138451460 Bab 2 Gaya Ikat Kristal Zat Padat (1)

5/26/2018 138451460 Bab 2 Gaya Ikat Kristal Zat Padat (1)

1/10

GAYA IKAT DAN IKATAN KRISTAL

Disusun untuk memenuhi tugaspapermata kuliah pengantar fisika zat padat

Disusun Oleh:

Irfan Muhammad F 140310100029

Zendi Aprio 140310100031

Rahayu Agustia 140310100041

PROGRAM STUDI FISIKA

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS PADJADJARAN

2013


2/10

Dalam pembahasan ikatan dalam kristal, tentunya kita akan fokus pada

satu pertanyaan: apa yang menyebabkan kristal berikatan? Ikatan elektrostatik

antara muatan negatif dari elektron dan muatan positif dari proton secara

keseluruhan bertanggung jawab dalam proses ikatan dalam kristal. Gaya magnet

hanya memiliki pengaruh yang sedikit pada ikatan kristal, sedangkan gaya

gravitasi dapat diabaikan. Beberapa istilah yang dapat digunakan untuk

menjelaskan peristiwa ikatan pada kristal adalah gaya ikat, energi ikat, pertukaran

energi, gaya van der Waals, dan ikatan kovalen.

Gaya ikat adalah resultan dari gaya tarik elektrostatik (antar proton

elektron) dan gaya tolak elektrostatik (protonproton). Adanya gaya ikat ini

disebabkan oleh karena adanya kebutuhan atau kecenderungan agar dapat

menjadi stabil. Besar gaya tarik dan tolak yaitu :

r > ro gaya tarik lebih besar r < ro gaya tolak lebih besar r = gaya tarik dan gaya tolak = 0 r = ro gaya tarik = gaya tolak, sehingga ro disebut jarak

keseimbangan atau jarak ikatan

Rumus gaya ikat:

dimana: F = besarnya gaya ikatan (N)

k = konstanta

q1 dan q2 = muatan masing2 molekul/atom (Coloumb)

r = jarak anta molekul/atom (m)

Dalam ikatan kristal ada pula yang disebut energi ikat. Energi ikat kristal

didefinisikan sebagai energi yang perlu diberikan pada kristal untuk memisahkan

komponen-komponennya menjadi atom-atom bebas yang netral. Istilah energi kisi

digunakan pada diskusi tentang kristal ionik dan dijelaskan sebagai energi yang

harus diberikan pada kristal untuk memisahkan komponen ionnya menjadi ion

bebas.


3/10

Besar energi ikat dari berbagai unsur pada kristal bervariasi. kristal gas

mulia memiliki ikatan yang lemah dengan energi ikat yang lebih kecil jika

dibandingkan dengan unsur pada golongan IVA. Kristal dari logam alkali

memiliki nilai energi ikat yang relatif pertengahan dari semua unsur.

Ikatan antar atom ada yang kuat ada yang lemah. Pada ikatan atom yang

kuat, elektron pada orbital paling luarlah yang berperan besar dalam pembentukan

ikatan dan mereka disebut elektron valensi. Elektron pada orbital yang lebih

dalam lebih erat terikat pada inti atom dan disebut elektron inti. Dua atom akan

saling terikat jika ada gaya ikat antara keduanya. Dalam membahas ikatan atom,

kita tidak menggunakan pengertian gaya ikat ini melainkan energi ikat. Ikatan

antar atom terbentuk jika dalam pembentukan ikatan tersebut terjadi penurunan

energi total. Perubahan energi potensial terhadap perubahan jarak antar dua ion

atau dua molekul dapat dinyatakan dengan persamaan

(1.2)

dengan Vr = energi potensial total; r = jarak antar atom [nm];

a, b = konstanta tarik-menarik, konstanta tolak-menolak

m, n = konstanta karakteristik jenis ikatan dan tipe struktur;

-a/rm= Vtarikadalah energi yang terkait dengan gaya tarik antar partikel;

b/rn= Vtolakadalah energi yang terkait dengan gaya tolak.

Untuk ion m = 1, sedangkan untuk molekul m = 6. Konstanta n disebut

eksponen Born yang nilainya tergantung dari konfigurasi elektron, seperti

tercamtum pada Tabel 1.

Tabel 1. Eksponen Born

Gambar 1 memperlihatkan bentuk kurva perubahan energi sebagai fungsi

dari jarak antar ion. Jarak r0 adalah jarak yang bersesuaian dengan energi


4/10

minimum dan disebut jarak ikat. Karena ion selalu berosilasi maka posisi ion

adalah sekitar jarak ikat r0. Oleh karena itu energi ikat dapat didefinisikan sebagai

energi yang diperlukan untuk memisahkan ion dari jarak r0ke jarak tak hingga.

Energi disosiasi sama dengan energi ikat tetapi dengan tanda berlawanan.

Gambar 1. Kurva perubahan energi potensial

Macam-macam ikatan

1. Ikatan PrimerAda tiga macam ikatan yang dikelompokkan sebagai ikatan primer yaitu

ikatan ion, ikatan kovalen, dan ikatan logam. Ketiga macam ikatan ini disebutsebagai ikatanprimer karena ikatan ini bersifat kuat.

a. Ikatan IonSesuai dengan namanya, ikatan ini terjadi karena adanya tarik-menarik

antara dua ion yang berlawanan tanda. Ion itu sendiri terbentuk karena salah

satu atom yang akan membentuk ikatan memberikan elektron kepada atom

pasangannya yang memang memiliki kemampuan untuk menerima elektron.

Dengan demikian terjadilah pasangan ion positif dan negatif, dan mereka

saling terikat.

Atom dari unsur non logam memiliki hanya sedikit orbital p yang

setengah terisi dan ia mampu menarik elektron luar ke dalam salah satu orbital

yang setengah kosong tersebut. Atom F misalnya dengan konfigurasi 1s22s2

2p5hanya memiliki satu dari tiga orbitalp yang terisi satu elektron. Atom ini

mampu menarik satu elektron luar untuk memenuhi orbital p sehingga

menjadi ion F-dengan orbitalp yang terisi penuh. Sebaliknya, atom dari unsur

logam memiliki satu atau lebih elektron yang terikat longgar yang berada di


5/10

tingkat energi yang terletak di atas tingkat energi yang terisi penuh; misalnya

Li dengan konfigurasi 1s2 2s1mudah melepaskan satu elektron dan menjadi

ion Li+dengan orbital 1s terisi penuh. Li dan F membentuk ikatan ion menjadi

LiF. Ikatan ion terbentuk oleh adanya gaya tarik elektrostatik antara ion

positif dan ion negatif. Energi potensial V dari pasangan ion akan menjadi

lebih negatif jika jarak radial r semakin kecil. Dengan m = 1, energi yang

terkait dengan gaya tarik antar ion adalah

(1.2)

Walaupun demikian, jika jarak semakin pendek awan elektron dikedua ion akan mulai tumpang-tindih. Pada tahap ini, sesuai dengan prinsip

Pauli, beberapa elektron harus terpromosi ke tingkat yang lebih tinggi. Kerja

harus dilakukan pada ion-ion ini agar mereka saling mendekat; kerja ini

berbanding terbalik dengan pangkat tertentu dari jarak antara pusat ion.

Dengan demikian energi potensial total dari kedua ion dapat dinyatakan

sebagai

(1.3)

dengan E adalah energi yang diperlukan untuk mengubah kedua atom yang

semula netral menjadi ion.

Bagaimana ikatan ion terbentuk antara atom A dan B dapat diuraikan

secara singkat sebagai berikut. Jika EAadalah energi elektron s terluar dari

atom A, diperlukan energi sebesar 0 (EA) =EAuntuk melepaskan elektron

dari atom A sehingga atom A menjadi ion; EA disebut potensial ionisasi.

Setelah lepas dari atom A elektron tersebut menjadi elektron-bebas denganpotensial 0. Jika elektron ini kemudian masuk ke atom B, energinya akan

menurun dari 0 menjadi EB; EB disebut afinitas elektron. Jadi perubahan

energi netto adalah E = EB(EA) =EAEByang akan bernilai positif jika

potensial ionisasi atom A lebih besar dari afinitas elektron atom B. Gambar 2

memperlihatkan perubahan energi dalam pembentukan ikatan ion.


6/10

Gambar 2. Perubahan energi dalam pembentukan ikatan ion

Pada gambar ini terlihat bahwa jika energi yang mengikat cukup besar

(Vtarik), maka akan terjadi jumlah energi minimum dan energi minimum ini

terjadi pada jarak antar ion r0. Pada jarak inilah terjadi keseimbangan antara

gaya tarik dan gaya tolak antar ion. Penyimpangan jarak antar ion dari r0, baik

mengecil maupun membesar, akan meningkatkan energi potensial sehinggaselalu terjadi gaya yang mengarah ke posisi keseimbangan. Pada ikatan ini,

ion-ion terikat satu sama lain karena ada energi kohesif yang berasal dari

energi potensial listrik.

= -

: konstanta Madelung

bernilai 1,748 untuk struktur kristal fcc (face centered cubic)

bernilai 1,763 untuk struktur kristal bcc (base centered cubic)

Akibat prinsip ekslusi timbul gaya tolak=

Beberapa contoh Kristal ionik


7/10

Tabel 2. Contoh Kristal ionik

Sifat kristal ionik

1. Keras dan stabil2. Merupakan konduktor yang buruk, karena tidak ada elektron bebas3. Suhu penguapannya tinggi sekitar 1000 sampai 2000 K4. Tidak tembus cahaya5. Mudah larut dalam cairan polar (air)6. Menyerap radiasi infra merah

b. Ikatan KovalenIkatan kovalen adalah ikatan yang terjadi karena penggunaan bersama

pasangan elektron oleh dua atom yang berikatan. Ikatan kovalen biasanya

terjadi antara atom dari unsur non logam dengan non logam. Penggunaan

bersama pasangan elektron biasanya menggunakan notasi titik elektron atau

dikenal dengan struktur Lewis. Ikatan kovalen dapat dibedakan menjadi ikatan

kovalen tunggal, ikatan kovalen rangkap dua, ikatan kovalen rangkap tiga, dan

ikatan kovalen koordinasi. Ikatan kovalen tunggal, rangkap dua, dan rangkap

tiga dibedakan dari banyaknya ikatan antar atomnya. Sedangkan ikatan

kovalen koordinasi adalah ikatan yang terjadi apabila elektron ikatan hanya

berasal dari salah satu atom yang berikatan.

Gambar 3. Contoh ikatan kovalen pada molekul air

Beberapa contoh Kristal Kovalen


8/10

Tabel 3. Contoh kristal kovalen

Sifat-sifat Kristal kovalen

1. Tidak larut dalam zat cair biasa2. Penghantar yang buruk3. Tembus cahaya (contoh : intan)4. Beberapa kristal kovalen sangat keras (intan, silikon karbid utk

ampelas), karena energi kohesif kristal ini besar

5. Sebagian kristal, titik lelehnya sangat tinggi (intan = 4000 K)c. Ikatan Logam

Dalam interaksi antar atom logam, ikatan kimia dibentuk oleh gaya

tarik menarik-menarik elektron oleh inti (nucleus) yang berbeda. Asalnya

elektron milik satu atom yang ditarik oleh inti atom tetangganya yang

bermuatan +, dan elektron ini di-sharing dengan gaya tarik yang sama oleh

inti lain yang mengitarinya. Akibat jumlah elektron valensi yang rendah dan

terdapat jumlah ruang kososng yang besar, maka e-memiliki banyak tempat

untuk berpindah. Keadaan demikian menyebabkan e-dapat berpindah secara

bebas antar kation- kation tersebut. Elektron ini disebut delocalized elektron

dan ikatannya juga disebut delocalized bonding.Elektron bebas dalam orbit

ini bertindak sebagai perekat atau lem. Kation yang tinggal berdekatan satu

sama lain saling tarik menarik dengan elektron sebagai semennya. Pada

umumnya unsur dalam sistem periodik adalah logam. Atom logam dapat

berikatan kesegala arah sehingga dapat menjadi molekul yang besar.

Akibatnya ikatanya kuat dan menjadikan logam berbentuk padat.


9/10

2. Ikatan SekunderAda dua macam ikatan yang dikelompokkan sebagai ikatan sekunder yaitu

ikatan van der waals dan ikatan hidrogen. Kedua macam ikatan ini disebut sebagai

ikatansekunder karena ikatan ini bersifat lemah.

a. Ikatan Van der WaalsMekanisme ikatan Van der Walls terjadi pada semua padatan, akan

tetapi ikatan ini lebih dominan tampak pada gas mulia. Energi ikat untuk

padatan gas mulia dan molekul lainnya ditunjukkan pada tabel 4.

Tabel 4. Energi ikat untuk padatan gas mulia

Padatan Simbul Energi Kohesif Titik

lebur

Neon Ne 0,026 ev/atom 24 K

Argon Ar 0,088 ev/atom 84 K

Krypton Kr 0,12 ev/atom 117 K

Xenon Xe 0,17 ev/atom 161 K

Hidrogen H2 0,01 ev/atom 14 K

Oksigen O2 0,09 ev/atom 54 KNitrogen N2 0,081 ev/atom 63 K

Clorine Cl2 0,32 ev/atom 172 K

Hidrogen Clorida HCl 0,22 ev/atom 158 K

Energi kohesif dari beberapa padatan yang dicantumkan tabel 4 bila

dibandingkan dengan energi kohesif pada ikatan ionik tampak sangat kecil

sekali, yang menunjukkan bahwa ikatan Van der Walls adalah sangat lemah

sekali.

Untuk menjelaskan energi ikat pada ilatan Van der Walls, tinjaulah

kristal dari golongan gas mulia. Pertama tinjaulah komponen energi

repulsifnya. Konfigurasi elektronik dari golongan gas mulia adalah simetri

bola dan penurunan jarak atomik akan menghasilkan meningkatkan terjadinya

tumpang-tindih dari sel-sel elektron atom yang berdekatan. Pembatasan

terhadap jarak keberadaan dari fungsi gelombang elektron memberi

mendorong elektron ke keadaan energi lebih tinggi, karena prinsip Larangan


10/10

Pauli mencegah dari dua banyak menempati keadaan-keadaan energi lebih

rendah. Peristiwa ini sama dengan gaya repulsive inter-elektronik dan gaya ini

menghasilkan energi potensial. Data eksperimen menunjukkan bahwa energi

repulsif dalam gas mulia sebanding dengan 1/r12.

Selanjutnya untuk menentukan energi ikatan dari gas mulia , maka

faktor enrgi dari gaya tarikan (attractive force) antara dua atom netral yang

menyusun kristal tersebut. Energi ini dikontribusi oleh adanya momen dipole

yang berflukstuasi antara atom-atom tetangga. Dari teori elektrostatik medan

listrik pada sumbu dipol dengan momen p pada jarak r dari dipol adalah

3.4

2

r

p

o

. Dengan demikian pasangan dari atom-atom terdekat akan memiliki

energi interaksi yang bergantung pada(p/r3)2.

Kedua energi yang dijelaskan di atas akan berkontribusi energi kristal

yang terikat oleh gaya van der Walls yang dinyatakan dengan;

E =126 r

B

r

AE (1.4)

yang dikenal dengan potensial Lennard-Jones.

b. Ikatan HidrogenKarena hidrogen hanya mempunyai satu elektron, maka hidrogen akan

membentuk sebuah ikatan kovalen hanya dengan satu atom lainnya. Hal itu

telah diketahui, sekalipun kondisi dari atom hidrogen yang belum pasti diikat

dengan gaya yang cukup kuat oleh dua atom, dan itu merupakan pembentukan

dari ikatan hidrogen diantara atom-atom tersebut, dengan energi ikat 0,1 eV.

Hal tersebut dipastikan bahwa ikatan hidrogen memiliki karakter ion yang

besar, keadaan dibentuk hanya antara atom-atom yang paling elektronegatif,

terutama F, O, dan N.

138451460 Bab 2 Gaya Ikat Kristal Zat Padat (1)

Documents

Transcript of 138451460 Bab 2 Gaya Ikat Kristal Zat Padat (1)