BAHAN KONSTRUKSI KIMIA

Bab 1 : pengenalan BKK Bab 2 : bahan baku dan proses produksiBab 3 : besi dan paduannyaBab 4 : perlakuan panas & pengerjaan dingin terhadap bahan Bab 5 : polimerBab 6 : pembuatan polimerBab 7 : keramikBab 8 : komposit, serat & partikelBab 9 : korosiBab 10 : prinsip dasar korosi logamBab 11 : teknik penanggulangan korosi pipa, beton, alat-alat proses Bab 12 : teknik penilaian korosi

BAB 2 : BAHAN BAKU & PROSES PRODUKSIA. - bahan bakuB. - 1. ikatan atom dalam bahan padat - 2. bilangan koordinasiC.- larutan padat- paduan - cacat-cacat dalam struktur logamD.- masalah produksi bahan & daur ulang

A. bahan baku

Bahan yang digunakan manusia akan mengikuti siklus bahan mulai dari :1. bahan mentah2. pembuatan3. pelapukan Bahan mentah diambil dari bumi melalui : penambangan, pengeboran, penggalian & pengolahan menjadi bahan baku. Contohnya, kayu gelondongan yang diolah menjadi bahan teknis seperti kayu lapis.

Contoh lainnya ialah, kawat listrik, besi beton, plastik. Akhirnya setelah digunakan selama beberapa waktu bahan-bahan tersebut kembali keasalnya, ke bumi sebagai sisa ( scrap ) atau memenuhi siklus untuk diolah kembali dan digunakan lagi sebelum dibuang.

Open Cast

Strip Mining

Area Mining

Top Mountain Removal

A. 1. ikatan atom dalam bahan padat Tinjauan umum tentang ikatan kimia.

Pengertian ikatan kimia. Apabila terjadi interaksi antara dua atom, maka akan terjadi perubahan susunan elektron pada kedua atom tersebut. Perubahan ini dapat mengakibatkan terjadinya tarik menarik antara kedua atom sehingga dapat tergabungmembentuk molekul. Susunan elektron dari masing-masingatom yang membentuk molekul tersebut sudah berbeda dengan susunan elektron dalam atom bebas.

Ikatan antar atom dalam bahan padatDalam semua benda padat atom-atom terikat dan ikatan inilah yang memberi kekuatan dan menentukan sifat-sifat listrik & termal pada benda padat. Sebagai contoh ikatan yang kuat mengakibatkan titik cair yang tinggi, modulus elastisitas yang tinggi. Jarak antar atom yang lebih kecil serta koeffisien muai yang lebih rendah. Adanya ikatan-ikatan ini menjadi dasar mengelompokkan bahan dalam kelompok : - logam- polimer (plastik)- keramik.

Ikatan antar atom Ikatan kimia ialah gaya tarik menarik antar atom-atom sehingga atom-atom tersebut tetap berada dalam keadaan bersama-sama. Ikatan kimia itu ada :- 1 ikatan primer - 2 ikatan sekunder 1. Ikatan primer ialah ikatan antar atom yang sangat kuat. Jenis ikatan ini ialah :1. a. ikatan ion 1. b. ikatan kovalen 1. c. ikatan logam.

1. a. ikatan ion ikatan ion ialah ikatan yang terjadi antara ion-ion positif dengan ion-ion negatif. Gaya tarik menarik yang terjadi antar ion ialah gaya tarik menarik Coulomb antara bahan yang bermuatan negatif & positif. Contohnya :Atom oksigen menangkap dua elektron terluar atom Mg. Mg + O2 -> MgO + 570 kj/molMgO harus dipanaskan sampai 2800 0C sebelum mempunyai cukup energi dan mencair.

Ion Na dikelilingi oleh sejumlah ion Cl- dan ion Cl dikelilingi oleh sejumlah ion Na+ Na + Cl -> NaClPersyaratan utama dalam bahan dengan ikatan ion adalah jumlah muatan positif sama dengan muatan negatif. Atom Cl & O2 dengan mudah menerima tambahan elektron pada orbital valensinya sampai mencapai delapan buah elektron.

Contoh Ikatan Ion :Na------->Na + + e(1s2 2s2 2p6 3s1)( 1s2 2s2 2p6)

Cl+ e ------> Cl-(1s2 2s2 2p6 3s2 3p5)( 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6)

Na++Cl---- Na+Cl-

Pembentukan Ion PositifIon positif terbentuk karena suatu atom melepaskan elektron. Atom yang cenderung melepaskan elektron membentuk ion positif adalah atom unsur logam. Oleh karena itu, unsur logam disebut unsur elektropositif. Unsur logam golongan utama cenderung melepaskan elektron valensinya agar konfigurasi elektron valensinya sesuai dengan konfigurasi elektron gas mulia.Pembentukan Ion Negatif.Ion negatif terbentuk karena suatu atom menerima elektron. Atom yang cenderung menerima elektron adalah atom unsur non logam. Karena unsur non logam cenderung membentuk ion negatif, unsure non logam disebut unsur elektronegatif dan mempunyai afinitas elektron yang besar. Secara umum banyaknya elektron yang diterima oleh unsur non logam adalah sebanyak kekurangannya agar sesuai dengan konfigurasi elektron gas mulia terdekat.

Ikatan ion (elektrovalen) adalah ikatan yang terjadi karena adanya gaya tarik-menarik elektrostatik antara ion positif dan ion negatif.

Ion positif terbentuk ketika suatu atom melepaskan elektron.

Atom-atom yang cenderung mudah melepaskan elektron valensi terletak pada golongan IA (kecuali H), golongan IIA, dan golongan IIIA. Masing-masing melepaskan 1 dan 2, dan 3 elektronnya.

Unsur-unsur golongan alkali (IA) melepaskan 1 elektronNaNa++ e

Ion negatif terbentuk ketika suatu atom menerima elektron. Atom-atom yang mudah menerima elektron terletak pada golongan VA, VIA dan VIIA. Karena mempunyai afinitas elektron yang besar. Untuk memperoleh kestabilan, sesuai dengan aturan oktet, unsur dengan valensi 5, 6 dan 7 akan dengan mudah menerima elektron.

Unsur-unsur golongan halogen (VIIA) menerima 1 elektronF + eF-

1. b. ikatan kovalenikatan kovalen ialah ikatan yang terjadi karena pemakaian bersama pasangan elektron oleh dua atom. Disini elektron saling membagi. Contoh :1. ikatan antara atom H dan atom C dalam CH4.HC + 4 H+ -> H : C : HHPada ikatan ini masing-masing atom meminjamkan satu atau lebih elektron pada kulit terluarnya utk dipakai bersama.

Ikatan kovalen sering disebut juga dengan ikatan homo polar. Ikatan kovalen adalah ikatan yang terjadi karena penggunaan bersama elektron oleh dua atom yang berikatan. Ikatan kovalen biasanya terjadi antara atom nonlogam dengan atom nonlogam. Penggunaan bersama pasangan elektron biasanya menggunakan notasi titik elektron atau dikenal dengan struktur lewis.

Ikatan kovalen tunggal terjadi pada senyawa seperti Hidrogen (H2), Asamklorida (HCl), Metana (CH4), Air (H2O) dll. Pembentukan kovalen tunggal dapat dilihat dari contoh berikut :Pembentukan molekul H2Pembentukan Molekul H2O

Pembentukan Ikatan Kovalen Tunggal.Contoh : Pembentukan Molekul Hidrogen (H2) dengan struktur Lewis.Gambar : Ikatan Kovalen Tunggal

ditulis

Ikatan kovalen rangkap adalah ikatan kovalen yang mempunyai ikatan tak jenuh karena ikatan antar atomnya lebih dari satu. Pembentukan ikatan rangkap dua dapat dilihat dari contoh berikut:Pembentukan molekul O2Pembentukan molekul C2H4

Pembentukan Ikatan Kovalen Rangkap.Contoh : Ikatan Kovalen Rangkap Dua dengan struktur Lewis.Gambar : Ikatan Kovalen Rangkap Dua

ditulis

ditulis

Ikatan kovalen rangkap tiga adalah ikatan kovalen yang mempunyai tiga pasangan elektron yang dipakai secara bersama-sama Pembentukan ikatan rangkap tiga dapat dilihat dari contoh berikut:Pembentukan molekul C2H2

ditulis

Pembentukan Ikatan Kovalen Rangkap TigaContoh : Pembentukan molekul Nitrogen (N2) dengan struktur Lewis.Gambar : Ikatan Kovalen Rangkap Tiga

1. c. ikatan logam. ikatan logam ialah ikatan antar atom dalam suatu unsur logam dengan perantaraan elektron-elektron valensi. Unsur logam mempunyai keelektronegatifan yang rendah sesuai dengan letak logam-logam dibagian kiri dalam sistem periodik. Akibatnya elektron-elektron valensi dalam atom-atom logam bebas bergerak kemana-mana diruangandisela-sela kumpulan ion-ion positif yang berenang dalam larutan valensi. Antara ion positif dan elektron terjadi tarik menarik yang menghasilkan ikatan logam.

2. Ikatan sekunder

Ikatan ini lebih lemah dari ikatan primer. Jenis ikatan ini ialah : 2. a. dwi kutub induksi2. b. molekul polar2. c. jembatan hidrogen

2. a. dwi kutub induksi

dwi kutub induksi ialah terbentuknya dua kutub dalam molekul karena terjadinya medan listrik yang lemah. Hampir semua gas berbentuk simetris untuk jangka waktu yang cukup lama. Pusat muatan positif dari proton dalam inti dan pusat muatan negatif elektron terletak pada pusat molekul. Tetapi secara berangsur-angsur gerakan elektron dan getaran atom mengganggu simetri tersebut dan terbentuklah dwi kutub-dwi kutub yang kecil dalam waktu tertentu.

Muatan positif dan negatif tidak berimpit lagi sehingga terbentuklah dwi kutub dengan pusat muatan positif dan negatif yang berbeda dalam molekul, oleh karena itu terjadilah gaya tarik menarik meski lemah.

2. b. Molekul polar

Molekul NH3, CH3Cl, dan H2O yang tidak simetris selalu mempunyai pusat muatan positif dan negatif yang tidak berimpitan. NH3 harus dipanaskan sampai 240 0K sebelum agitasi termal dapat memutuskan ikatan antar mol menjadi gas. CH4 simetrs dengan ikatan yang lebih lemah menguap pada suhu 145 0K. CH3Cl tidak menguap sebelum mencapai259 0K, karena klorin memiliki banyak elektron yang terletak agak jauh dari pusat molekul, oleh karena itu memiliki gaya tarik menarik dengan molekul yang berdekatan.

2. c. jembatan hidrogenJembatan hidrogen ialah suatu ikatan antar molekul yang disebabkan oleh gaya tarik menarik atom yang sangat elektronegatif terhadap atom hidrogan dalam molekul lain. Proton yang terdapat pada ujung ikatan C-H3O-H atau N-H tidak dikelilingi elektron oleh karena itu muatan positif ini dapat menarik elektron valensi dari molekul-molekul yang berdekatan. Ikatan jenis Coulomb yang terbentuk ini disebut jembatan Hidrogen.

H - F .H - F . H - F : :: ikatan hydrogen : : : : : H - F . H - F .. ..H - F Ikatan Kovalen

A. 2. bilangan koordinasibilangan koordinasi ialah suatu bilangan yang menunjukkan jumlah tetangga terdekat suatu atom. Hidrogen mempunyai satu tetangga terdekat sehingga bilangan koordinasinya adalah 1. ion Mg2+ punya bilangan koordinasi 6, karena setiap atom Mg2+ dikelilingi oleh maksimal 6 ion Oksigen. Bilangan koordinasi atom tergantung pada dua faktor :1. kovalensi2. penumpukan atom.

1. Kovalensi Jumlah ikatan kovalen disekitar atom tergantung pada jumlah valensinya. Halida termasuk group VII pada tabel periodik punya satu ikatan, jadi BK nya = 1, bila terikat secara kovalen. Kelompok oksigen, group VI mempunyai dua ikatan dalam molekulnya, jadi BK nya = 2. Elemen Nitrogen mempunyai BK nya = 3 yang termasuk group V.

2. Penumpukan atom Karena sejumlah energi bebas bila ion dengan muatan berbeda saling mendekati, bahan dengan ikatan ion umumnya memiliki bilangan koordinasi yang tinggi yaitu sebanyak mungkin tetangga terdekat tanpa menimbulkan gaya tolak menolak yang kuat antara ion dengan muatan yang sama. Contoh, ion Mg2+ dikelilingi oleh ion O2-, ion Mg2+.

B. larutan padat & paduan

Larutan padat dalam logam. Suatu benda padat berada dalam keadaan murninya atau dicampur dengan zat lain, kombinasi dari dua atau lebih jenis logam biasa disebut paduan. Paduan ini dapat berupa larutan padat misal kuningan, yang terbuat dari campuran seng dan tembaga. Larutan padat ini mudah terbentuk bila pelarut dan atom yang terlarut memiliki ukuran yang sama 7 struktur elektron yang sama atau serupa.

Larutan padat dalam logam terdiri dari :a. larutan padat substitusib. larutan padat tertatac. larutan padat interstisid. larutan padat dalam senyawa

a. larutan padat substitusi

Larutan padat seperti ini banyak dijumpai dalam berbagai sistim logam, dimana atom unsur menggantikan atom unsur lain untuk membentuk suatu larutan padat tersubstitusi. Unsur tersebut tidak boleh melewati daya larut padat maksimal unsur lain. Faktor pembatas daya larut ini ialah jumlah atom substitusinya.

b. larutan padat tertataPada larutan ini substitusi atom dalam struktur kristal lain membentuk pengaturan khusus. Penataan seperti ini jarang terjadi pada suhu yang tinggi karena agitasi termal yang besar cendrung mengacaukan susunan tertata.

c. larutan padat interstisi

Pada jenis larutan ini atom yang kecil dikelilingi oleh atom-atom yang lebih besar. Pembentukan jenis larutan padat iniberhubungan dengan pengaturan atom dalam unsur penyusunnya.

d. larutan padat dalam senyawa

Larutan padat substitusi terdapat dalam fasa ionik, sama halnya dengan logam padat ukuran atom atau ion merupakan faktor yang penting. Persyaratan tambahan berlaku lebih ketat ialah muatan valensi ion yang digantikan harus sama dengan muatan valensi ion baru. Larutan padat dalam senyawa akan membentuk dua kemungkinan yaitu :1. senyawa stoichiometri 2. senyawa bukan stoichiometri.

1. senyawa stoichiometri. unsur penyusunnya memiliki perbandingan tetap atau pasti. Contoh : H2O, CH4, MgO

2. senyawa bukan stoichiometri Adalah senyawa-senyawa yang tidak memiliki perbandingan atom yang tetap. Contohnya : Cu2Al, FeOAntara atom yang tidak sejenis terbentuk ikatan, akibatnya strukturnya lebih sempurna pada senyawa stoichiometri.

B. cacat-cacat dalam struktur logam

Ketidak sempurnaan dalam struktur logam ada tiga macam 1. cacat titik2. cacat garis3. cacat volume.

Skema representasi kekosongan pada Kristal dalam 2 dimensi.

1. Cacat titik ialah ketidak sempurnaan yang meliputi sebuah atau beberapa atom hasil dari penumpukan yang salah pada waktu kristalisasi atau dapat juga terjadi pada suhu yang tinggi. Cacat titik itu berupa : a. kekosonganb. cacat substitusic. cacat interstisid. cacat frenkel

a. Cacat titik berupa kekosongan yaitu hilangnya atom dari kedudukannya pada kisi. Kekosongan terdiri dari :(1) kekosongan tunggal(2) kekosongan ganda(3) kekosongan pasangan ion. b. Cacat substitusi yaitu adanya atom asing menempati suatu kedudukan pada kisi yang semestinya diisi atom tuan rumah.

Skema representasi kekosongan pada Kristal dalam 2 dimensi.

Gambar disamping menunjukan skema representasi macam-macam cacat titik dalam Kristal (1) kekosongan, (2) self-interstitial, (3) Interstitial impurity, (4) (5) subtitutional impurities. Tanda panah menunjukan tekanan local yang dihasilkan oleh cacat titik.

c. Cacat interstisi yaitu sebuah atom atau lebih menempati kedudukan yang tidak normal sehingga terdesak keantara atom-atom pada kisi tuan rumah. d. Cacat frenkel yaitu perpindahan ion dari kisi ketempat sisipan.

Gambar ini merupakan skema representasi dari (1) cacat Frenkel (kekosongan dan pasangan interstitial) dan cacat schottky (kekosongan pasangan kation dan anion) dalam Kristal ionic

2. cacat garis ialah ketidak sempurnaan yang meliputi bidang-bidang atom bukan atom-atom individu, yang tidak menempati kedudukan sempurna pada kisi. dislokasi adalah contoh cacat garis. Dislokasi berupa :a. dislokasi tepib. dislokasi ulirDislokasi tepi ialah adanya sebuah bidang atom tidak sempurna diantara dua bidang lain. Dislokasi ulir ialah adanya bidang yang menyerong sedikit sehingga tidak searah lagi dgn bid. terdekatnya

Cacat garis (line defect)

Cacat bidang (interfacial defect)

Dislokasi tepi

screw dislocation

3. cacat volume yaitu ketidak sesuaian volume logam dengan struktur keseluruhan bahan jenis yang terbentuk sempurna. Cacat ini umumnya akibat proses-proses yang terjadi selama manufacturing (pabrik). Cacat ini berupa : a. renik b. retakc. inklusi.

a. Renik Cacat ini berupa rongga-rongga kecil dalam bahan yang kemungkinan disebabkan oleh sejumlah mekanisme. Renik juga dapat timbul akibat pengerutan selamapembekuan.

b. Retak. Retak berawal dari sejak pencetakan, biasanya akibat tidak meratanya pendinginan dan timbulnya tegangan-tegangan dalam cetakan. Retak juga dapat terjadi akibat penempaan serta tidak jarang dijumpai pada atau didekat las-lasan.

c. Inklusi. Inklusi yaitu terjebaknya partikel-partikel bahan asing dalam padatan yang tentu saja bukan bagian dari struktur kisi logam itu sendiri. Alam semesta tidaklah sempurna danselalu terdapat ketidak sempurnaan didalamnya. Mungkin sebuah atom diantara 1010 tidak berada ditempatnya, meskipun demikian cacat tersebut mungkin memegang peranan yang berarti.

Cacat menentukan : 1. sifat semi konduktor2. kekenyalan logam3. paduan (penguatan)4. warna batu.Cacat juga memungkinkan pergerakan atom selama perlakuan panas, sehingga terbentuknya struktur baru dan sifat-sifat yang lebih baik.

C. Masalah produksi bahan & daur ulang1. Masalah produksi bahan. Untuk memperoleh produk akhir yang memuaskan perlu dipertimbangkan :a. pasarb. pertanggung jawaban hukum & perlindungan konsumenc. spesifikasi untuk perancangand. spesifikasi untuk manufacturinge. spesifikasi untuk pengendalian mutu

1. a. pasar. Syarat yang harus dipenuhi pemasaran produk adalah :1. harus ada yang membutuhkan produk akhir2. produk harus memenuhi kebutuhan penggunaan akhir3. harga yang wajar4. kwalitasnya5. waktu penyerahan yang tepat

1. b. Pertanggung jawaban & perlindungan konsumen Tim perancang harus membuktikan didepan hukum bahwa semua prosedur telah dijalankan dan produk mereka aman serta memuaskan. Perancang harus memperhitungkan kemungkinan penyalahgunaan. Undang-undang perlindungan hak konsumen telah diterapkan dalam hal perancangan dan pemilihan bahan untuk produk seperti kendaraan bermotor atau barang rumah tangga.

1. c. spesifikasi untuk perancanganDisini produk dijabarkan menurut geometri bagian :a. pola penataan b. ukuran c. sifat yang dikehendakic. bahan penyusunnya, Dimana semuanya berpengaruh pada perancangan. Tujuan ini semua untuk menyatakan bahwa produk memberikan hasil yang sesuai dengan fungsi yang dimaksudkan dan dapat dijual murah.

1. d. spesifikasi untuk manufacturing

Bertujuan menguraikan semua kebutuhan dalam pembuatan barang. Kebutuhan tersebut ialah :1. bahan baku 2. rincian bentuk3. ukuran4. toleransi5. perlakuan panasyang diperlukan agar sesuai dengan rancangan. Biasanya terdiri dari sebuah gambar disertai catatan atau petunjuk rinci ttg bagaimana suatu barang diproduksi.

1. e. spesifikasi untuk pengendalian mutuSpesifikasi mutu yang kurang memadai akan sangat merugikan. Pengendalian mutu ditentukan oleh spesifikasi pemilihan bahan dan manufacturing, juga spesifikasi pasar. Produk harus memenuhi uji mutu dan permintaan pasar agar sesuai dengan rancangan. Hampir semua bahan yang dihasilkan ahli rancang & ahli teknik akan dijual dipasaran, kecuali produk yang kegunaannya terbatas, seperti, 1. peralatan angkatan bersenjata2. program ruang angkasa.

Produk harus mencapai daya guna yang dipersyaratkan dengan biaya minimal. Untuk memenuhinya maka :1. rancangan hanya akan dilaksanakan bila telah ditelaah segala kemungkinan mengenai dimensi, bahan dan sifat-sifatnya serta urutan produksi ditinjau dari segi biaya dan kecendrungan masa datang. 2. keberhasilan ditentukan oleh penyederhanaan komponen, sehingga biaya lebih murah dan keberhandalan lebih baik karena produksi lebih sedikit.

2. Skrap, logam bekas atau sisa Skrap terbagi dua :1. skrap baru2. skrap lama 1. skrap baru dihasilkan produsen ditempat produknya sendiri. Identitas paduannya jelas dan bebas dari kotorannya. 2. skrap lama adalah skrap yang dihasilkan atau berasal dari benda yang telah dipergunakan, identitas dan komposisinya kurang jelas.

Bila masa gunanya singkat, perlu diusahakan agar logam dapat digunakan kembali melalui proses daur ulang dengan biaya dan energi serendah mungkin serta penyusutan logam seminimal mungkin. Penyusutan logam terjadi karena kontaminasi dengan kotoran selama pemakaian dan pada waktu pembongkaran komponen, pemurnian & peleburan kembali.

Penggunaan logam dan bahan sekali pakai dikelompokkan sebagai berikut :1. korban untuk proteksi2. komponen kecil3. benda yang tidak dapat dipisahkan

1. korban untuk proteksi.Contohnya adalah besi galvani dan anoda seng yang dipakai untuk melindungi konstruksi baja dalam air laut dari korosi.

2. komponen kecil. Bila logam atau bahan berharga dibuat menjadi satuan kecil demi penghematan, besar kemungkinan komponen yang kecil ini dibuang setelah habis masa gunanya.Contohnya ; mata panah dari karbida tungsten yang mengandung tungsten & kobalt, keduanya logam mahal. Digunakan untuk mata bor batuan dan untuk permesinan, hanya sedikit yang mengalami daur ulang.

3. benda yang tidak dapat dipisahkan. Contohnya logam-logam pada radiator mobil atau motor listrik kecil yang sulit dipisahkan, atau biaya pemisahannya tinggi, kehilangan logam saat pemurnian tinggi.

Sumber daya alam jumlahnya terbatas, untuk mengatasinya dapat dilakukan dengan daur ulang atau substitusi. Ada dua istilah untuk logam yang berasal dari sumber pengadaan bahan : 1. logam primer2. logam sekunder. 1. logam primer : logam yang diolah dari bijih besi untuk pertama kali.2. logam sekunder : logam yang telah mengalami daur ulang.

Logam jenis ini berasal dari sumber : a. skrap prosesb. skrap bekas Skrap proses diketahui komposisi kimia dan mutunya.Skrap bekas tidak jelas komposisinya sehingga menghambat daur ulang. Seperti : kapal, mesin atau rangka konstruksi tua. Hal-hal yang membatasi daur ulang dapat dilihat dari segi ;teknik atau teknologi, ekonomi & proses.

Tugas : cari materi ini di internet dan pelajari, minggu depan latihan Bawa kertas dobel folio bergaris Bawa buku dan catatan Delele

Tugas :1. Cacat volume berupa : a. renik b. retakc. inklusi. 2. Apa itu : a. skrap proses b. skrap bekas 3. Jenis ikatan sekunder ialah : a. dwi kutub induksi b. molekul polar c. jembatan hidrogen4. Apa itu bilangan koordinasi dan jelaskan.

*******************