahan nilai k dianggap kontinyu maka

slide17

x

selubung

Persamaan gelombang

Persamaan gelombang komposit untuk t = 0 menjadi

Persamaan ini menunjukkan bahwa amplitudo gelombang komposit ini terselubung oleh fungsi

lebar paket gelombang

slide18

KecepatanGelombang

kecepatan fasa:

kecepatan group: Amplitudo gelombang akan mempunyai bentuk yang sama bilaS(x,t) = konstan. Hal ini terjadi jika ()t = (k)x untuk setiap n

Kecepatan group ini merupakan kecepatan rambat paket gelombang

Panjang gelombang de Broglie, Momentum, Kecepatan

Einstein : energi photon

de Broglie:energielektron

konstanta Planck

momentum

Panjang gelombang

Momentum

Kecepatan

slide19

Elektron Sebagai Partikel dan Elektron Sebagai Gelombang

Elektron dapat dipandang sebagai gelombang tidaklah berarti bahwa elektron adalah gelombang; akan tetapi kita dapat mempelajari gerakan elektron dengan menggunakan persamaan diferensial yang sama bentuknya dengan persamaan diferensial untuk gelombang.

Elektron sebagai partikel:

massa tertentu, m.

Elektron sebagai gelombang

massa nol, tetapi  = h/mve.

Elektron sebagai partikel:

Etotal= Ep+ Ek= Ep+ mve2/2.

Elektron sebagai gelombang:

Etotal = hf = ħ.

Elektron sebagai partikel:

p = mve2

Elektron sebagai gelombang:

p = ħk = h/.

Dalam memandang elektron sebagai gelombang, kita tidak dapat menentukan momentum dan posisi elektron secara simultan dengan masing-masing mempunyai tingkat ketelitian yang kita inginkan secara bebas. Kita dibatasi oleh prinsip ketidakpastian Heisenberg: px  h. Demikian pula halnya dengan energi dan waktu: Et  h .

slide21

Sebagaipartikelelektronmemilikienergi

energikinetik + energipotensial

E merupakan fungsi p dan x

H = Hamiltonian

H

(

p

,

x

)

V

(

x

)

-

=

-

x

x

Turunan H(p,x)terhadap p memberikan turunan x terhadap t.

Turunan H(p,x) terhadap x memberikan turunan p terhadap t.

slide22

Gelombang :

u merupakan fungsi t dan x

Turunanuterhadapt:

Turunanuterhadapx:

Operator energi

Operator momentum

slide23

Hamiltonian:

Operator:

Jika H(p,x) dan E dioperasikan pada fungsi gelombang  maka diperoleh

Inilahpersamaan Schrödinger

satu dimensi

tiga dimensi

slide24

Persamaan Schrödinger BebasWaktu

Aplikasipersamaan Schrödinger dalambanyakhalhanyaberkaitandenganenergipotensial, yaitubesaran yang

hanyamerupakanfungsiposisi

Oleh karena itu jika persamaan tersebut diupayakan tidak merupakan fungsi yang bebas waktu agar penanganannya menjadi lebih sederhana

Jikakitanyatakan:

makadapatdiperoleh

sehingga

Satudimensi

Tiga dimensi

slide25

FungsiGelombang

Persamaan Schrödinger adalah persamaan diferensial parsial dengan  adalah fungsi gelombang dengan pengertian bahwa

adalah probabilitas keberadaan elektron pada waktu tertentu dalam volume dx dy dz di sekitar titik (x, y, z)

Jadi persamaan Schrödinger tidak menentukan posisi elektron melainkan memberikan probabilitas bahwa ia akan ditemukan di sekitar posisi tertentu. Kita juga tidak dapat mengatakan secara pasti bagaimana elektron bergerak sebagai fungsi waktu karena posisi dan momentum elektron dibatasi oleh prinsip ketidakpastian Heisenberg

Contoh kasus satu dimensi pada suatu t = 0

slide26

PersyaratanFungsiGelombang

Elektron sebagai suatu yang nyata harus ada di suatu tempat. Oleh karena itu fungsi gelombang (untuk satu dimensi) harus memenuhi:

Fungsi gelombang , harus kontinyu sebab jika terjadi ketidak-kontinyuan hal itu dapat ditafsirkan sebagai rusaknya elektron, suatu hal yang tidak dapat diterima.

Turunan fungsi gelombang terhadap posisi,juga harus kontinyu, karena turunan fungsi gelombang terhadap posisi terkait dengan momentum elektron Oleh karena itu persyaratan ini dapat diartikan sebagai persayaratan kekontinyuan momentum.

Fungsi gelombang harus bernilai tunggal dan terbatas sebab jika tidak akan berarti ada lebih dari satu kemungkinan keberadaan elektron.

Fungsi gelombang tidak boleh sama dengan nol di semua posisi sebab kemungkinan keberadaan elektron haruslah nyata, betapapun kecilnya.

slide27

Im

Re

AplikasiPersamaan Schrödinger

ElektronBebas

Elektronbebasadalahelektron yang tidakmendapatpengaruhmedanlistriksehinggaenergipotensialnyanol, V(x) = 0

solusi

harus berlaku untuk semua x

Persamaan gelombang elektron bebas

Energi elektron bebas

slide28

I

II

III

V=

V=0

V=

1

2

3

0

x

L

Fungsi gelombang

Elektron di Sumur Potensial yang Dalam

Daerah I dan daerah III adalah daerah-daerah dengan V = ,

daerah II, 0 < x < L, V = 0

Elektron yang berada di daerah II terjebakdalam “sumurpotensial”

Sumurpotensialinidalamkarena di daerah I dan II V = 

Energi elektron

Probabilitas ditemukannya elektron

slide29

Fungsi gelombang

*

Probabilitas ditemukan elektron

0 x L

a). n = 1

*

*

Energielektron

0 L

0 L

c). n = 3

b).n = 2

Fungsi gelombang, probabilitas ditemukannya elektron, dan energi elektron, tergantung dari lebar sumur, L

slide30

V

a

*

*

*

*

E

E

E

0 L

0 L

0 L

0 L

a)

b)

c)

d)

Pengaruhlebarsumurpadatingkat-tingkatenergi

Makin lebarsumurpotensial, makinkecilperbedaanantaratingkat-tingkatenergi

n

= 3

V

n

= 2

V’

n

= 1

Elektron di Sumur Potensial yang Dangkal

0 L

0

L’

Probabilitas keberadaan elektron tergantung dari kedalaman sumur

Jikadidingsumur tipis, elektronbisa “menembus” dindingpotensial

Makin dangkalsumur, kemungkinankeberadaanelektron di luarsumurmakinbesar

slide31

Persamaan ini adalah persamaan satu dimensi yang memberikan energi elektron:

Sumurtigadimensi

z

Lz

y

Ly

Lx

x

Arah sumbu-x

Untuktigadimensidiperoleh:

Tiganilaienergisesuaiarahsumbu

slide33

z

elektron

r

inti atom

y

x

Persamaan Schrödinger dalamKoordinat Bola

inti atom berimpit dengan titik awal koordinat

persamaan Schrödinger dalam koordinat bola

Jikakitanyatakan:

kitaperolehpersamaan yang berbentuk

mengandung r

tidak mengandung r

salah satu kondisi yang akan memenuhi persamaan ini adalah jika keduanya = 0

slide34

Persamaan yang mengandung r saja

fungsigelombang R hanyamerupakanfungsir simetri bola

kalikan dengan

kalikan dengan dan kelompokkan

suku-suku yang berkoefisien konstan

Iniharusberlakuuntuksemuanilair

Salah satukemungkinan:

slide35

salah satu solusi:

Inilah nilai E yang harus dipenuhi agar R1 merupakan solusi dari kedua persamaan

Energi elektron pada status ini diperoleh dengan masukkan nilai-nilai e, m, dan h

Probabilitas keberadaan elektron dapat dicari dengan menghitung probabilitas keberadaan elektron dalam suatu “volume dinding” bola yang mempunyai jari-jari r dan tebal dinding r.

slide36

Pe

Pe1

r0

r [Å]

probabilitas maksimum ada di sekitar suatu nilai r0 sedangkan di luar r0 probabilitas ditemukannya elektron dengan cepat menurun

keberadaan elektron terkonsentrasi di sekitar jari-jari r0 saja

Inilah struktur atom hidrogen yang memiliki hanya satu elektron di sekitar inti atomnya dan inilah yang disebut status dasar atau ground state

slide37

R

R1

R2

R3

*

*

*

r[Å]

0 x L

0 L

0 L

c). n = 3

b).n = 2

a). n = 1

Adakah Solusi Yang Lain?

Kita ingat:

Energi Elektron terkait jumlah titik simpul fungsi gelombang

solusi yang lain:

bertitik simpul dua

bertitiksimpultiga

Solusi secara umum:

polinom

slide38

Pe

Pe1

Pe2

Pe3

r[Å]

probabilitaskeberadaanelektron

Tingkat-Tingkat Energi Atom Hidrogen

bilangan kuantum prinsipal

n

1 2 3 4 5

energi total [ eV ]

1,51

 1,89 eV

3,4

 10,2 eV

13,6

ground state

slide39

Momentum Sudut

Momentum sudut juga terkuantisasi

bilangan bulat positif

Momentum sudut ditentukan oleh dua macam bilangan bulat:

l : menentukanbesar momentum sudut, dan

ml : menentukan komponen zatau arah momentum sudut

Nilai l dan ml yang mungkin :

dst.

l disebut bilangan kuantum momentum sudut, atau bilangan kuantum azimuthal

mladalah bilangan kuantum magnetik

slide40

bilangan kuantum utama

n :

1 2 3 4 5

3s, 3p, 3d

1,51

2s, 2p

3,4

energi total

[ eV ]

0

1s

13,6

Bohr

lebih cermat

Bilangan Kuantum

  • Ada tiga bilangan kuantum yang sudahkitakenal, yaitu:
  • bilangan kuantum utama, n, yang menentukan tingkat energi;
  • bilangan kuantum momentum sudut, atau bilangan kuantum azimuthal, l;
  • bilangan kuantum magnetik, ml .

(4)Spin Elektron:

 ½ dikemukakan oleh Uhlenbeck

slide41

Konfigurasi Elektron Dalam Atom Netral

Kandungan elektron setiap tingkat energi

slide42

1s

inti atom

2s

inti atom

Orbital

Penulisan konfigurasi elektron unsur-unsur

H: 1s1;

He: 1s2

Li: 1s2 2s1;

Be: 1s2 2s2;

B: 1s2 2s2 2p1;

C: 1s2 2s2 2p2;

N: 1s2 2s2 2p3;

O: 1s2 2s2 2p4;

F: 1s2 2s2 2p5;

Ne: 1s2 2s2 2p6.........dst

slide43

energi

Diagram Tingkat Energi

tingkat 4ssedikitlebihrendahdari 3d

slide44

Pengisian Elektron Pada Orbital

H: pengisian 1s;

He: pemenuhan 1s;

Li: pengisian 2s;

Be: pemenuhan 2s;

B: pengisian 2px dengan 1 elektron;

C: pengisian 2py dengan 1 elektron;

N: pengisian 2pz dengan 1 elektron;

O: pemenuhan 2px;

F: pemenuhan 2py;

Ne: pemenuhan 2pz.

slide45

Tingkat energi 4s lebih rendah dari 3d. Hal ini terlihat pada perubahan konfigurasi dari Ar (argon) ke K (kalium).

Ar: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

K: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 (bukan 3d1)

Ca: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 (bukan 3d2)

Sc: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1 4s2 (orbital 3d baru mulai

terisi setelah 4s penuh)

Y: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2 (dan unsur selanjutnya

pengisian 3d sampai penuh)

slide46

Blok s Blok d Blok p

Blok-Blok Unsur

pengisian orbital d

pengisian orbital s

pengisian orbital p

slide47

Ionisasi dan Energi Ionisasi

Ionisasi:

Energiionisasiadalahjumlah energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron terluar suatu unsur guna membentuk ion positif bermuatan +1.

Energi ionisasi dalam satuan eV disebut juga potensial ionisasi.

Potensial ionisasi didefinisikan sebagai energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron yang paling lemah terikat pada atom. Pada atom dengan banyak elektron, pengertian ini sering disebut sebagai potensial ionisasi yang pertama, karenasesudahionisasi yang pertamainibisaterjadiionisasilebihlanjutdenganterlepasnyaelektron yang lebihdekatkeinti atom.

Energi Ionisasi [eV]

slide48

p

p

p

s

d

s

s

Energi Ionisasi

Di setiapblokunsur, energiionisasicenderungmeningkatjikanomer atom makinbesar

Energiionisasiturunsetiap kali pergantianblokunsur

slide49

Afinitas Elektron

Afinitas elektron adalah energi yang dilepaskan jika atom netral menerima satu elektron membentuk ion negatif bermuatan 1.

Afinitas elektron dinyatakan dengan bilangan negatif, yang berarti pelepasan energi.

Afinitas elektron merupakan ukuran kemampuan suatu unsur untuk menarik elektron, bergabung dengan unsur untuk membentuk ion negatif. Makin kuat gaya tarik ini, berarti makin besar energi yang dilepaskan. Gaya tarik ini dipengaruhi oleh jumlah muatan inti atom, jarak orbital ke inti, dan screening (tabir elektron).

slide51

BilanganKuantum :

Bilangankuantum : prinsipal: n = 1, 2, 3, dst

azimuthal: l = 0, 1, 2, 3 : s, p, d, f

magnetik: ml = lsampai +l

spin elektron: ms = +1/2 dan1/2

Pauli Exclusion Prinsiple: setiapstatus hanyadapatditempatitidaklebihdarisatuelektron

slide53

Gaya Ikat

Gaya Ikat : gaya yang menyebabkan dua atom menjadi terikat; gaya ini terbentuk jikaterjadi penurunan energi ketika dua atom saling mendekat

Ikatan Primer : Kuat

Ikatan Sekunder : Lemah

Ikatan Hidrogen

IkatanKovalen

Ikatan van der Waals

Ikatan Metal

Ikatan Ion

slide54

IkatanBerarahdanTakBerarah

Ikatan berarah:

kovalen

dipole permanen

Ikatan tak berarah:

metal

ion

van der Waals

terutama pada Ikatan metal yang terjadi antara sejumlah besar atom

terutama terjadi pada ikatan kovalenantara unsur non metal: Nitrogen; Oksigen; Carbon; Fluor; Chlor

atom dengan ikatan tak berarah pada umumnya terkumpul secara rapat (kompak) dan mengikuti aturan geometris yang ditentukan oleh perbedaan ukuran atom

atom dengan ikatan berarah akan terkumpul sedemikian rupa sehingga terpenuhi sudut ikatan

walaupun kita bedakan ikatan atom berarah dan ikatan tak berarah, namum dalam kenyataan material bisa terbentuk dari campuran dua macam ikatan tersebut

slide55

simetri bola

Atom denganikatantakberarah

Sifat ikatan : Jumlah diskrit

Arah tidak diskrit

Contoh : H2

atom H memiliki 1 elektron di orbital 1s

namun ikatan 2 atom H tetap diskrit : setiap atom H hanya akan terikat dengan satu atom H yang lain

slide56

z

z

z

2py

2px

2pz

y

y

y

x

x

x

Atom denganikatanberarah

ditentukan oleh status kuantum dari elektron yang berperan dalam terbentuknya ikatan

Sifatikatan : Jumlahdiskrit

Arahdiskrit

Hanya orbital yang setengah terisi yang dapat berperan dalam pembentukan ikatan kovalen; oleh karena itu jumlah susunan ikatan ditentukan oleh jumlah elektron dari orbital yang setengah terisi.

Elektron di orbital selain orbital sakanmembentukikatan yang memilikiarahspasialtertentudanjugadiskrit; misal orbital pakanmembentukikatandenganarahtegaklurussatusama lain.

slide57

O

+

H

H

+

dipole

104o

H

dipole

F

Contoh :

1 H: 1s1

8 O: [He]2s22p4

1 H: 1s1

9 F: [He]2s22p5

slide58

Hibridadarifungsigelombang s dan p

6 C: [He]2s22p2

Hibrida dari fungsi gelombang s dan p pada karbon membuat karbon memiliki 4 ikatan yang kuat mengarah ke susut-sudut tetrahedron

Intan dan methane (CH4) terbentuk dari ikatan hibrida ini.

14Si[Ne]3s23p2

juga membentuk orbital tetrahedral seperti karbon karena hibrida 3s-sp, 4s-4p, dan 5s-5p, sama dengan 2s-2p.

32Ge[Ar]3d104s24p2

50Sn[Kr]4d105s25p2

slide59

H

C

H

H

H

Karenaikatankovalenadalahdiskritdalamjumlahmaupunarah, makaterdapatbanyakkemungkinanstrukturikatantergantungdariikatanmana yang digunakanolehsetiap atom.

Contoh: senyawa hidrokarbon yang terdiri hanya dari atom C dan H.

H

|

HCH

|

H

Methane : CH4. Ikatannya adalah tetrahedral CH

slide60

Ethane : C2H6. Memilikisatuikatan CC

H H

| |

HCCH

| |

H H

Propane : C3H8. Memiliki dua ikatan CC

H H H

| | |

HCCCH

| | |

H H H

dst.

slide61

Rantaianpanjangbisadibentukolehribuanikatan CC.

Simetriikatan atom karbondalammolekuliniadalah tetrahedral, dansatuikatan CC dapatdibayangkansebagaiduatetrahedra yang berikatansudut-ke-sudut.

Variasi ikatan bisa terjadi sebab tetrahedra pengikat, selain berikatan sudut-ke-sudut dapat pula berikatan sisi-ke-sisi (ikatan dobel)

dan juga berikatan bidang-ke-bidang (ikatan tripel).

Contoh: ethylene C2H4,

Contoh: acetylene C2H2

H H

| |

HCCH

HCCH

slide62

Peningkatankekuatanikatansebagaihasildariterjadinyaikatan multiple disertaipenurunanjarakantar atom karbon.

1,54 Ä padaikatantunggal,

1,33 Ä padaikatandobel,

1,20 Ä padaikatantripel.

Ikatan CC juga bisa digabung dari ikatan tunggal dan ikatan dobel, seperti yang terjadi pada benzena.

slide63

Susunan Atom-atom yang BerikatanTakBerarah

Atom berukuran sama

Atom-atom material padat akan terkumpul secara ringkas / kompak menempati ruang sekecil mungkin.

Dengan cara ini jumlah ikatan per satuan volume menjadi maksimum yang berarti energi ikatan per satuan volume menjadi minimum.

Sebagai pendekatan pertama kita memandang atom sebagai kelereng keras.

Secara geometris, ada 12 kelereng yang dapat berposisi mengelilingi 1 kelereng (terletak di pusat) dan mereka saling menyentuh satu sama lain.

Ada 2 macamsusunankompak yang teramatipadabanyakstruktur metal danelemenmulia, yaitu

hexagonal close-packed (HCP)dan

face-centered cubic(FCC).

slide64

Face-Centered Cubic (FCC)

Hexagonal Closed-Packed (HCP)

6 atom mengelilingi 1 atom di bidang tengah

6 atom mengelilingi 1 atom di bidang tengah

3 atom di bidang atas, tepat di atas 3 atom yang berada di bidang bawah,

3 atom di bidang atas, berselang-seling di atas 3 atom di bidang bawah,

slide65

Semuaelemenmuliamembentukstrukturkompakjikamembekupadatemperatursangatrendah,

Sekitar 2/3 darijenis metal membentukstruktur HCP atau FCC padatemperaturkamar.

1/3 dari jenis metal yang tidak membentuk struktur struktur kompak pada temperatur kamar adalah metal alkali (Na, K, dll) dan metal transisi (Fe, Cr, W, dsb). Mereka cenderung membentuk struktur body-centered cubic (BCC).

Walaupun kurang kompak, susunan ini memiliki energi total relatif rendah.

Kebanyakan metal alkali berubah dari BCC ke FCC atau HCP pada temperatur yang sangat rendah. Hal ini menunjukkan bahwa susunan kurang kompak yang terjadi pada temperatur kamar adalah akibat dari pengaruh energi thermal

Susunan BCC pada metal transisi diduga sebagai akibat dari ikatan metal ini yang sebagian berupa ikatan kovalen (yang merupakan ikatan berarah).

slide66

Susunan Atom-atom yang BerikatanTakBerarah

Atom berukuran tidak sama

Ikatan ion membentukstruktur yang terdiridari atom-atom yang berbedaukurankarena anion dankationpadaumumnyasangatberbedaukuran.

Perbedaaniniterjadikarena transfer elektron

dari atom yang elektro-positifke atom yang elektronegatif

membuatukuran anion > kation.

Kation :

ion positif sebagai hasil dari atom elektropositif yang kehilangan satu atau lebih elektron.

Anion :

ion negatif sebagai hasil dari atom elektronegatif yang memperoleh tambahan elektron.

Ikataninitakberarahdanjugatidakdiskrit, namunpadaskalabesarkenetralanharustetapterjaga.

slide67

BilanganKoordinasi

Bilangan yang menunjukkanperbandinganjumlah ion elemen A yang mengelilingi ion elemen K yang lebihkecildisebutbilangankoordinasi (Ligancy).

BilanganKoordinasitergantungdariperbedaan radius antara

Kationdan Anion

makinbesarperbedaannya, ligancyakansemakinkecil.

[2]

slide69

HCP

FCC

Rasio radius di mana anion salingmenyentuhdanjugamenyentuhkationsentraldisebutrasio radius kritis, sebab di bawahrasioinijarakkation-anion menjadilebihbesardibandingjarakkeseimbanganantar ion.

Polyhedra yang terbentukdenganmenghubungkanpusat-pusat anion yang mengelilingikationsentraldisebutpolihedra anionataupolihedrakoordinasi.

slide70

H

HCP

C

H

H

H

Polihedraikatandanpolihedrakoordinasidapatdilihatsebagai sub-unit yang jikadisusunakanmembentukstrukturpadatantigadimensi.

Cara bagaimana mereka tersusun akan menentukan apakah material berbentuk kristal atau nonkristal (gelas) dan jika berbentuk kristal struktur kristalnya akan tertentu.

Polihedra ini bukan besaran fisis tetapi hanya merupakan sub-unit yang lebih mudah dibayangkan daripada atom, dan dengan menggunakan pengertian ini dapat dilakukan pembahasan mengenai struktur lokal secara terpisah dari struktur besarnya (struktur makro).

slide71

Polihedrakoordinasiberperilakusebagaisuatu unit yang eratterikatjikavalensi atom sentrallebihdarisetengahdari total valensi atom yang terikatdengannya. Jikavalensi atom sentralsamadenganvalensi total atom yang mengelilinginyamaka sub-unit ituadalahmolekul.

Titik leleh suatu material bergantung dari kekuatan ikatan atom. Ia makin rendah jika polihedra sub-unit terbangun dari kelompok atom yang diskrit, yang terikat satu sama lain dengqan ikatan sekunder dibandingkan dengan bila ikatannya primer.

Contoh:

methane, CH4,titikleleh 184oC;

ethane, C2H6, titikleleh 172oC;

polyethylene, titikleleh 125oC;

polyethylene salingterikatdenganikatan C-C

dapatstabilsampai 300oC.

slide73

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
slide74

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-kisiruangadalahsusunantigadimensititik-titik di manasetiaptitikmemilikilingkungan yang serupa. Titikdenganlingkungan yang serupaitudisebuttitikkisi (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.

slide76

Setiaptitikkisidapatditempatiolehsatuataulebih atom, tetapi atom ataukelompok atom padasatutitikkisiharuslahidentikdenganorientasi yang sama agar memenuhidefinisikisiruang.

Susunan atom dapatdisebutkansecaralengkapdenganmenyatakanposisi atom dalamsuatu unit yang secaraberulangtersusundalamkisiruang. Unit yang berulangitudisebutselsatuan.

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.

slide77

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

slide78

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.

slide79

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.

slide80

[2]

Atom Group V (P, As, Sb, Bi)

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

slide81

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.

slide82

Contohstrukturkristalionik

Kation

Anion

oktahedron

tetrahedron

slide83

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

slide84

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.

slide85

Jikamolekulmembentukrantaianpanjangdenganpenampangmelintang yang mendekatisimetris, merekabiasanyamengkristaldalamkisi-kisiberbentukorthorhombicataumonoclinic.

Molekul polyethylene

dilihatdaridepan

Kebanyakanpolimer yang terbentuklebihdariduamacam atom, memilikiketidak-teraturan yang membuatiatidakmengkristal. Walaupundemikianada yang memilikipenampangsimetrisdanmudahmengkristal, sepertipolytetrafluoroethylene (Teflon).

Molekul polytetrafluoroethylene

Polimer yang kompleks pun masihmungkinmemilikistruktur yang simetrisdandapatmengkristalsepertihalnya cellulose.

slide86

KetidaksempurnaanPada Kristal

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
slide87

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)

slide88

Ketidaksempurnaantitikpadakristalionik

pasangantempatkosong yang ditinggalkandankation yang meninggalkannya

kekosongankationberpasangandengankekosongan anion

ketidaksempurnaanSchottky

ketidaksempurnaanFrenkel

pengotoran

substitusi

pengotoran

interstitial

kekosongan kation

slide89

Dislokasi

Dislokasimerupakanketidak-sempurnaankristalkarenapenempatan atom yang tidakpadatempat yang semestinya.

vector

Burger

screw dislocation

edge dislocation

slide91

Melihatstrukturnya, material nonkristaldapatdikelompokkanmenjadiduakelompokutama, yaitu:

a) struktur yang terbangundarimolekulberbentukrantaipanjang

b) struktur yang terbangundarijaringantigadimensi

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.

slide92

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

slide93

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

slide94

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

slide95

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.

slide96

Kopolimerisasiataupembentukankopolimer, selalumenyebabkanketidak-teraturandanolehkarenaitumendorongterbentuknyastrukturnonkristal.

(a) dua macam polimer tersusun secara acak sepanjng rantai.

(b) susunanberselang-selingsecarateratur

(c) susunankopolimersecarablok

(d) salahsatumacampolimermenjadicabangrantaianmacampolimer yang lain

slide97

Cross-Linking

Cross-linkingmerupakanikatanantarrantaianpanjang yang terjadi di berbagaititik, danikataninimerupakanikatan primer.

Cross-linkbisaterbentukolehsegmenkecildarirantaian.

Cross-linkbisajugaterbentukoleh atom ataumolekulasing.

slide98

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

slide99

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

slide100

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.

slide101

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).

slide103

Planck :

energi photon

(partikel)

De Broglie :

Elektron sbg gelombang

Ulas UlangKuantisasiEnergi

frekuensi gelombang cahaya

bilanganbulat

h = 6,63  10-34 joule-sec

bilangangelombang:

momentum:

energi kinetik elektron sbg gelombang :

slide105

0

7

7

7

7

6

6

6

7

6

5

5

5

6

5

4

4

4

1

5

3

4

3

2

4

3

3

2

4

5

3

6

Makin tingginomer atom, atom akanmakinkompleks, tingkatenergi yang terisimakinbanyak.

[6]

Sodium

Hidrogen

E [ eV ]

5,14

Kemungkinan terjadinya transisi elektrondarisatutingkatketingkat yang lain semakinbanyak

slide106

Molekul

Molekul lebih kompleks dari atom; tingkat-tingkat energi lebih banyak karena energi potensial elektron yang bergerak dalam medan yang diberikan oleh banyak inti atom tidaklah sederhana.

Lebih dari itu, energi vibrasi dan rotasi atom secara relatif satu terhadap lainnya juga terkuantisasi seperti halnya terkuantisasinya energi elektron pada atom.

Transisidarisatutingkatketingkat yang lain semakinbanyakkemungkinannya, sehinggagaris-garisspektrumdarimolekulsemakinrapatdanmembentukpita.

Timbullahpengertianpita energiyang merupakankumpulantingkatenergi yang sangatrapat.

slide107

Penggabungan 2 atom H membentukmolekul H2

10

8

6

E [ eV ]

Ikatantakstabil

4

2

0

2

1

3

Ikatanstabil

Å

jarakantar atom

2

R0

4

slide108

Pada penggabungandua atom, tingkatenergidenganbilangankuantumtertinggiakanterpecah lebih dulu

Elektron yang berada di tingkatenergiterluardisebutelektronvalensi

Elektronvalensiiniberpartisipasidalampembentukanikatan atom.

Elektron yang beradapadatingkatenergi yang lebihdalam (lebihrendah) disebutelektroninti;

slide109

Padatan

Gambaran tentang terbentuknya molekul dapat diperluas untuk sejumlah atom yang besar yang tersusun secara teratur, yaitu kristal padatan.

Dalam penggabungan N atom identik, setiap tingkat energi terpecah menjadi N tingkat dan setiap tingkat akan mengakomodasi sepasang elekron dengan spin yang berlawanan ( ms = ± ½ ).

n = 3

Energi

n = 2

n = 1

Jarak antar atom

slide110

0

3d

3p

4s

3s

10

R0 = 3,67 Å

E [ eV ]

20

30

2p

0

5

10

Å

15

[6]

sodium

slide111

Cara penempatanelektronpadatingkat-tingkatenergimengikutiurutansederhana: tingkatenergi yang paling rendahakanterisilebihdulu, menyusultingkat di atasnya, danseterusnya.

Pada 0o K semua tingkat energi sampai ke tingkat EF terisi penuh, dan semua tingkat energi di atas EF kosong.

EF, tingkatenergitertinggi yang terisidisebuttingkat Fermi, atauenergi Fermi.

Pada temperatur yang lebih tinggi, beberapa tingkat energi di bawah EF kosong karena elektron mendapat tambahan energi untuk naik ke tingkat di atasEF.

slide112

Elektronvalensi yang beradapadatingkatenergi Fermi ataupun di atasenergi Fermi, beradapadasalahsatutingkatenergi yang dimilikiolehkristal.

Jumlah tingkat energi yang dimiliki oleh kristal sangat banyak dan sangat rapat sehingga hampir merupakan perubahan yang kontinyu. Oleh karena itu, elektron pada tingkat energi Fermi yang bergerak dalam kristal dapat dipandang sebagai elektron bebas.

Elektron yang bergerak dengan kecepatan tertentu memiliki energi kinetik dan bilangan gelombang, k, tertentu.

Gerakan elektron tersebut mengalami hambatan karena ada celah energi.

slide113

Konduktor, Isolator, Semikonduktor

Jikabanyak atom bergabungmenjadipadatan, tingkatvalensiterluardarisetiap atom cenderungakanterpecahmembentuk pita energi. Tingkat-tingkatenergi yang lebihdalam, yang disebuttingkatinti, tidakterpecah.

Setiaptingkatvalensidaridarisuatupadatan yang terdiridariN atom berbentuk pita valensi yang terdiridariN tingkatenergi.

Dengandemikianmakatingkatvalensis yang di tiap atom memuat 2 elektron, akanmenjadi pita s yang dapatmenampung 2Nelektron.

Tingkat valensip yang di tiap atom memuat 6 elektron, akanmenjadi pita p yang dapatmenampung 6Nelektron.

gambaran pita pita energi pada suatu padatan
Gambaran pita-pita energi pada suatu padatan

Pita-pita energi yang terjadidalampadatandapatdigambarkansebagaiberikut:

pita p

celah energi

pita s

slide115

Pita energi paling luar, jikaiahanyasebagianterisidanpadanyaterdapattingkat Fermi, disebutsebagaipita konduksi.

Pada metal, pita valensi biasanya hanya sebagian terisi

Sodium

kosong

celah energi

kosong

EF

pita valensi

terisi

pita konduksi

slide116

Padabeberapa metal, pita valensiterisipenuh. Akan tetapi pita inioverlapdengan pita di atanya yang kosong. Pita yang kosonginimemfasilitasitingkatenergi yang denganmudahdicapaiolehelektron yang semulaberada di pita valensi.

Magnesium

kosong

EF

terisipenuh

pita valensi

slide117

Padabeberapa material, pita valensiterisipenuhdan pita valensiinitidakoverlapdengan pita di atasnya yang kosong. Jadiantara pita valensidan pita di atasnyaterdapatcelahenergi.

Intan

Silikon

kosong

kosong

celahenergi

celahenergi

terisipenuh

terisipenuh

pita valensi

isolator

semikonduktor

slide119

[6]

Konduktor

Isolator

slide120

Model KlasikSederhana

Jikapadasuatu material konduktorterjadiperbedaanpotensial, aruslistrikakanmengalirmelaluikonduktortersebut

kuat medan [volt/meter]

kerapatan arus [ampere/meter2]

resistivitas [m]

konduktivitas [siemens]

slide121

Medan listrik E memberikan gaya dan percepatan pada elektron sebesar

Karena elektron tidak terakselerasi secara tak berhingga, maka dapat dibayangkan bahwa dalam pergerakannya ia harus kehilangan energi pada waktu menabrak materi pengotor ataupun kerusakan struktur pada zat padat.

Jika setiap tabrakan membuat elektron kembali berkecepatan nol, dan waktu antara dua tabrakan berturutan adalah 2 maka kecepatan rata-rata adalah:

slide122

benturan

Model KlasikSederhana

kecepatan

waktu

4

6

0

2

kerapatan arus

Jikatakadamedanlistrik, elektronbebasbergerakcepatpadaarah yang acaksehinggatakadaaliranelektronnetto. Medan listrikakanmembuatelektronbergerakpadaarah yang sama.

kerapatan elektron bebas

slide123

TeoriDrude-Lorentz TentangMetal

1900: Drudemengusulkanbahwakonduktivitaslistriktinggipada metal dapatdijelaskansebagaikontribusidarielektronvalensi yang dianggapdapatbergerakbebasdalam metal, sepertihalnyamolekul gas bergerakbebasdalamsuatuwadah. GagasanDrudeinidikembangkanlebihlanjutoleh Lorentz.

Elektrondapatbergerakbebasdalamkristal metal padapotensial internal yang konstan. Ada dindingpotensialpadapermukaan metal, yang menyebabkanelektrontidakdapatmeninggalkan metal.

Semua elektron bebas berperilaku seperti molekul gas (mengikuti statistik Maxwell-Boltzmann); elektron ini memiliki distribusi energi yang kontinyu.

Gerakan elektron hanya dibatasi oleh tabrakan dengan ion-ion metal.

slide124

Medan listrikEmemberikangayadanpercepatanpadaelektronsebesar

Integrasi a terhadap waktu memberikan kecepatan elektron, yang disebut kecepatan drift :

slide125

Kecepatandriftiniberubahdari 0 sampaivdriftmaks , yaitukecepatansesaatsebelumtabrakandengan ion metal.

Kecepatan drift rata-rata dapat didekati dengan:

Jika jalan bebas rata-rata elektron adalah L maka waktu rata-rata antara tabrakan dengan tabrakan berikutnya adalah

kecepatan thermal

slide127

Model Pita Energiuntuk Metal

Pita energi paling luar, jikaiahanyasebagianterisidanpadanyaterdapattingkat Fermi, disebutsebagaipita konduksi.

Pada metal, pita valensi biasanya hanya sebagian terisi

Sodium

kosong

celahenergi

kosong

pita valensi

EF

terisi

pita konduksi

slide128

Padabeberapa metal, pita valensiterisipenuh. Akan tetapi pita inioverlapdengan pita di atasnyayang kosong. Pita yang kosonginimemfasilitasitingkatenergi yang denganmudahdicapaiolehelektron yang semulaberada di pita valensi.

Magnesium

kosong

EF

terisipenuh

pita valensi

slide129

Model MekanikaGelombang

Dalam model mekanikagelombang, elektrondipandangsebagaipaketgelombang, bukanpartikel.

f = frekuensi DeBroglie

k = bilangan gelombang

Kecepatan grup dari paket gelombang adalah

Karena E = hf , maka:

Percepatan yang dialami elektron adalah

slide130

Percepatan yang dialamielektronadalah

Percepatan ini terjadi karena ada medan listrik E, yang memberikan gaya sebesar eE

Gaya sebesar eE memberikan laju perubahan energi kinetik pada elektron bebas sebesar

Sehinggapercepatanelektronmenjadi:

slide131

percepatanelektron:

Bandingkan dengan relasi klasik:

Kita definisikan massa efektif elektron:

Untuk elektron bebas m* = me .

Untuk elektron dalam kristal m* tergantung dari energinya.

slide132

E

k

k1

+k1

celah energi

sifat klasik

m* = mejika energinya tidak mendekati batas pita energi dan kurva E terhadap k berbentuk parabolik

Pada kebanyakan metal m* = mekarena pita energi tidak terisi penuh. Pada material yang pita valensinya terisi penuh m*  me

slide133

TeoriSommerfeldTentang Metal

Metal dilihat sebagai benda padat yang kontinyu, homogen, isotropik.

GambarantentangelektronsepertipadateoriDrude-Lorentz; elektronbebasaberadapadapotensial internal yang konstan.

Perbedaannyaadalahbahwaelektrondalamsumurpotensialmengikutiteorikuantumdanbukanmekanikaklasik

Berapa statuskah yang tersedia untuk elektron atau dengan kata lain bagaimanakah kerapatan status?

Bagaimana elektron terdistribusi dalam status yang tersedia dan bagaimana mereka berpartisipasi dalam proses fisika?

Kita lihatlagiPersamaan Schrödinger

slide134

z

Lz

y

Ly

Lx

x

AplikasiPersamaan Schrödinger: Kasus 3 Dimensi

Sumur tiga dimensi

slide135

z

Lz

y

Ly

Lx

x

Aplikasi Persamaan Schrödinger; Kasus 3 Dimensi

Sumur tiga dimensi

slide136

Energielektron :

Energi elektron dinyatakan dalam momentumnya:

sehingga :

momentum :

slide137

py

0

px

momentum :

Tanda ± menunjukkan bahwa arah momentum bisa positif atau negatif.

Pernyataaninimenunjukkanbahwa momentum terkuantisasi.

px, py, pzmembentukruang momentumtigadimensi. Jikaruang momentum berbentukkubus, makasatuansisikubusadalahh/2L

Kwadranpertamaruang momentum (duadimensi):

setiap titik menunjukkan status momentum yang diperkenankan

setiap status momentum menempati ruang sebesar h2/4L2 (kasus 2 dimensi).

slide138

py

py

0

0

px

px

Kwadranpertamaruang momentum (duadimensi)

dp

p

setiap status momentum menempati ruang sebesar h2/4L2

tiga dimensi

slide139

py

dp

p

0

px

tiga dimensi

Karena

maka

massa elektron di sini adalah massa efektif

Inilah kerapatan status. Setiap status mencakup 2 spin

Berapakah yang terisi?

slide140

Tingkat Energi FERMI

Densitas Status pada 0 K

Status energi diisi oleh elektron valensi mulai dari tingkat terendah secra berurut ke tingkat yang lebih tinggi sampai seluruh elektron terakomodasi.

Elektron pada status energi yang paling tinggi analog dengan elektron pada tingkat energi paling tinggi di sumur potensial.

Elektron ini memerlukan tambahan energi sebesar work function untuk meninggalkan sumur potensial.

Status energi paling tinggi, yaitu tingkat yang paling tinggi yang ditempati oleh elektron pada 0 K secara tentatif didefinsikan sebagai tingkat Fermi, EF. (Definisi ini sesungguhnya tidak lengkap, tetapi untuk sementara kita gunakan).

slide141

py

dp

p

0

px

Jika p adalah jarak dari titik pusat ke momentum paling luar, maka akan diperoleh status yang terisi.

Status yang terisi adalah:

Karena

Energi Fermi:

slide142

E1/2

N(E)

EF

E

Densitas & Status terisi pada 0 K

Densitas Status pada 0 K

Jumlah status yang terisi dihitung dari jumlah status momentum yang terisi dalam ruang momentum:

slide143

Jika elektron pada tingkat energi EF kita pandang secara klasik, relasi energi:

di mana TF adalah temperatur Fermi

Pada tingkat energi EF sekitar 4 eV, sedang

maka

Jadi suatu elektron klasik berada pada sekitar 50.000 K untuk setara dengan elektron pada tingkat Fermi.

slide145

Resistivitas

Menurutmekanikagelombangelektronbebasdalamkristaldapatbergeraktanpakehilanganenergi. Setiapkelainanpadastrukturkristalakanmenimbulkanhambatanpadagerakanelektron yang menyebabkantimbulnyaresistansilistrikpada material.

Bahkan pada 0o K, adanya resistansi dapat teramati pada material nyata sebab pengotoran, dislokasi, kekosongan, dan berbagai ketidaksempurnaan kristal hadir dalam material.

Pada metal murni, resistivitas total merupakanjumlahdariduakomponenyaitukomponen thermal T, yang timbulakibatvibrasikisi-kisikristal, danresistivitasresidu r yang disebabkanadanyapengotorandanketidaksempurnaankristal.

konduktivitas

RelasiMatthiessen:

resistivitas total

resistivitas residu

resistivitas thermal

slide146

6

5

Cu, 3.32% Ni

4

Cu, 2,16% Ni

3

 [ohm-m]  108

2

Cu, 1,12% Ni

1

Cu

|

|

200

300 oK

100

[6]

Eksperimenmenunjukkan:

Di atastemperatur Debyekomponen thermal dariresistivitashampir linier terhadaptemperatur:

Temperatur Debye:

frekuensi maks osilasi

konstanta Boltzmann

1,381023 joule/oK

kecepatan rambat suara

panjang gelombang minimum osilator

slide147

0,20

0,15

r / 273

0,10

In dalam Sn

0,05

|

|

|

2%

3%

4%

1%

RelasiNordheim:

konstantatergantungdarijenis metal danpengotoran

konsentrasi pengotoran

Jika x << 1

slide148

P

Fe

2,5108

Cr

 [ohm-meter]

2,0108

Sn

Ag

T (293)

|

|

|

|

1,5108

0

0,05

0,10

0,15

0,20

% berat

PengaruhJenisPengotoranpadaCu

[6]

slide149

+

+

+

+

x

EmisiElektron

Elektronbebasdalam metal tidakmeninggalkan metal, kecualijikamendapattambahanenergi yang cukup.

eF

EF

Hampa

Energi

slide150

A

V

Sumber

tegangan

variabel

Peristiwaphotolistrik

I

3x lumen

cahaya

2x lumen

emitter

collector

x lumen

0

V0

V

Pada tegangan ini semua elektron kembali ke katoda (emitter)

Energi kinetik elektron = e V0

Lajukeluarnyaelektron (arus) tergantungdariintensitascahayatetapienergikinetiknyatidaktergantungintensitascahaya

slide151

cahaya

emitter

collector

I

A

V

V

Sumber

tegangan

variabel

Intensitas cahaya konstan tetapi panjang gelombang berubah

=6500Å (merah)

=5500Å (hijau)

=5000Å (biru)

V01

V02

V03

slide152

cahaya

emitter

collector

A

V

Sumber

tegangan

variabel

Photon dengan energi hf diserap elektron di permukaan metal sehingga elektron tersebut mendapat tambahan energi. Jika pada awalnya elektron menempati tingkat energi tertinggi di pita konduksi dan bergerak tegak lurus ke arah permukaan, ia akan meninggalkan emitter dengan energi kinetik maksimum

Ek maks= hf  e

Energi yang diterima

Energi untuk mengatasi hambatan di permukaan

(dinding potensial)

slide153

cahaya

emitter

collector

A

V

Sumber

tegangan

variabel

Ek maks

Ek < Ekmaks

hf

e

hf

EF

tingkat energi terisi

slide154

cahaya

emitter

collector

A

V

Sumber

tegangan

variabel

Jika V0 (yang menunjukkan energi kinetik) di-plot terhadap frekuensi:

Vo

Slope = h/e

Metal 1

Metal 2

f

1

2

Rumus Einstein:

slide155

A

V

I

V

PeristiwaEmisi Thermal

Pada temperatur tinggi, sebagian elektron memiliki energi kinetik yang lebih tinggi dari energi rata-rata elektron sehingga dapat melampaui work function ( e).

Jika arus cukup tinggi, terjadi saling tolak antara elektron di ruangan sehingga elektron dengan energi rendah tidak mencapai anoda.

katoda

vakum

anoda

Muatan ruang makin berpengaruh jika arus makin tinggi. Arus akan mencapai kejenuhan.

pemanas

V

slide156

I

I

A

T

V

V

Makin tinggitemperaturkatoda, akanmakintinggienergielektron yang keluardaripermukaankatoda, dankejenuhanterjadipadanilaiarus yang lebihtinggi.

T3

katoda

vakum

anoda

T2

T1

V

Kejenuhan dapat diatasi dengan menaikkan V

pemanas

V3

V2

V1

slide157

I

A

T

V

Padategangan yang sangattinggi, dimanaefekmuatanruangteratasisecara total, semuaelektron yang keluardarikatodaakanmencapaianoda.

V = ∞

katoda

vakum

anoda

V2

V1

pemanas

Persamaan Richardson-Dushman

kerapatan arus

konstanta dari material

k = konstanta Boltzman = 1,381023 joule/oK

slide158

A

V

Nilaitergantungdaritemperatur :

pada 0o K

katoda

vakum

anoda

koefisien temperatur

pada kebanyakan metal murni

pemanas

Persamaan Richardson-Dushman menjadi:

slide159

A

V

Persamaan Richardson-Dushman

katoda

vakum

anoda

pemanas

Linier terhadap

slide161

PeristiwaEmisiSekunder

Jika elektron dengan energi tinggi (yang disebut elektron primer) ditembakkan ke permukaan metal, elektron dapat keluar dari permukaan metal (yang disebut elektron sekunder).

Energi kinetik elektron sekunder tidak harus tergantung dari energi kinetik elektron yang membentur permukaan.

Efisiensi emisi sekunder dinyatakan sebagai rasio jumlah elektron sekunder, Is terhadap jumlah elektron primer yang membentur permukaan, Ip. Rasio ini disebut secondary emission yield, , dan merupakan fungsi dari energi kinetik berkas elektron yang membentur permukaan.

Jika energi kinetik berkas elektron yang membentur permukaan terlalu rendah hanya sedikit dihasilkan emisi sekunder.

slide162

Jikaenergikinetikberkaselektron yang membenturpermukaanterlalutinggihanyasedikitjugadihasilkanemisisekunder. Hal inidisebabkankarenaelektron yang membenturpermukaan metal sempatmasuk (penetrasi) kedalam metal sebelumterjadibenturandenganelektronbebas dalam metal.

Elektron bebas yang menerima tambahan energi mengalami tabrakan-tabrakan sebelum mencapai permukaan, dan mereka gagal keluar dari permukaan metal.

maks

Akibatnya adalah  sebagai fungsi dari energi berkas elektron, mempunyai nilai maksimum.

Ek maks

0

0

Ek

slide164

V3

I

+

+

+

+

V2

V1

x

Efek SCHOTTKY

Dalam peristiwa emisi thermal telah disebutkan bahwa kenaikan medan listrik antara emitter dan anoda akan mengurangi efek muatan ruang.

medan listrik tinggi V = eEx

Medan yang tinggi juga meningkatkan emisi karena terjadi perubahan dinding potensial di permukaan katoda.

penurunan work function

eΔ∅

e∅

EF

x0

Energi

nilai maks dinding potensial

Medan E memberikan potensial eEx pada jarak x dari permukaan

slide165

+

+

+

+

x

PeristiwaEmisi Medan

Hadirnya medan listrik pada permukaan katoda, selain menurunkan work function juga membuat dinding potensial menjadi lebih tipis.

medan listrik sangat tinggi V = eEx

penurunan work function

eΔ∅

e∅

EF

jarak tunneling

Energi

slide167

KarakteristikDielektrik

FaktorDesipasi

Dielektrikdigunakanpadakapasitordansebagaibahanisolasi

Permitivitas relatif didefinisikan sebagai rasio permitivitas dielektrik () dengan permitivitas ruang hampa (0)

Jika suatu dielektrik yang memiliki permitivitas relatif r disisipkan antara dua pelat kapasitor yang memiliki luas A dan jarak antara kedua pelat adalahd, maka kapasitansi yang semula

berubah menjadi

dielektrikmeningkatkankapasitansisebesarr kali

slide168

im

Itot

IC

re

IRp

VC

Diagram fasorkapasitor

Desipasi daya (menjadi panas):

tan : faktor desipasi

(loss tangent)

rtan : faktor kerugian

(loss factor)

slide169

KekuatanDielektrik

Gradien tegangan maksimum yang masih dapat ditahan oleh dielektrik sebelum terjadi tembus listrik

Nilai kekuatan dielektrik secara eksperimen sangat tergantung dari ukuran spesimen, elektroda, serta prosedur percobaan

Tembus listrik diawali oleh hdirnya sejumlah elektron di pita konduksi. Elektron ini mendapat percepatan oleh adanya medan listrik yang tinggi sehingga memperoleh energi kinetik yang tinggi. Sebagian energi ini ditransfer ke elektron valensi sehingga elektron valensi naik ke pita konduksi. Jika jumlah elektron ini cukup banyak maka akan terjadi avalans elektron di pita konduksi. Arus meningkat dengan cepat sehingga terjadi peleburan lokal, terbakar, atau penguapan.

Elektron awal bisa hadir oleh beberapa sebab: discharge antara elektroda tegangan tinggi dengan permukaan dielektrik yang terkontaminasi, pori-pori berisi gas dalam dielektrik, pengotoran oleh atom asing.

slide170

600 

500 

400 

Tegangan tembus [kV]

300 

200 

100 

0

0 0.51 1.03 1.55 2,13 2,54

Jarak elektroda [m] X 102

KekuatanDielektrik

[6]

udara 400 psi

SF6 100 psi

High Vacuum

Minyak Trafo

Porselain

SF6 1 atm

udara 1 atm

slide171

     

E

d

+ + + + + + +

0

+ + +

+

+

+

+

+

+

+

+

E0

d

  

Polarisasi

DuaPelatParalel

Tanpadielektrik :

Dengandielektrik :

timbulkarenaterjadiPolarisasi

Polarisasi : total dipole momenlistrik per satuan volume

Dipole listrik :

slide172

     

E

+ + + + + + +

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Molekul di dalamdielektrikmengalamipengaruhmedanlistrik yang lebihbesardarimedanlistrik yang diberikandariluar. Medan listrik yang dialamiolehmolekulinidisebutmedanlokal.

Induksi momen dipole oleh medan lokal Elok adalah

polarisabilitas

jumlah molekul per satuan volume

slide173

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

4 macam polarisasi

adamedan

takadamedan

E

a. polarisasi elektronik :

Teramatipadasemuadielektrik

Terjadikarenapergeseranawanelektronpadatiap atom terhadapintinya.

adamedan

takadamedan

E

b. polarisasi ionik :

Hanya ditemui pada material ionik.

Terjadikarenapergeseran ion-ion yang berdekatandanberlawananmuatan.

slide174

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

c. polarisasiorientasi :

adamedan

tak ada medan

E

Terjadipada material padatdancair yang memilikimolekulasimetris yang momen dipole permanennyadapatdiarahkanolehmedanlistrik.

d. polarisasimuatanruang :

Terjadipengumpulanmuatan di perbatasandielektrik.

adamedan

E

takadamedan

slide175

r TergantungPada

Frekuensi Dan Temperatur

Dalammedanbolak-baik, polarisasi total P, polarisabilitas total ,danr, tergantungdarikemudahan dipole untukmengikutimedan yang selaluberubaharahtersebut.

Dalam proses mengikutiarahmedantersebut, waktu yang dibutuhkanoleh dipole untukmencapaiorientasikeseimbangandisebutwakturelaksasi.

Kebalikandariwakturelaksasidisebutfrekuensirelaksasi.

Jikafrekuensidarimedan yang diberikanmelebihifrekuensirelaksasi,dipole tidakcukupcepatuntukmengikutinya, dan proses orientasiberhenti.

Karena frekuensi relaksasi dari empat macam proses polarisasi berbeda-beda, maka kontribusi dari masing-masing proses pada polarisasi keseluruhan dapat diamati.

slide176

infra merah

cahaya tampak

radio

audio

power

elektronik

ionik

orientasi

muatan ruang

muatan ruang

P; r

orientasi

ionik

elektronik

absorbsi; loss factor

frekuensi

frekuensi optik

frekuensi listrik

slide177

im

re

KehilanganEnergi

Diagram fasorkapasitor

Desipasidaya (menjadipanas):

Itot

IC

tan : faktordesipasi

(loss tangent)

IRp

VC

rtan : faktorkerugian

(loss factor)

uji mekanik
UjiMekanik

Salah satukriteriadalampemilihan material untukkeperluankonstruksiadalahkekuatanmekanis-nya

ujitarik (tensile test) ujitekan (compression test) ujikekerasan (hardness test) ujiimpak (impact test) ujikelelahan (fatigue test)

Beberapaujimekanik:

Ujitarik(tensile test) danujitekan(compression test) dilakukanuntukmengetahuikemampuan material dalammenahanpembebananstatis.

Ujikekerasanuntukmengetahuiketahanan material terhadapperubahan (deformation) yang permanen.

Ujiimpakuntukmengetahuiketahanan material terhadappembebananmekanis yang tiba-tiba.

Ujikelelahanuntukmengetahuilifetimedibawahpembebanansiklis.

uji tarik

A0

A

l0

l

P

UjiTarik

sebelumpembebanan

denganpembebanan

Engineering Stress :  ,didefinisikansebagairasioantarabebanP padasuatusampeldenganluaspenampangawaldarisampel.

Engineering Stress :

Engineering Strain :  ,didefinisikansebagairasioantaraperubahanpanjangsuatusampeldenganpembebananterhadappanjangawal-nya.

Engineering Strain :

uji tarik memberikan kurva stress terhadap strain

daerah elastis

mulaidaerahplastis

40

30

20

10

0

12

9

6

3

0

ultimate tensile strength

E

| | |

| | |

stress, [1000 psi]

stress, [1000 psi]

yield strength

batas elastis

| | | |

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

| | |

0 0.001 0.002 0.003

strain, [in./in.]

strain,  [in./in.]

UjiTarikmemberikankurvastressterhadapstrain

Stress-Strain Curve :

linier

retak

contohkurvastress-strain dariCupolikristal

  • di daerahelastis:
  • = E (Hukum Hooke)
  • E = modulus Young
stress strain curve beberapa material yang lain

80

60

40

20

0

200

150

100

50

0

upper yield point

| | |

| | |

stress, [1000 psi]

stress, [1000 psi]

lower yield point

| | | |

0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

| | |

0 0.001 0.002 0.003

strain,  [in./in.]

strain,  [in./in.]

baja 1030

tungsten carbide

Stress-Strain Curve beberapa material yang lain:
uji tekan

3

2

1

0

120

80

40

0

tekan

tekan

| | |

| | |

stress:  [1000 psi]

stress:  [1000 psi]

tarik

tarik

| | | |

0 0.01 0.02 0.03 0.04

| | | |

0 0.001 0.002 0.003 0.004

strain:  [in./in.]

strain:  [in./in.]

besi tuang

beton

UjiTekan
uji kekerasan

P

spesimen

UjiKekerasan

Ujikekerasanmengukurkekuatan material terhadapsuatuindenter;indenterinibisaberbentuk bola, piramida, kerucut, yang terbuatdari material yang jauhlebihkerasdari material yang diuji.

Ujikekerasandilakukandenganmemberikanbebansecaraperlahan, tegakluruspadapermukaanbendauji, dalamjangkawaktutertentu.

Salah satumetodaadalah Test Brinell, denganindenter bola tungsten carbide, D = 10 mm

D

Hardness Numberdihitungdengan formula:

d

uji impak

ujung bandul

penahan

UjiImpak

Ujiimpakmengukurenergi yang diperlukanuntukmematahkanbatang material yang diberilekukanstandar, denganmemberikanbebanimpuls.

Bebanimpulsdiberikanolehbanduldenganmassatertentu, yang dilepaskandariketinggiantertentu. Bandulakanmenabrakspesimendanmematahkannya, kemudiannaiklagisampaiketinggiantertentu.

Denganmengetahuimassabanduldanselisihketinggianbandulsaatiadilepaskandenganketinggianbandulsetelahmematahkanspesimen, dapatdihitungenergi yang diserapdalamterjadinyapatahan.

spesimen

sifat elastis

A

A

stress,

stress,

elastis

elastis

strain, 

strain, 

SifatElastis

Semuajenis material berubahbentuk, atauberubah volume, ataukeduanya, padawaktumendapattekananataupunperubahantemperatur.

Perubahantersebutdikatakanelastisjikaperubahanbentukatau volume yang disebabkanolehperubahantekananataupuntemperaturdapatsecarasempurna kembalikekeadaansemulajikatekananatautemperaturkembalikekeadaanawalnya.

Pada material kristal, hubunganantarastress danstrain adalah linier sedangkanpada material non kristal(denganrantaimolekulpanjang)padaumumnyahubungantersebuttidak linier.

slide187

E = modulus Young

A

stress: 

elastis

strain: 

Pada bagian kurva stress-strain yang linierdapat dituliskan hubungan linier

Modulus Young ditentukandengancara lain, misalnyamelalui formula:

densitas material

kecepatanrambatsuaradalam material

slide188

z

stress: z

z

strain: z

Ada beberapakonstantaproporsionalitas yang biasadigunakandalammenyatakanhubungan linier antarastress danstrain, tergantungdarimacamstress danstrain

1) Modulus Young

Panjangawal

Panjangsesudahditarik

l0

l

slide189

l0

Shear stress, 

Shear strain, 

2). Modulus shear

slide190

hydrostatic stress :hyd

perubahan volume

V / V0

3) Modulus bulk (volume)

volume awalV0

sifat elastis ditinjau dari skala atom
SifatElastisDitinjau Dari Skala Atom

Energipotensialdaridua atom sebagaifungsijarakantarakeduanyadapatdinyatakandenganpersamaan:

V : energipotensial

r : jarakantar atom

A : konstantaproporsionalitasuntuktarik-menarikantar atom

B : konstantaproporsionalitasuntuktolak-menolakantar atom

ndanm : pangkat yang akanmemberikanvariasidariVterhadapr

slide192

Gayadaridua atom sebagaifungsijarakantarakeduanyadapatditurunkandarirelasienergipotensial:

F : gayaantar atom

r : jarakantar atom

a : konstantaproporsionalitasuntuktarik-menarikantar atom

b : konstantaproporsionalitasuntuktolak-menolakantar atom

NdanM : pangkat yang akanmemberikanvariasidariFterhadapr

slide193

tolak-menolak

tolak-menolak

jumlah

jumlah

energi potensial, V

gaya, F

r

r

d0

d0

tarik-menarik

tarik-menarik

Kurvaenergipotensialdankurvagayasebagaifungsijarakantara atom, disebutkurvaCondon-Morse:

slide194

daerah elastis

Kurvagayadangarissinggungpadad0untukkeperluanpraktisdapatdianggapberimpitpadadaerahelastis.

gaya, F

r

d0

slide195

drata2

drmin

drmaks

T >>

0oK

d0

Pengaruh Temperatur

Jarak rata-rata antar atom meningkatdenganpeningkatantemperatur.

jarakantar atom

Energi Potensial

anelastisitas
Anelastisitas

Tercapainyastrain maksimumbisalebihlambatdaritercapainyastressmaksimum yang diberikan. Jadistrain tidakhanyatergantungdaristress yang diberikantetapijugatergantungwaktu. Hal inidisebutanelastisitas.

Jika material mendapat pembebanan siklis, maka keterlambatan strain terhadap stress menyebabkan terjadinya desipasi energi.

Desipasienergimenyebabkanterjadinyadamping.

Desipasienergijugaterjadipadapembebananmonotonik isothermal di daerahplastis.

Gejalainidikenalsebagaicreep.

slide197

M

A

X

M

M

A

M

M

adiabatik

isothermik

O

A’

O

EfekThermoelastik

Material kristal cenderung turun temperaturnya jika diregangkan (ditarik).

Jikaperegangandilakukancukuplambat, maka material sempatmenyerapenergi thermal darisekelilingnyasehinggatemperaturnyatakberubah. Dalamhaldemikianini proses peregangan (straining) terjadisecaraisothermik.

X

Loop HisterisisElastis

slide198

O

O

O

O

desipasi energi per siklus

f1 f2f3 f4f5

O

frekuensi

Desipasienergi per siklustergantungdarifrekuensi

f5>f4

f3>f2

f4>f3

f2>f1

f1

difusi atom
DifusiAtom

Pereganganbisamenyebabkanterjadinyadifusi atom.

slide200

2

1

t1

t

WaktuRelaksasi : 

t0

keretakan fracture
Keretakan (Fracture)

Keretakanadalahperistiwaterpisahnyasatukesatuanmenjadiduaataulebihbagian. Bagaimanakeretakanterjadi, berbedadarisatu material ke material yang lain, danpadaumumnyadipengaruhiolehstress yang diberikan, geometrisdarisampel, kondisitemperaturdanlajustrain yang terjadi.

Keretakan dibedakan antara keretakan brittle dan ductile.

Keretakanbrittle terjadidenganpropagasi yang cepatsesudahsedikitterjadideformasiplastisataubahkantanpadidahuluiolehterjadinyadeformasiplastis.

Keretakanductile adalahkeretakanyangdidahuluiolehterjadinyadeformasiplastis yang cukuppanjang / lama, dankeretakanterjadidenganpropagasi yang lambat.

slide202

Pada material kristal, keretakanbrittlebiasanyamenjalarsepanjangbidangtertentudarikristal, yang disebutbidangcleavage.

Pada material polikristalkeretakanbrittletersebutterjadiantaragraindengangrainkarenaterjadiperubahanorientasibidangclevageinidarigrain ke grain.

Selainterjadisepanjangbidang cleavage, keretakanbrittlebisaterjadisepanjangbatasantargrain, dandisebutkeretakanintergranular.

Keduamacamkeretakanbrittle, cleavage danintergranular, terjaditegakluruspadaarahstress yang maksimum.

Kalkulasiteoritiskekuatan material terhadapkeretakanadalahsangatkompleks. Walaupundemikianada model sederhana, berbasispadabesaran-besaransublimasi, gayaantar atom, energipermukaan, yang dapatdigunakanuntukmelakukanestimasi. Tidakkitapelajari.

slide203

Keretakanductile didahuluiolehterjadinyadeformasiplastis, dankeretakanterjadidenganpropagasi yang lambat.

Pada material yang digunakandalam engineering, keretakanductiledapatdiamatiterjadidalambeberapatahapan

  • terjadinyanecking, danmulaiterjadigelembungretakan di daerahini;
  • gelembung-gelembungretakanmenyatumembentukretakan yang menjalarkeluartegakluruspadaarahstress yang diberikan;
  • retakanmelebarkepermukaanpadaarh 45oterhadaparahtegangan yang diberikan.

Mulaiawalterjadinyanecking, deformasidanstressterkonsentrasi di daerahleherini. Stress di daerahinitidaklagisederhanasearahdenganarahgayadariluar yang diberikan, melainkanterdistribusisecarakompleksdalamtigasumbuarah. Keretakanductiledimulai di pusatdaerahleher, di manaterjadishear stressmaupuntensile stresslebihtinggidaribagian lain padadaerahleher. Teoritidakkitapelajari.

slide204

Transisidariductile kebrittle

Dalampenggunaan material, adanyalekukan, atautemperaturrendah, ataupadalajustrain yang tinggi, bisaterjaditransisidarikeretakanductilekebrittle.

Keretakanductilemenyerapbanyakenergisebelumpatah, sedangkankeretakanbrittlememerlukansedikitenergi.

Hindarkansituasi yang mendorongterjadinyatransisikekemungkinankeretakanbrittle.

slide205

Keretakan karena kelelahan metal

Material ductiledapatmengalamikegagalanfungsijikamendapatstresssecarasiklis, walaupunstresstersebutjauh di bawahnilai yang bisaiatahandalamkeadaanstatis.

Tingkat stressmaksimumsebelumkegagalanfungsiterjadi, disebutendurance limit.

Endurance limit didefinidikansebagaistresssiklis paling tinggi yang tidakmenyebabkanterjadinyakegagalanfungsi, berapapunfrekuensisiklis-nya.

Endurance limit hampirsebandingdenganultimate tensile strength (UTS). Pada alloy besisekitar ½ danpada alloy bukanbesisampai 1/3 UTS.

Secaraumumdiketahuibahwajikabagianpermukaansuatuspesimenlebihlunakdaribagiandalamnyamakakelelahan metal lebihcepatterjadidibandingkandenganjikabagianpermukaanlebihkeras. Untukmeningkatkanumurmengahadapiterjadinyakelelahan metal, dilakukanpengerasanpermukaan (surface-harden).

slide207

Sifat-sifat thermal yang akan kita bahas adalah

kapasitas panas

panas spesifik

pemuaian

konduktivitas panas

slide208

Sejumlah energi bisa ditambahkan ke dalam material melalui pemanasan, medan listrik, medan magnit, bahkan gelombang cahaya seperti pada peristwa photo listrik yang telah kita kenal.

Pada penambahan energi melalui pemanasan tanggapan padatan termanifestasikan dalam gejala-gejala kenaikan temperatur sampai pada emisi thermal tergantung dari besar energi yang masuk.

  • Dalam padatan, terdapat dua kemungkinan penyimpanan energi thermal:
  • penyimpanan dalam bentuk vibrasi atom / ion di sekitar posisi keseimbangannya
  • energi kinetik yang dikandung oleh elektron-bebas.
slide209

Kapasitas Panas (heat capacity)

Kapasitas panas pada volume konstan, Cv

E : energiinternalpadatanyaitu total energi yang adadalampadatanbaikdalambentukvibrasiatommaupunenergikinetikelektron-bebas

T : temperatur

Kapasitaspanaspadatekanankonstan, Cp

H : enthalpi. Pengertianenthalpidimunculkandalamthermodinamikakarenaamatsulitmeningkatkankandunganenergi internal padatekanankonstan.

energi yang kitamasukkantidakhanyameningkatkanenergi internal melainkanjugauntukmelakukankerjapadawaktupemuaianterjadi.

slide210

volume

tekanan

energi internal

Jikaperubahan volume terhadapTcukupkecilsukuinibisadiabaikansehingga

slide211

Panas Spesifik

Kapasitas panas per satuan massa per derajat K

dituliskan dengan huruf kecil cv dan cp

Perhitungan Klasik

Molekul gas ideal memiliki tiga derajat kebebasan

energi kinetik rata-rata per derajat kebebasan

energi kinetik rata-rata (3 dimensi):

KonstantaBoltzman

energi per mole

Bilangan Avogadro

Atom-atom padatansaling terikat

energi rata-rata per derajat kebebasan

cal/mole

Menurut hukum Dulong-Petit (1820), cv

Hampir sama untuk semua material yaitu

6 cal/mole K

slide212

Pada umumnya hukum Dulong-Petit cukup teliti untuk temperatur di atas temperatur kamar. Namun beberapa unsur memiliki panas spesifik pada temperatur kamar yang lebih rendah dari angka Dulong-Petit, misalnya

Be ([He] 2s2), B ([He] 2s2 2p1),

C ([He] 2s2 2p2), Si ([Ne] 3s2 3p2)

Unsur-unsur ini orbital terluarnya tersisi penuh atau membuat ikatan kovalen dengan unsur sesamanya.

Oleh karena itu pada temperatur kamar hampir tidak terdapat elektron bebas dalam material ini. Lebih rendahnya kapasitas panas yang dimiliki material ini disebabkan oleh tidak adanya kontribusi elektron bebas dalam peningkatan energi internal.

slide213

Sebaliknya pada unsur-unsur yang sangat elektropositif seperti

Na ([Ne] 3s1)

kapasitas panas pada temperatur tinggi melebihi prediksi Dulong-Petit karena adanya kontribusi elektron bebas dalam penyimpanan energi internal.

slide214

Perhitungan Einstein

Padatan terdiri dari N atom, yang masing-masing bervibrasi (osilator) secara bebas pada arah tiga dimensi, dengan frekuensi fE

Frekuensiosilator

Konstanta Planck

bilangan kuantum, n = 0, 1, 2,....

Jika jumlah osilator tiap status energi adalah Nn dan N0adalah jumlah asilator pada status 0, maka menuruti fungsi Boltzmann

Jumlah energi per status:

total energi dalam padatan:

sehingga energi rata-rata osilator

slide215

energi rata-rata osilator

misalkan

Karena turunan dari penyebut, maka dapat ditulis

DenganN atom yang masing-masingmerupakanosilatorbebas yang berosilasitigadimensi, makadidapatkan total energi internal

slide216

Panasspesifikadalah

fE : frekuensi Einstein

ditentukandengancaramencocokkankurvadengan data-data eksperimental.

Hasil yang diperolehadalahbahwapadatemperaturrendahkurva Einstein menujunoljauhlebihcepatdari data eksperimen

Ketidakcocokaninidijelaskanoleh Debye

slide217

Perhitungan Debye

Menurut Debye, penyimpanganhasilperhitungan Einstein disebabkanolehasumsi yang diambil Einstein bahwa atom-atom bervibrasisecarabebasdenganfrekuensisama, fE

Analisis yang perludilakukanadalahmenentukanspektrumfrekuensig(f) dimanag(f)dfdidefinisikansebagaijumlahfrekuensi yang diizinkan yang terletakantarafdan (f + df)

Debye melakukanpenyederhanaanperhitungandenganmenganggappadatansebagai medium merata yang bervibrasidanmengambilpendekatanpadavibrasi atom sebagai spectrum-gelombang-berdirisepanjangkristal

kecepatan rambat suara dalam padatan

Debye memandang padatan sebagai kumpulan phonon karena perambatan suara dalam padatan merupakan gejala gelombang elastis

slide218

Postulat Debye:

Frekuensiyang adatidakakanmelebihi 3N

(Nadalahjumlah atom yang bervibrasitigadimensi).

Panjanggelombang minimum adalah

tidaklebihkecildarijarakantar atom dalamkristal

Energi internal untuksatu mole volume kristal

Ddidefinisikansebagai

temperatur Debye

slide219

Dengan pengertian temperatur Debye, didefinisikan fungsi Debye

Fungsi Debye tidak dapat diintegrasi secara analitis, namun dapat dicari nilai-nilai limitnya

jika

jika

Pada temperatur tinggicv mendekati nilai yang diperoleh Einstein

Pada temperatur rendah

slide220

kBT

F(E)

1

T = 0

T > 0

0

0

EF

E

Kontribusi Elektron

Hanya elektron di sekitar energi Fermi yang terpengaruh oleh kenaikan temperatur dan elektron-elektron inilah yang bisa berkontribusi pada panas spesifik

Pada temperatur tinggi, elektron menerima energi thermal sekitar kBT dan berpindah pada tingkat energi yang lebih tinggi jika tingkat energi yang lebih tinggi kosong

kurangdari 1% elektronvalensi yang dapatberkontribusipadapanasspesifik

padakebanyakan metal sekitar 5 eV

padatemperaturkamarkBTsekitar 0,025 eV

kontribusielektrondalampanasspesifikadalah

slide221

cv/T

slope = A

′

T 2

PanasSpesifik Total

Untuk temperatur rendah, dapat dituliskan

atau

slide222

Panas Spesifik Pada Tekanan Konstan, cp

Hubungan antaracpdan cv diberikan dalam thermodinamika

koefisien muai volume

kompresibilitas

volume molar

Faktor-Faktor Lain Yang Turut Berperan

Pemasukan panas pada padatan tertentu dikuti proses-proses lain, misalnya:

perubahan susunan molekul dalam alloy,

pengacakan spin elektron dalam material magnetik,

perubahan distribusi elektron dalam material superkonduktor,

Proses-proses ini akan meningkatkan panas spesifik material yang bersangkutan

slide223

Pemuaian

Pada tekanan konstan

Dengan menggunakan model Debye

  • :konstanta Gruneisen

 :kompresibilitas

slide225

KonduktivitasPanas

Jikaqadalahjumlahkalori yang melewatisatusatuanluas (A) per satuanwaktukearahx maka

KonduktivitasPanas

aliranpanasberjalandaritemperaturtinggiketemperaturrendah

Pada temperatur kamar, metal memiliki konduktivitas thermal yang baik dan konduktivitas listrik yang baik pula karena elektron-bebas berperan dalam berlangsungnya transfer panas

Pada material dengan ikatan ion ataupun ikatan kovalen, di mana elektron kurang dapat bergerak bebas, transfer panas berlangsung melalui phonon

Dalam polimer perpindahan panas terjadi melalui rotasi, vibrasi, dan translasi molekul

slide227

KonduktivitasPanasOlehElektron

pengertianklasik

gas ideal

Jika L adalah jalan bebas rata-rata elektron, maka transmisi energi per elektron adalah

kerapatan elektron

Jumlah energi yang ter-transfer ke arah x

kecepatan rata-rata

Energi thermal yang ditransfer melalui dua bidang paralel tegak-lurus arah x dengan jarak x pada perbedaan temperatur T adalah

slide228

Rasio Wiedemann-Franz

Rasio ini adalah rasio antara konduktivitas thermal dan konduktivitas listrik listrik

hampir sama untuk kebanyakan metal

Lorentz number

slide229

Isolator Panas

Isolator thermal yang baikadalah material yang porous. Rendahnyakonduktivitas thermal disebabkanolehrendahnyakonduktivitasudara yang terjebakdalampori-pori

Namunpenggunaanpadatemperaturtinggi yang berkelanjutancenderungterjadipemadatan yang mengurangikualitasnyasebagai isolator thermal

Material polimer yang porousbisamendekatikualitasruanghampapadatemperatursangatrendah; gas dalampori yang membekumenyisakanruang-ruanghampa yang bertindaksebagai isolator

slide230

PengertianDasarThermodinamika

Thermodinamika merupakan cabang ilmu pengetahuan yang mencakup permasalahan transfer energi dalam skala makroskopis

Thermodinamika tidak membahas hal-hal mikroskopis (seperti atom, molekul) melainkan membahas besaran-besaran makroskopis yang secara langsung dapat diukur, seperti tekanan, volume, temperatur

slide231

sistem

Sistem

Sistem adalah obyek atau kawasan yang menjadi perhatian kita

Kawasan di luar sistem disebut lingkungan

lingkungan

lingkungan

bidang batas

bidang yang membatasi sistem terhadap lingkungannya.

mungkin berupa sejumlah materi atau suatu daerah yang kita bayangkan dibatasi oleh suatu bidang batas

mampu mengisolasi sistem

ataupun

memberikan suatu cara interaksi tertentu antara sistem dan lingkungannya

slide232

sistem

sistem

sistem

energi

energi

ada transfer energi

tidak ada transfer materi

massa sistem tidak berubah

materi

ada transfer materi

massa sistem berubah

Dengan adanya bidang batas antara sistem dan lingkungannya, beberapa kemungkinan bisa terjadi

tidak ada transfer energi

tidak ada transfer materi

sistemterisolasi

sistemtertutup

sistem terbuka

slide233

sistem

tidak dapat dipengaruhi oleh lingkungannya

sistemterisolasi

Perubahan-perubahan dalam sistem mungkin saja terjadi

perubahan temperatur

perubahan tekanan

Perubahan dalam sistem terisolasi

tidak dapat terus berlangsung tanpa batas

Suatu saat akan tercapai kondisi

keseimbangan internal

yaitu kondisi di mana perubahan-perubahan dalam sistem sudah tidak lagi terjadi

slide234

sistemtertutup

sistem

energi

sistem dapat berinteraksi dengan lingkungannya

perubahan dalam sistem dibarengi dengan perubahan di lingkungannya.

menuju ke

keseimbangan internal

keseimbangan eksternal

Apabila keseimbangan telah tercapai, tidak lagi terjadi perubahan-perubahan di dalam sistem dan juga tidak lagi terjadi transfer apapun antara sistem dengan lingkungannya

slide235

sistem

Status thermodinamik sistem

merupakan spesifikasi lengkap susunan dan sifat fisis suatu sistem.

Sifat sistem ditentukan oleh satu set tertentu peubah-peubah thermodinamik.

Tidak semua peubah thermodinamik harus diukur guna menentukan sifat sistem.

Apabila jumlah tertentu besaran fisis yang diukur dapat digunakan untuk menentukan besaran-besaran fisis yang lain maka jumlah pengukuran tersebut dikatakan sudah lengkap.

sudah dapat menentukan status sistem, walaupun jumlah itu hanya sebagian dari seluruh besaran fisis yang menentukan status.

slide236

sistem

Jadi eksistensi sistem ditentukan oleh status-nya, sedangkan jumlah peubah yang perlu diukur agar status sistem dapat ditentukan tergantung dari sistem itu sendiri.

Pengukuran atau set pengukuran peubah yang menentukan status tersebut, harus dilakukan dalam kondisi keseimbangan

Keseimbangan sistem tercapai apabila semua peubah yang menetukan sifat sistem tidak lagi berubah.

slide237

Energi

energi kinetik energi potensial

terkait gerak obyek terkait dengan posisi atau

kondisi obyek

energi eksternal

dapat dikonversi timbal balik

Energi Internal Sistem

Energi internal, E, adalah sejumlah energi yang merupakan besaran intrinsik suatu sistem yang berada dalam keseimbangan thermodinamis

Energi internal merupakan fungsi status

Perubahan nilai suatu fungsi status hanya tergantung dari nilai awal dan nilai akhir

dan tidak tergantung dari alur perubahan dari status awal menuju status akhir

slide238

sistem

Panas

Panas adalah salah satu bentuk energi

Pada sistem tertutup, panas dapat menembus bidang batas bila antara sistem dan lingkungannya terdapat gradien temperatur.

Sejumlah panas dapat ditransfer dari sistem ke lingkungan

Sejumlah panas dapat ditransfer dari lingkungan ke sistem

Panas bukanlah besaran intrinsik sistem.

Ia bisa masuk ke sistem dan juga bisa keluar dari sistem.

q diberi tanda positif jika ia masuk ke sistem

q diberi tanda negatif jika ia keluar dari sistem

slide239

sistem

Kerja

Kerja adalah bentuk energi yang ditranfer antara sistem dengan lingkungannya karena ada interaksi gaya antara sistem dan lingkungannya.

Kerja, dengan simbol w, juga bukan besaran intrinsik sistem; bisa masuk ataupun keluar dari sistem

w diberi tanda positif jika ia masuk ke sistem

w diberi tanda negatif jika ia keluar dari sistem

slide240

sistem

Konservasi Energi

Energi total sistem dan lingkungannya adalah terkonservasi

Energi tidak dapat hilang begitu saja ataupun diperoleh dari sesuatu yang tidak ada; namun energi dapat terkonversi dari satu bentuk ke bentuk yang lain

Hukum Thermodinamika Pertama atau Hukum Kekekalan Energi

Jika status sistem berubah melalui alur (cara) perubahan tertentu, maka energi internal sistem ini berubah.

sistemterisolasi

E

dan jika sistem kembali pada status semula melalui alur perubahan yang berbeda energi internal akan kembali pada nilai awalnya

B

status

A

Perubahan neto dari energi internal adalah nol sebab jika tidak, akan menyalahi prinsip konservasi energi.

slide241

Perubahan nilai hanya tergantung dari nilai awal dan nilai akhir

Perubahan energi internal, yang mengikuti terjadinya perubahan status sistem, tidak tergantung dari alur perubahan status tetapi hanya tergantung dari status awal dan status akhir

Setiap besaran yang merupakan fungsi bernilai tunggal dari status thermodinamik adalah fungsi status.

slide242

Enthalpi

Apabila hanya tekanan atmosfer yang bekerja pada sistem, maka jika energi panas sebesar dqmasuk ke sistem, energi internal sistem berubah sebesar

perubahan volume sistem

 kerja pada lingkungan PdV

tekanan atmosfer  konstan

Maka dimunculkan peubah baru, yang sudah memperhitungkan V, yang disebutenthalpi

Membuat P konstan tidak sulit dilakukan namun membuat V konstan sangat sulit

P dan V adalah peubah thermodinamik yang menentukan status sistem, sedangkan E adalah fungsi status, maka H juga fungsi bernilai tunggal dari status

enthalpi

H juga fungsi status

slide243

Contoh:

Perubahan Enthalpi Pada Reaksi Kimia

  • Jika Hakhir > Hawal maka H > 0
  •  Terjadi transfer energi ke sistem
  • penambahan enthalpi pada sistem
  • proses endothermis
  • Jika Hakhir < Hawal maka H < 0
  • Terjadi transfer energi ke lingkungan
  • enthalpi sistem berkurang
  • proses eksothermis

Dalam reaksi kimia,

 reagen (reactant) merupakan status awal sistem

 hasil reaksi merupakan status akhir sistem

slide244

Hukum Hess

Apabila suatu reaksi kimia merupakan jumlah dua atau lebih reaksi, maka perubahan enthalpi total untuk seluruh proses merupakan jumlah dari perubahan enthalpi reaksi-reaksi pendukungnya.

Hukum Hess merupakan konsekuensi dari hukum kekekalan energi.

Hukum Hess terjadi karena perubahan enthalpi untuk suatu reaksi adalah fungsi status, suatu besaran yang nilainya ditentukan oleh status sistem.

Perubahan enthalpi yang terjadi baik pada proses fisika maupun proses kimia tidak tergantung pada alur proses dari status awal ke status akhir

Perubahan enthalpi hanya tergantung pada enthalpi pada status awal dan pada status akhir.

slide245

Proses Reversible

Jika suatu sistem bergeser dari status keseimbangannya, sistem ini menjalani suatu proses dan selama proses berlangsung sifat-sifat sistem berubah sampai tercapai keseimbangan status yang baru.

Proses reversible merupakan suatu proses perubahan yang bebas dari desipasi (rugi) energi dan dapat ditelusur balik dengan tepat.

Sulit ditemui suatu proses yang reversible namun jika proses berlangsung sedemikian rupa sehingga pergeseran keseimbangan sangat kecil maka proses ini dapat dianggap sebagai proses yang reversible

Proses reversible dianggap dapat berlangsung dalam arah yang berlawanan mengikuti alur proses yang semula diikuti.

Proses Irreversible

Proses irreversible (tidak reversible) merupakan proses yang dalam perjalanannya mengalami rugi (desipasi) energi sehingga tidak mungkin ditelusur balik secara tepat.

slide246

Teorema Clausius

Dalam proses reversible

Dalam proses irreversible

Proses reversible merupakan proses yang paling efisien, tanpa rugi (desipasi) energi

Proses irreversible memiliki efisiensi lebih rendah

slide247

Proses reversible

Entropi

Integral tertutup ini menyatakan bahwa proses berlangsung dalam satu siklus

Untuk proses reversible yang berjalan tidak penuh satu siklus, melainkan berjalan dari status A ke status B dapat dituliskan

qrev adalah panas yang masuk ke sistem pada proses reversible.

Karena masuknya energi panas menyebabkan enthalpi sistem meningkat sedangkan enthalpi merupakan fungsi status maka

juga merupakan fungsi status

S adalah peubah status yang disebut entropi

slide248

Proses reversible adalah yang paling efisien

Ada rugienergi

Takadarugienergi

Proses yang umumterjadiadalaqh proses irreversible

Panas dq yang kitaberikankesistempadaumumnyaadalahdqirrev

Denganpemberian panas, entropisistemberubahsebesardSsistem dan sesuaidengandefinisinyamaka

tanpamempedulikanapakah proses yang terjadireversibleatauirreversible

slide249

Dalamsistemtertutup, jikadqcukupkecilmakapergeseranstatus yang terjadi di lingkungan akan kembalikestatussemula. Denganmengabaikanperubahan-perubahankecillain yang mungkinjugaterjadi, proses di lingkungandapatdianggapreversible. Perubahanentropilingkunganmenjadi

Perubahan entropi neto

yang akan bernilai positif jika proses yang terjadiadalah proses irreversiblekarenadalam proses irreversibledq < dqrev

Proses reversiblehanya akan terjadijikadSneto = 0

slide250

Hukum Thermodinamika Kedua

Suatu proses spontan adalah proses yang terjadi secara alamiah.

Proses ini merupakan proses irreversible, karena jika tidak proses spontan tidak akan terjadi.

Karena proses spontan adalah proses irreversible di mana dSneto> 0 maka dalam proses spontan total entropi selalu bertambah.

Ini adalah pernyataan Hukum Thermodinamika Kedua

Kita ingat bahwa proses reversible adalah proses yang hampir tidak bergeser dari keseimbangannya atau dengan kata lain tidak ada perubahan yang cukup bisa diamati. Oleh karena itu proses spontan tidak mungkin reversible atau selalu irreversible.

slide251

Dengan mengingat relasi

dq = CPdT,

kapasitas panas pada tekanan konstan

Hukum Thermodinamika Ke-tiga

Atas usulan Planck, Nernst pada 1906 menyatakan bahwa pada temperatur 0 K entropi dari semua sistem harus sama. Konstanta universal ini di-set sama dengan nol sehingga

Persamaan ini biasa disebut sebagai Hukum Thermodinamika Ke-tiga

Persamaan ini memungkinkan dilakukannya perhitungan nilai absolut entropi dari suatu sistem dengan membuat batas bawah integrasi adalah 0 K.

maka entropi S pada temperatur T dari suatu sistem adalah

slide252

Proses reaksi dari beberapa reagen menghasilkan hasil reaksi.

Apabila A+B tetap dominan terhadap C dalam waktu yang lama, maka disebut reaksi nonspontan

Jika C dominan terhadap A+B dalam waktu yang tidak lama, maka reaksi tersebut disebut reaksi spontan

diperlukan upaya tertentu agar diperoleh C yang dominan

Reaksispontandisebutjugaproduct-favored reaction

Reaksinonspontandisebutjugareactant-favored reaction

Pada umumnya, reaksi eksothermis yang terjadi pada temperatur kamar adalah

reaksi spontan.

Energi potensial yang tersimpan dalam sejumlah (relatif) kecil atom / molekul reagen menyebar ke sejumlah (relatif) besar atom / molekul hasil reaksi dan atom / molekul lingkungannya.

Penyebaran energi lebih mungkin terjadi daripada pemusatan (konsentrasi) energi.

slide253

Di samping energi, materi yang sangat terkonsentrasi juga cenderung untuk menyebar

Dengan demikian ada dua cara untuk suatu sistem menuju kepada status yang lebih mungkin terjadi, yaitu

1). melalui penyebaran energi ke sejumlah partikel

yang lebih besar;

2). melalui penyebaran partikel sehingga susunan

partikel menjadi lebih acak.

Dengan dua cara tersebut

ada empat kemungkinan proses

yang bisa terjadi

slide254

a). Jika reaksi adalah eksothermis dan susunan materi menjadi lebih acak, maka reaksi ini merupakan reaksi spontan pada semua temperatur.

b). Jika reaksi adalah eksothermis tetapi susunan materi menjadi lebih teratur, maka reaksi ini cenderung merupakan reaksi spontan pada suhu kamar akan tetapi menjadi reaksi nonspontan pada temperatur tinggi. Hal ini berarti bahwa penyebaran energi dalam proses terjadinya reaksi kimia lebih berperan dibandingkan dengan penyebaran partikel

c). Jika reaksi adalah endothermis dan susunan materi menjadi lebih acak, maka reaksi ini cenderung merupakan reaksi nonspontan pada temperatur kamar tetapi cenderung menjadi spontan pada temperatur tinggi.

d). Jika reaksi adalah endothermis dan susunan materi menjadi lebih teratur, maka tidak terjadi penyebaran energi maupun penyebaran partikel yang berarti proses reaksi cenderung nonspontan pada semua temperatur.

Karena reaksi spontan merupakan proses irreversible di mana terjadi kenaikan entropi maka kenaikan entropi menjadi pula ukuran/indikator penyebaran partikel

slide255

Kapasitas Panas dan NilaiAbsolutEntropi

Konstanta Untuk Menetukan Kapasitas Panas Padatan

cal/mole/K [12].

EntropiAbsolutPada Kondisi Standar

cal/mole derajat [12]

slide256

Energi Bebas

(free energies)

Kelvin memformulasikan bahwa pada umumnya alam tidak memperkenankan panas dikonversikan menjadi kerja tanpa disertai oleh perubahan besaran yang lain.

Kalau formulasi Kelvin ini kita bandingkan dengan pernyataan Hukum Thermodinamika Ke-dua, maka besaran lain yang berubah yang menyertai konversi panas menjadi kerja adalah perubahan entropi.

Perubahan neto entropi, yang selalu meningkat dalam suatu proses, merupakan energi yang tidak dapat diubah menjadi kerja, atau biasa disebut energi yang tak dapat diperoleh (unavailable energy).

slide257

Sesuai Hukum Thermodinamika Pertama, jika kita masukkan energi panas ke dalam sistem dengan maksud untuk mengekstraknya menjadi kerja maka yang bisa kita peroleh dalam bentuk kerja adalah energi yang masuk ke sistem dikurangi energi yang tak bisa diperoleh, yang terkait dengan entropi.

Karena mengubah energi menjadi kerja adalah proses irreversible, sedangkan dalam proses irreversible entropi selalu meningkat, maka energi yang tak dapat diperoleh adalah

TS

temperatur

entropi

Energi yang bisa diperoleh disebut energi bebas yang diformulasikan oleh Helmholtz sebagai

Hemholtz Free Energy

slide258

Hemholtz Free Energy

Jika temperatur konstan dan tidak ada kerja yang dilakukan oleh sistem pada lingkungan maupun dari lingkungan pada sistem, maka

Karena

Jadi pada proses isothermal di mana tidak ada kerja, energi bebas Helmholtz menurun dalam semua proses alamiah dan mencapai nilai minimum setelah mencapai keseimbangan

slide259

tekanan atmosfer

Gibbs Free Energy

Gibbs mengajukan formulasi energi bebas, yang selanjutnya disebut energi bebas Gibbs (Gibbs Free Energy), G, dengan memanfaatkan definisi enthalpi

Jika tekanan dan temperatur konstan (yang tidak terlalu sulit untuk dilakukan), maka

Jadi jika temperatur dan tekanan dibuat konstan, energi bebas Gibb mencapai minimum pada kondisi keseimbangan

Pada proses irreversible

slide261

Pengertian-Pengertian

Fasa

Fasa adalah daerah materi dari suatu sistem yang secara fisis dapat dibedakan dari daerah materi yang lain dalam sistem tersebut

Antara fasa dengan fasa dapat dipisahkan secara mekanis

Fasa memiliki struktur atom dan sifat-sifat sendiri

Kita mengenal

sistem satu-fasa & sistem multi-fasa

Homogenitas

Dalam keseimbangan, setiap fasa adalah homogen

Komponen Sistem

Komponen sistem adalah unsur atau senyawa yang membentuk satu sistem.

Kita mengenal

sistem komponen-tunggal & sistem multi-komponen.

slide262

Diagram Keseimbangan

Diagram keseimbangan merupakan diagram di mana kita bisa membaca fasa-fasa apa saja yang hadir dalam keseimbangan pada berbagai nilai peubah thermodinamik

Derajat Kebebasan

Derajat kebebasan (degree of freedom) didefinisikan sebagai jumlah peubah thermodinamik yang dapat divariasikan secara tidak saling bergantungan tanpa mengubah jumlah fasa yang berada dalam keseimbangan.

Larutan Padat

Atom atau molekul dari satu komponen terakomodasi di dalam struktur komponen yang lain

Larutan padat bisa terjadi secara

subsitusional

interstisial

slide263

Derajat kelarutan

Berbagaiderajatkelarutanbisaterjadi

Dua komponen dapat membentuk larutan menyeluruh (saling melarutkan) jika status keseimbangan thermodinamik dari sembarang komposisi dari keduanya membentuk sistem satu fasa.

Hanya larutan substitusional yang dapat mencapai keadaan ini.

Kaidah Hume-Rothery

Agar larutan padat dapat terjadi:

Perbedaan ukuran atom pelarut dan atom terlarut < 15%.

Struktur kristal dari komponen terlarut sama dengan komponen pelarut.

Elektron valensi zat terlarut dan zat pelarut tidak berbeda lebih dari satu.

Elektronegativitas zat terlarut dan pelarut kurang-lebih sama, agar tidak terjadi senyawa sehingga larutan yang terjadi dapat berupa larutan satu fasa.

slide264

Hlarutan

HB

HB

HB

sebelum pelarutan

sebelumpelarutan

Hlarutan

HA

HA

HA

Hlarutan

A

B

A

B

A

B

xB

xB

xB

Enthalpi Larutan

Pada reaksi kimia:

Jika Hakhir> HawalH > 0 penambahan enthalpi pada sistem (endothermis)

JikaHakhir< Hawalenthalpi sistem berkurang (eksothermis).

Dalam peristiwa pelarutan terjadi hal yang mirip yaitu perubahan enthalpi bisa negatif bisa pula positif

Hlarutan< sebelumpelarutanuntuksemuakomposisi

Hlarutan= sebelumpelarutan; inikeadaan ideal

Hlarutan> sebelumpelarutanuntuksemuakomposisi

slide265

S0

S

S

SB

sebelum pelarutan

SA

A

B

A

B

xB

xB

Entropi Larutan

  • Entropi dalam proses irreversible akan meningkat.
  • entropi larutan akan lebih tinggi dari entropi masing-masing komponen sebelum larutan terjadi, karena pelarutan merupakan proses irreversible.
  • jika SA adalah entropi komponen A tanpa kehadiran B, dan SB adalah entropi komponen B tanpa kehadiran A, maka

Entropipelarutan

Sesudah Sebelum

entropisesudahpelarutan > sebelumpelarutan

slide266

Glarutan

G

+

x1

A

x2

B

xB

Hlarutan

HB

HB

sebelum pelarutan

sebelum pelarutan

HA

HA

Hlarutan

A

B

A

B

xB

xB

G

H

Hlarutan

Glarutan

x1

A

B

xB

Energi Bebas Larutan

Larutan satu fasa yang stabil akan terbentuk jika dalam pelarutan itu terjadi penurunan energi bebas.

Larutanmultifasaantarakomposisi

x1 danx2

Larutansatufasa

slide267

Kaidah Fasa dari Gibbs

Jumlah fasa yang hadir dalam keseimbangan dalam satu sistem

jumlah minimum komponen yang membentuk sistem

jumlah derajat kebebasan

Sistem satu-fasa (F = 1) komponen tunggal (K = 1) yang dlamkeseimbanganakan memiliki 2 derajat kebebasan.

Sistem dua fasa (F = 2) komponentunggal(K = 1) yang dalam keseimbangan memiliki 1 derajat kebebasan.

Sistem tiga fasa(F = 3) komponentunggal(K = 1) yang dalam keseimbangan akan berderajat kebebasan 0 dan invarian.

slide268

B

uap

T

cair

a

b

C

D

padat

c

A

P

Diagram KeseimbanganFasa

Sistem Komponen Tunggal: H2O

Karena K = 1 maka komposisi tidak menjadi peubah

F = 1

 D = 2

DerajatKebebasan

D = 2

yaitutekanan (P)dantemperatur(T)

slide269

B

uap

T

cair

a

b

C

D

padat

c

A

P

Sistem Komponen Tunggal: H2O

F = 2

 D = 1

TitikTripel

F = 3

 D = 0

DerajatKebebasan D = 1

yaitu

tekanan: P

atau

temperatur : T

invarian

slide270

cair

uap

1539

C

ToC

δ (BCC)

1400

B

γ (FCC)

910

A

α (BCC)

10-12 10-8 10-4 1 102 atm

Alotropi (allotropy)

Alotropi:keberadaan satu macam zat (materi) dalam dua atau lebih bentuk yang sangat berbeda sifat fisis maupun sifat kimianya.

perbedaan strukturkristal,

perbedaanjumlah atom dalammolekul,

perbedaanstrukturmolekul.

Besi

slide271

ToC

T [oC]

cair

cair

cair+

cair+

1539

1539

 + 

δ (BCC)

δ (BCC)

 + 

1400

1400

γ (FCC)

γ (FCC)

 + 

 + 

910

910

α (BCC)

α (BCC)

t

Kurva Pendinginan

temperaturkonstanpadawaktuterjadiperalihan

slide272

BCC

FCC

G

BCC

1539

910

1400

T [oC]

Energi Bebas

Besi

slide273

a

TB

b

liquidus

c

d

solidus

TA

xcfxca x0xpfxpa

A

B

xB

x1x2x3

A

B

xB

Sistem BinerDengan Kelarutan Sempurna

Karena K = 2 maka komposisi menjadi peubah

cair

T

cair+padat

padat

a)

b)

Plot komposisi per komposisi

Perubahankomposisikontinyu

slide274

titik leleh B

TB

T

Cair (L)

a

liquidus

liquidus

TA

titik leleh A

b

solidus

L+

c

+L

Te

e

d

solvus

+

x

x1xe x0 xcxexe

A

B

xB

Sistem BinerDengan Kelarutan Terbatas

Diagram Eutectic Biner

slide275

T

TA

A

a

cair (L)

titik leleh A

liquidus

b

 + L

solidus

p

c

Tp

 + L

titik leleh B

TB

solidus

 + 

solvus

solvus

B

x1 xpx0xpxlp

xB

Sistem BinerDengan Kelarutan Terbatas

Diagram PeritecticBiner

slide277

Difusi adalah peristiwa di mana terjadi tranfer materi melalui materi lain.

Transfer materi ini berlangsung karena atom atau partikel selalu bergerak oleh agitasi thermal. Walaupun sesungguhnya gerak tersebut merupakan gerak acak tanpa arah tertentu, namun secara keseluruhan ada arah neto dimana entropi akan meningkat

proses irreversible

slide278

materi masuk di xa

materi keluar di x

Ca

Cx

xa

x

x

AnalisisMatematis

Kondisi Mantap

D adalah koefisien difusi, dC/dx adalah variasi konsentrasi dalam keadaan mantap di mana C0 dan Cx bernilai konstan

Inimerupakan

Hukum Fick Pertama

slide279

Ca

materi masuk di xa

t2

materi keluar di x

Cx2

t1

Cx1

t=0

Cx0=0

xa

x

x

Kondisi Transien

InimerupakanHukum Fick Ke-dua

Jika D tidak tergantung pada konsentrasi maka

slide280

Persamaan Arrhenius

Persamaan Arrhenius adalah persamaan yang menyangkut laju reaksi

Q : energi aktivasi (activation energy),

R : gas (1,98 cal/mole K),

T : temperatur absolut K,

k : konstanta laju reaksi (tidak

tergantung temperatur).

KoefisienDifusi

Dari hasil eksperimen diketahui bahwa koefisien difusi D

berbentuksamasepertpersamaan Arrhenius

slide281

permukaan

bidang batas butiran

retakan

permukaan

MacamDifusi

1. Difusi Volume

Difusi volume (volume diffusion)adalah transfer materi menembus volume materi lain

2. Difusi Bidang Batas

3. Difusi Permukaan

slide282

Efek Hartley-Kirkendall

Efek Hartley-Kirkendal menunjukkan bahwa difusi timbal balik dalam alloy biner terdiri dari dua jenis pergerakan materi yaitu

A menembus B dan

B menembus A.

Analisis yang dilakukan oleh Darken menunjukkan bahwa dalam proses yang demikian ini koefisien difusi terdiri dari dua komponen yang dapat dinyatakan dengan

XA dan XB adalah fraksi molar dari A dan B,

DA adalah koefisien difusi B menembus A,

DB adalah koefisien difusi A menembus B

slide283

DifusidanKetidaksempurnaan Kristal

Kekosongan posisipadakristal hadir dalam keseimbanganthermodinamis

Padatan menjadi “campuran” antara “kekosongan” dan “isian”.

energi yang diperlukan untuk membuat satu posisi kosong

jumlah posisi kosong

total seluruh posisi

Sebagai gambaran, Ev = 20 000 cal/mole,

pada 1000K ada satu kekosongan dalam 105 posisi atom.

slide284

Dalam kenyataan padatan mengandung pengotoran yang dapat melipatgandakan jumlah kekosongan,  mempermudah terjadinya difusi.

Selain migrasi kekosongan, migrasi interstisial dapat terjadi apabila atom materi yang berdifusi berukuran cukup kecil dibandingkan dengan ukuran atom material yang ditembusnya

slide285

Frenkel

Schottky

Ketidak-sempurnaan Frenkel dan Schottky tidak mengganggu kenetralan listrik, dan kristal tetap dalam keseimbanganthermodinamis.

Ketidak-sempurnaan mana yang akan terjadi tergantung dari besar energi yang diperlukan untuk membentuk kation interstisial atau kekosongan anion.

Pada kristal ionik konduktivitas listrik pada temperatur tinggi terjadi karena difusi ion dan hampir tidak ada kontribusi elektron. Oleh karena itu konduktivitas listrik sebanding dengan koefisien difusi.

konduktivitas listrik oleh konduksi ion

faktor yang tergantung dari macam ketidak-sempurnaan.

muatan ketidak-sempurnaan

kd = 1 untuk ion interstisial

kd> 1 untuk kekosongan

konsentrasiketidak-sempurnaan

slide286

Difusi Dalam Polimer Dan Silikat

Dalam polimer,difusi terjadi dengan melibatkan gerakan molekul panjang. Migrasi atom yang berdifusi mirip seperti yang terjadi pada migrasi interstisial. Namun makin panjang molekul polimer gerakan makin sulit terjadi, dan koefisien difusi makin rendah.

slide287

Pada silikat, ion silikon biasanya berada pada posisi sentral tetrahedron dikelilingi oleh ion oksigen

Ion positif alkali dapat menempati posisi antar tetrahedra dengan gaya coulomb yang lemah. Oleh karena itu natrium dan kalium dapat dengan mudah berdifusi menembus silikat

Selain itu ruang antara pada jaringan silikat tiga dimensi memberi kemudahan pada atom-atom berukuran kecil seperti hidrogen dan helium untuk berdifusi dengan cepat.

slide289

Oksidasi: reaksi kimia di mana oksigen tertambahkan pada unsur lain

Unsur yang menyebabkan terjadinya oksidasi disebut unsur pengoksidasi.

Reaksi reduksi: reaksi di mana oksigen dilepaskan dari suatu senyawa

Unsur yang menyebabkan terjadinya reduksi disebut unsur pereduksi.

Reaksiredoks (redox reaction):reaksidimanasatu materi teroksidasi dan materi yang lain tereduksi.

Tidak semua reaksi redoks melibatkan oksigen. Akan tetapi semua reaksi redoks melibatkan transfer elektron

Reagen yang kehilangan elektron, dikatakansebagaiteroksidasi

Reagen yang memperoleh elektron, dikatakansebagaitereduksi

Berikut ini kita akan melihat peristiwa oksidasi melalui pengertian thermodinamika.

slide290

Proses Oksidasi

Kecenderungan metal untuk bereaksi dengan oksigen didorong oleh penurunan energi bebas yang mengikuti pembentukan oksidanya

Energi Bebas Pembentukan Oksida pada 500K dalamKilokalori.[12].

Kebanyakan unsur yang tercantum dalam tabelini memiliki energi bebas pembentukan oksida bernilai negatif, yang berarti bahwa unsur ini dengan oksigen mudah berreaksi membentuk oksida

slide291

Lapisan Permukaan Metal

Energi bebas untukpembentukan oksida pada perak dan emas bernilaipositif. Unsur ini tidak membentuk oksida.

Namun material ini jika bersentuhan dengan udara akan terlapisi oleh oksigen; atom-atom oksigen terikat ke permukaan material ini dengan ikatan lemah van der Waals; mekanisme pelapisan ini disebut adsorbsi.

Pada umumnya atom-atom di permukaan material membentuk lapisan senyawa apabila bersentuhan dengan oksigen. Senyawa dengan oksigen ini benar-benar merupakan hasil proses reaksi kimia dengan ketebalan satu atau dua molekul; pelapisan ini mungkin juga berupa lapisan oksigen satu atom yang disebut kemisorbsi (chemisorbtion).

slide292

Rasio Pilling-Bedworth

Lapisan oksida di permukaan metal bisa berpori (misalnyadalam kasus natrium, kalium, magnesium) bisa pula rapat tidak berpori (misalnyadalam kasus besi, tembaga, nikel).

Muncul atau tidak munculnya pori pada lapisan oksida berkorelasi dengan perbandingan volume oksida yang terbentuk dengan volume metal yang teroksidasi. Perbandingan ini dikenal sebagai Pilling-Bedworth Ratio:

M: berat molekul oksida (dengan rumus MaOb),

D: kerapatan oksida,

a: jumlah atom metal per molekul oksida,

m: atom metal,

d: kerapatan metal.

Jika <1, lapisan oksida yang terbentuk akan berpori.

Jika 1, lapisan oksida yang terbentuk adalah rapat, tidak berpori.

Jika >> 1, lapisan oksida akan retak-retak.

slide293

PenebalanLapisanOksida

a). Jika lapisan oksida yang pertama-tama terbentuk adalah berpori, maka molekul oksigen bisa masuk melalui pori-pori tersebut dan kemudian bereaksi dengan metal di perbatasan metal-oksida. Lapisan oksida bertambah tebal.

Situasi ini terjadi jika rasio volume oksida-metal kurang dari satu. Lapisan oksida ini bersifat non-protektif, tidak memberikan perlindungan pada metal yang dilapisinya terhadap proses oksidasi lebih lanjut.

lapisanoksidaberpori

metal

oksigenmenembus

pori-pori

daerahterjadinyaoksidasilebihlanjut

slide294

b). Jika lapisan oksida tidak berpori, ion metal bisa berdifusi menembus lapisan oksida menuju bidang batas oksida-udara; dan di perbatasan oksida-udara ini metal bereaksi dengan oksigen dan menambah tebal lapisan oksida yang telah ada.

lapisanoksidatidakberpori

Proses oksidasi berlanjut di permukaan. Dalam hal ini elektron bergerak dengan arah yang sama agar pertukaran elektron dalam reaksi ini bisa terjadi.

metal

Ion logamberdifusimenembusoksida

Elektronbermigrasidari metal kepermukaanoksida

M+

e

daerahterjadinyaoksidasilebihlanjut

slide295

c). Jika lapisan oksida tidak berpori, ion oksigen dapat berdifusi menuju bidang batas metal-oksida dan bereaksi dengan metal di bidang batas metal-oksida.

lapisanoksidatidakberpori

Elektron yang dibebaskan dari permukaan logam tetap bergerak ke arah bidang batas oksida-udara. Proses oksidasi berlanjut di perbatasan metal-oksida.

metal

Ion oksigenberdifusimenembusoksida

Elektronbermigrasidari metal kepermukaanoksida

O2

e

daerahterjadinyaoksidasilebihlanjut

d). Mekanisme lain yang mungkin terjadi adalah gabungan antara b) dan c) di mana ion metal dan elektron bergerak ke arah luar sedang ion oksigen bergerak ke arah dalam. Reaksi oksidasi bisa terjadi di dalam lapisan oksida.

slide296

Terjadinya difusi ion, baik ion metal maupun ion oksigen, memerlukan koefisien difusi yang cukup tinggi. Sementara itu gerakan elektron menembus lapisan oksida memerlukan konduktivitas listrik oksida yang cukup tinggi pula. Oleh karena itu jika lapisan oksida memiliki konduktivitas listrik rendah, laju penambahan ketebalan lapisan juga rendah karena terlalu sedikitnya elektron yang bermigrasi dari metal menuju perbatasan oksida-udara yang diperlukan untuk pertukaran elektron dalam reaksi.

Jika koefisien difusi rendah, pergerakan ion metal ke arah perbatasan oksida-udara akan lebih lambat dari migrasi elektron. Penumpukan ion metal akan terjadi di bagian dalam lapisan oksida dan penumpukan ion ini akan menghalangi difusi ion metal lebih lanjut. Koefisien difusi yang rendah dan konduktivitas listrik yang rendah dapat membuat lapisan oksida bersifat protektif, menghalangi proses oksidasi lebih lanjut.

slide297

dan

dan

Laju Penebalan Lapisan Oksida

Jika lapisan oksida berpori dan ion oksigen mudah berdifusi melalui lapisan oksida ini, maka oksidasi di permukaan metal (permukaan batas metal-oksida) akan terjadi dengan laju yang hampir konstan. Lapisan oksida ini nonprotektif.

Jika x: ketebalan lapisan oksidamaka

Jika lapisan oksida bersifat protektif, transfer ion dan elektron masih mungkin terjadi walaupun dengan lambat. Dalam keadaan demikian ini komposisi di kedua sisi permukaan oksida (yaitu permukaan batas oksida-metal dan oksida-udara) bisa dianggap konstan. Kita dapat mengaplikasikan Hukum Fick Pertama, sehingga

slide298

Jika lapisan oksida bersifat sangat protektif dengan konduktivitas listrik yang rendah, maka

A, B, dan C adalah konstan. Kondisi ini berlaku jika terjadi pemumpukan muatan (ion, elektron) yang dikenal dengan muatan ruang, yang menghalangi gerakan ion dan elektron lebih lanjut.

Agar lapisan oksida menjadi protektif, beberapa hal perlu dipenuhi oleh lapisan ini.

Ia tak mudah ditembus ion, sebagaimana;

Ia harus melekat dengan baik ke permukaan metal; adhesivitas antara oksida dan metal ini sangat dipengaruhi oleh bentuk permukaan metal, koefisien muai panjang relatif antara oksida dan metal, laju kenaikan temperatur relatif antara oksida dan metal; temperatur sangat berpengaruh pada sifat protektif oksida.

Ia harus nonvolatile, tidak mudah menguap pada temperatur kerja dan juga harus tidak reaktif dengan lingkungannya.

slide299

Oksidasi Selektif

Oksidasi selektif terjadi pada larutan biner metal di mana salah satu metal lebih mudah teroksidasi dari yang lain. Peristiwa ini terjadi jika salah satu komponen memiliki energi bebas jauh lebih negatif dibanding dengan komponen yang lain dalam pembentukan oksida. Kehadiran chrom dalam alloy misalnya, memberikan ketahanan lebih baik terhadap terjadinya oksidasi.

Oksidasi Internal.Dalam alloy berbahan dasar tembaga dengan kandungan alluminium bisa terjadi oksidasi internal dan terbentuk Al2O3 dalam matriksnya. Penyebaran oksida yang terbentuk itu membuat material ini menjadi keras.

Oksidasi Intergranular. Dalam beberapa alloy oksidasi selektif di bidang batas antar butiran terjadi jauh sebelum butiran itu sendiri teroksidasi. Peristiwa in membuat berkurangnya luas penampang metal yang menyebabkan penurunan kekuatannya.

Oksidasi selektif bisa memberi manfaat bisa pula merugikan.

slide301

JikaG< 0  M1 elektron mereduksi ion M2

M1mengalami korosi

Beda tegangan muncul antara M1 dan M2

hubungan listrik

anoda

katoda

M1

M2

elektrolit

Korosi Karena Perbedaan Metal Elektroda

Peristiwa korosi ini merupakan peristiwa elektro-kimia, karena ia terjadi jika duametal berbedayang saling kontak secara listrik berada dalam lingkungan elektrolit

perbedaan Gyang terjadi apabila kedua metal terionisasi dan melarutkan ion dari permukaan masing-masing ke elektrolit dalam jumlah yang ekivalen

slide302

dengan

dengan

1 mole metal mentransfer 1 mole elektron  96.500 coulomb

Angka ini disebut konstanta Faraday, dan diberi simbol F.

tegangan antara M1 dan M2 (dalam volt)

perubahan energi bebas

perubahan G adalah negatif jika tegangan V positif

Reaksi

dapat dipandang sebagai dua kali setengah-reaksi dengan masing-masing setengah-reaksi adalah

slide303

Deret emf pada 25o C, volt. [12].

Deret emf

Dengan pandangan setengah reaksi, tegangan antara anoda M1 dan katoda M2 dapat dinyatakan sebagai jumlah dari potensial setengah reaksi. Potensial setengah reaksi membentuk deret yang disebut deret emf (electromotive force series).

basis

slide304

membran

anoda

katoda

Fe

Fe

Fe+2

Fe+2

Korosi Karena Perbedaan Konsentrasi Ion Dalam Elektrolit

dua metal sama

tercelup dalam elektrolit dengan konsentrasi berbeda

G per mole tergantung dari konsentrasi larutan.

Anoda melepaskan ion dari permukaannya ke elektrolit dan memberikan elektron mereduksi ion pada katoda

membran untukmemisahkan elektrolit di mana anoda tercelup dengan elektrolit di mana katoda tercelup

agar perbedaan konsentrasi dapat dibuat

slide305

Contoh

Kecepatan fluida di bagian tengah cakram lebih rendah dari bagian pinggirnya

Konsentrasi ion di bagian tengah lebih tinggi dibandingkan dengan bagian pinggir

Bagian pinggir akan menjadi anoda dan mengalami korosi

fluida

cakram logam berputar

Dalam praktik, tidak harus ada membran

Perbedaan kecepatan aliran fluida pada suatu permukaan metal dapat menyebabkan terjadinya perbedaan konsentrasi ion pada permukaan metal tersebut

slide306

Elektrolitbersifatasam

ion hidrogen pada katoda akan ter-reduksi

Elektrolitbersifatbasa atau netral

OH terbentuk dari oksigen yang terlarut dan air

H hasil reduksi menempel dan melapisi permukaan katoda; terjadilah polarisasipada katoda.

Polarisasi menghambat proses selanjutnya dan menurunkan V. Namun pada umumnya atom hidrogen membentuk molekul gas hidrogen dan terjadi depolarisasikatoda.

terjadi reaksi

  • konsentrasi oksigen menurun
  • konsentrasi ion OH di permukaan

katodameningkat

  • terjadi polarisasi katoda transfer

elektron dari anoda ke katoda menurun

dan Vjugamenurun

Depolarisasikatoda dapat terjadi jika kandungan oksigen di sekitar katoda bertambah melalui penambahan oksigen dari luar

membran

anoda

katoda

Fe

Fe

O2

O2

Korosi Karena Perbedaan Kandungan Gas Dalam Elektrolit

Apabila ion yang tersediauntuk proses sangat minim, kelanjutan proses yang terjadi tergantung dari keasaman elektrolit

slide307

Breather valve

Dalam praktik, perbedaan kandungan oksigen ini terjadi misalnya pada fluida dalam tangki metal

Permukaan fluida bersentuhan langsung dengan udara sehingga terjadi difusi gas melalui permukaan fluida.

Kandungan oksigen di daerah permukaan menjadi lebih tinggi dari daerah yang lebih jauh dari permukaan

Dinding metal di daerah permukaan fluida akan menjadi katoda

sedangkan yang lebih jauh akan menjadi anoda

slide308

Korosi Karena Perbedaan Stress

Yang mendorong terjadinya korosi adalah perubahan energi bebas

Apabila pada suhu kamar terjadideformasi pada sebatang logam (di daerah plastis), bagian yang mengalami deformasi akan memiliki energi bebas lebih tinggi dari bagian yang tidak mengalami deformasi.

Bagian metal di mana terjadi konsentrasi stress akan menjadi anoda dan bagian yang tidak mengalami stress menjadi katoda.

slide309

Kondisi Permukaan Elektroda

Proses korosi melibatkan aliran elektron, atau arus listrik.

Jika permukaan katoda lebih kecil dari anoda, maka kerapatan arus listrik di katoda akan lebih besar dari kerapatan arus di anoda. Keadaan ini menyebabkan polarisasi katoda lebih cepat terjadi dan menghentikan aliran elektron; proses korosi akan terhenti.

Jika permukaan anoda lebih kecil dari katoda, kerapatan arus di permukaan katoda lebih kecil dari kerapatan arus di anoda. Polarisasi katoda akan lebih lambat dan korosi akan lebih cepat terjadi.

Terbentuknya oksida yang bersifat protektif akan melindungi metal terhadap proses oksidasi lebih lanjut. Lapisan oksida ini juga dapat melindungi metal terhadap terjadinya korosi.

Ketahanan terhadap korosi karena adanya perlindungan oleh oksida disebut pasivasi. Pasivasi ini terjadi karena anoda terlindung oleh lapisan permukaan yang memisahkannya dari elektrolit. Namun apabila lingkungan merupakan pereduksi, lapisan pelindung dapat tereduksi dan metal tidak lagi terlindungi.

slide310

Tentang

KarbondanIkatanKarbon

dan

SenyawaHidrokarbon

tidakditayangkan di sininamundapatdibacadalamBuku

MengenalSifat Material

slide311

Kuliah Terbuka

MengenalSifat Material

SudaryatnoSudirham