PRINSIP STRUKTUR KRISTAL

MAKALAHDisusun untuk memenuhi Tugas Semester Gasalpada Mata Kuliah Geokimia yang diampu olehBapak Suhartana, M.Si

DISUSUN OLEH :1. Intan Dewi Salmah240301121400712. Ustera Octovindra W24030112130128

JURUSAN KIMIAFAKULTAS SAINS DAN MATEMATIKAUNIVERSITAS DIPONEGOROSEMARANG2014

BAB IPENDAHULUAN

I. LatarBelakangSebuah padatan dengan mata telanjang tampak sebagai benda tegar yang kontinu. Akan tetapi hasil eksperimen telah menunjukkan bahwa semua padatan disusun oleh satuan dasar dari atom-ataom yang brsifat diskrit. Atom-atom tersebut tidak terdistribusi secara random tetapi tersusun dalam susunan yang sangat teratur relative terhadap atom-atom yang lain. Susunan dari kelompok atom-atom yang memiliki keteraturan sangat tinggi tersebut disebut kristal. Terdapat beberapa jenis struktur Kristal bergantung pada geometri dari susunan atom-atomnya. Pengetahuan tentang struktur Kristal menjadi sangat penting karena struktur Kristal mempengaruhi sifst-sifat dari padatan.

II. Rumusan Masalaha. Apa definisi dasar Kristal ?b. Bagaimana struktur Kristal tersebut ?

III. Tujuana. Untuk mengetahui definisi Kristalb. Untuk mengetahui jenis dari struktur Kristal

BAB IIPEMBAHASAN

Sejak tahun 1912, struktur zat telah ditentukan. Sejak mineral-mineral menjadi sumber zat yang mengkristal, banyak peneliti yang bekerja di bidang ini secara alami menggunakan mineral untuk menginvestigasi struktur Kristal. Hasilnya, dan untuk progress geokimia, struktur dari banyak mineral yang bekerja relative sangat cepat. Ringkasan penting dari data struktur atom mineral telah dikemukakan oleh Bragg dan Claringbell (1965). Goldschmidt dan asosiasinya juga memberikan kontribusi, ini adalah salah satu kontribusinya dalam geokimia, ia menyadari arti struktrur Kristal dalam mengendalikan distribusi unsur pada kerak bumi.Unit standar pada semua struktur Kristal adalah atom, (pada diskusi ini istilah atom juga temasuk ion), yang mungkin, dihubungkan dengan atom lain dalam kelompok, dan berperilaku sebagai satu kesatuan dalam struktur. Kita mungkin menganggap atom merupakan muatan atom yang terdistribusi melalui sebuah bola kecil yang memiliki radius efektif orde 1A (10-8 cm). radius dapat diukur dengan akurat dan tidak hanya tergantung dari sifat unsur-unsur tapi juga keadaan ionisasi dan perilaku terkait dengan atom yang berdekatan. Sebagai contoh, radius atom natrium dalam logam natrium adalah 1,86A. tapi radius dari ion natrium dalam garam adalah 1,02A.Berbagai jenis hubungan interatomic diklasifikasikan menjadi empat jenis tipe ikatan. Ikatan logam bertanggung jawab atas koherensi logam; ikatan ionic atau ikatan polar, yang merupakan hubungan,dalam garam seperti NaCl; kovalen atau ikatan koordinasi diperlihatkan dalam Kristal termasuk intan. Dan residual atau ikatan van der waals, yang bertanggung jawab untuk koherensi inert gas ketika terkondensasi menjadi padat pada temperature rendah. Empat tipe ikatan ini member karakteristik pada zat yang terjadi dan member dasar untuk klasifikasi dari struktur Kristal. Lebih dari satu tipe ikatan yang mungkin terjadi pada senyawa tunggal; senyawa tersebut disebut heterodesmik. Dan senyawa yang hanya punya satu jenis ikatan disebut homodesmik. Pada sifat fisika struktur heterodesmik, termasuk kekerasan, kekuatan dan titikleleh, secara umum ditentukan dari ikatan terlemah, yang pertama kali mengalami gangguan ketika terjadi peningkatan tekanan mekanik atau termal.Harus selalu diingat bahwa meskipun 4 tipe ikatan ini memiliki sifat yang terdefinisikan dengan baik, klasifikasi selalu berubah-ubah sepanjang ikatan pada banyak komponen mungkin lebih atau kurang intermediet. Ikatan silicon-oksigen pada silica dan silikat tidak murni ikatan ionic atau ikatan kovalen, tapi juga intermediet secara alami. Struktur diasumsikan dengan padatan yang semua system inti atom dan electron cenderung mengatur dirinya sendiri dalam pembentukannya dengan energy potensial minimum. Energy dari konfigurasi secara teoritis dapat dihitung dengan menggunakan teori mekanika kuantum, dan tidak ada perbedaan yang muncul antara berbagai jenis ikatan secara matematik. Elektronegativitas, yang di diskusikan di chapter 5, memberikan beberapa indikasi karakter ionic-kovalen pada ikatan kimia. Lampiran 1 adalah table elektronegativitas untuk beberapa senyawa. Kation dengan elektronegativitas paling jauh dari elektronegativitasan oksigen memiliki karakter ikatan ionic yang tinggi dengan oksigen.Perbaikan teori ikatan kimia sangat dibutuhkan untuk menjelaskan beberapa aspek tertentu pada Kristal. Ini termasuk penempatan electron pada orbital atom tertentu dan hubungan antara orbital tersebut dan bentuk orbital hybrid. Beberapa pertimbangan juga diperlukan, sebagai contoh, dalam menjelaskan perbedaan fisik antara intan dengan grafit, kedua komponen merupakan karbon murni. Karbon memiliki 6 elektron dalam konfigurasi hibridrisasi.1s2 2s2 2p1x 2p1yPerbedaan kondisi geokimia antar unsure transisi dan ikatan lainnya dengan muatan dan ukuran yang hampir sama dapat menggambarkan stabilitas energy bidang Kristal karena orientasi selektif ikatan electron pada orbital d pada bidang elektrikal dibentuk oleh anion di sekitar kation yang berada didalam Kristal. Sebagai contoh : ion divalent Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni dan Cu yang menerima stabilitas energy pada octahedral. Mn, Zn dan unsur-unsur non transisi lainnya dengan ukuran yang hampir sama tidak memiliki tambahan stabilitas ikatan. Pertimbangan tersebut telah digunakan untuk memprediksi stabilitas dan konsentrasi, misalnya Fe, Co dan Ni yang berada pada lapisan bumi yang paling rendah. Aplikasi teori bidang Kristal untuk unsure transisi telah dijelaskan oleh Burns (1970).Umumnya, hampir semua mineral dapat dilihat pada struktur ionnya dan kita dapat menanggap mereka sebagai senyawa anion oksigen dengan hamper semua unsure lainnya (kecuali halogen) yang berperan sebagai kation. Ion oksigen begitu besar dibandingkan dengan kebanyakan kation pada interstisial. Umumnya ,jari jari ion dapat dilihat pada gambar 4.1. Hidrogen tidak termasuk, karena memiliki yang unik. Ion hydrogen atau proton terlalu kecil, sehingga dianggap hamper tidak memiliki ekstensi spasial; melainkan bertindak seperti pusat dimensi dari muatan positif. Jari jari ion OH- pada dasarnya sama dengan ion O2-; atom hydrogen yang tertanam dalam atom oksigen dan gugus OH berbentuk bola.Karena jari-jari ion tergantung pada struktur atomnya dan berhubungan dengan posisi unsure pada tabel periodic. Aturan umumnya sebagai berikut :1. Untuk unsure dengan grup yang sama pada tabel periodic, jari-jari ion akan meningkat seiring kenaikan nomor atom unsur-unsurnya. Contoh : Be2+ 0,27 ; Mg2+ 0,72 ; Ca2+ 1,00 ; Sr2+ 1,13 ; Ba2+ 1,36. Hal ini tentu saja yang diharapkan karena untuk unsur unsure dalam grup yang sama pada tabel periodic, jumlah orbital atom yang mengitari inti dan karena jaraknya yang efektif maka jari jari ion akan meningkat dengan semakin menurunnya unsure pada satu golongan.2. Untuk ion positif pada struktur elektronik yang sama, jari-jari akan menurun dengan semakin meningkatnya muatan. Sebagaicontoh, kita ambil unsur-unsur pada baris horizontal kedua pada tabel periodic, semua memiliki 2 elektron pada orbital terdalam dan 8 elektron pada orbital terluar :Na+Mg2+Al3+Si4+P5+S6+1,020,720,530,400,170,12Jadi, sepanjang baris horizontal pada tabel periodic, jari-jari ion mengalami penurunan. Elektron electron pergi dari inti dan memberikan gaya Tarik yang besar, sehingga radius efektif dari ion mengalami penurunan.3. Untuk unsur yang terdapat pada tingkat valensi yaitu membentuk ion-ion dari muatan yang berbeda, semakin tinggi muatan positif ion, maka semakin kecil jari-jarinya. Contoh, Mn2+ 0,82 ; Mn3+ 0,65 ; Mn4+ 0,54. Alasan yang sama seperti penerapan aturan sebelumnya, kehilangan satu electron menyebabkan elektron yang tersisa akan lebih kuat tertarik oleh inti sehingga orbital terluar electron secara efektif tertarik dan menurunkan jari-jari ionic

Namun, terdapat kontradiksi pada aturan pertama dimana unsur alkali tanah sangat sedikit keberadaannya. Ion-ion trivalent (contoh: Al3+) dari unsur-unsur ini menurun radius jari-jarinya seiring dengan meningkatnya nomor atom, dari 1,14untuk La3+ke 0,85 untuk Lu3+. Hal tersebut disebut kontraksi lantanida yang merupakan akibat dari aktivitas elektron di kulit dasar. Sebagai hasil dari aktivitas tersebut, terjadi peningkatan muatan inti menghasilkan peningkatan aktivitas pada electron terluar dan secara efektif menurunkan radius ionik. Kontraksi lantanida juga mempengaruhi geokimia pada elektron Lutetium berikut; hafnium dan tantalum memiliki radius ionik yang hamper mirip dengan unsur lain dibawahnya pada tabel periodiczirconium dan niobiumsehingga dapat memperlihatkan sifat kristalokimia yang hampiri dentik.Pada struktur ionic masing-masing ion cenderung mengelilingi dirinya sendiri oleh ion dengan muatan yang berbeda; nomor yang dapat dikelompokkan sekitar ion pusat tergantung pada rasio jari-jari antara keduanya. Asumsikan bahwa ion berperilaku sebagai bola kaku dengan jari-jari tertentu, rasio jari-jari dari kation-anion yang tersusun rapih dapat dihitung dari geometri murni.

STRUKTUR KRISTAL PADA BEBERAPA ZAT PADATStruktur sel yang paling umum :Faced-centered cubic (FCC)Body-centered cubic (BCC) Hexagonal close-packed (HCP)

1. Crystal Structure (I): Face-Centered Cubic (FCC) Atom terletak di sudut dan di pusat Cu, Al, Ag, Au memiliki struktur kristal FCC Panjang tepi kubus, a= 2R2 Jumlah koordinasi, CN = jumlah tetangga terdekat= jumlah atom yang disentuh, CN = 12 Jumlah atom per satuan sel, n = 4. FCC satuan sel: 6 atom wajah bersama oleh dua sel: 6 x 1/2 = 3 8 atom sudut bersama oleh delapan sel: 8 x 1/8 = 1 faktor penumpukan atom, APF = Fraksi volume yang ditempati oleh bola keras = (Jumlah volume atom) / (Volume sel) = 0.74 (maksimum yang mungkin)

Contoh : Natrium khlorida NaCl adalah senyawa khas yang dalam strukturnyaanion Cl- disusun dalam ccp dan kation Na+ menempati lubang oktahedral (Oh) ( Gambar 2.7). Setiap kation Na+ dikelilingi oleh enam anion Cl-. Struktur yang sama akan dihasilkan bila posisi anion dan kation dipertukarkan. Dalam hal ditukar posisinya, setiap anion Cl- dikelilingi oleh enam kation Na+. Jadi, setiap ion berkoordinasi 6 dan akan memudahkan bila strukturnya dideskripsikan sebagai struktur (6,6). Jumlah ion dalam sel satuan dihitung dengan menjumlahkan ion seperti diperlihatkan dalam Gambar 2.7. Ion di dalam kubus dihitung satu, ion di muka kubus dibagi dua kubus, di sisi digunakan bersama empat kubus dan di pojok digunakan bersama oleh 8 kubus. Sehingga untuk struktur NaCl ada 4 ion Cl dalam sel satuan NaCl yang didapatkan dengan mengalikan jumlah ion dalam sel dengan satu, di muka dengan 1/2, dan di sisi dengan 1/4 dan di sudut dengan 1/8. Jumlah ion Na dalam sel satuan juga 4 dan rasio jumlah Cl dan Na cocok dengan rumus NaCl.

Gambar 2.7 Struktur NaCl.

2. Body-Centered Cubic Crystal Structure

Panjang tepi, a= 4R/3 Jumlah koordinasi, CN = 8 Jumlah atom persatuan sel, n = 2 Pusat atom tidak dibagi: 1 x 1 = 1 8 atom sudut bersama oleh delapan sel: 8 x 1/8 = 1 Faktor penumpukan atom, APF = 0.68 Tepi dan pusat atom yang setara3. Hexagonal Close-Packed Crystal Structure Enam atom membentuk segi enam biasa sekitar satu atom di pusat Cd, Mg, Zn, Ti memiliki struktur kristal ini

unit sel memiliki dua parameter kisi a dan c. Rasio yang ideal c / a = 1,633 Bilangan koordinasi, CN = 12 (sama seperti di FCC) Jumlah atom per sel satuan, n = 6. 3 atom mid-plane tidak dibagi: 3 x 1 = 3 12 atom sudut heksagonal bersama oleh 6 sel: 12 x 1/6 = 2 2 atas / atom pusat plane bawah bersama oleh 2 sel:

Faktor yang mempengaruhi struktur kristal :1. KONSTANTA KISIAdalah jarak yang selalu terulang dalam pola jangkau kristal yang menentukan sel satuan dalam kristal. Untuk sistem kubik konstanta kisinya adalah a, sedangkan untuk sistem tetragonal konstanta kisinya adalah a, b, dan c.Hal ini sesuai dengan sistem kristal sebagaimana tertera dibawah ini :SistemSumbu (axes)Sudut sumbu (axial angles)

Kubika = b = ca =b =g = 900

Tetragonala = b ca =b =g = 900

Ortorombika b ca =b =g = 900

Monoklinika b ca -g - 900b

Triklinika b cabg = 900

Hexagonala = a ca =b = 900 ;g = 1200

Rombohedrala = b = ca =b =g900

Konstanta kisi dapat dihitung dan diukur secara analitik dan dinyatakan dalam jari-jari atom penyusun kristal tersebut. Konstanta kisi kristal juga dapat ditentukan secara experimental, misalnya dengan difraksi sinar X.Misalnya pada atom-atom BCC sebagaimana dibawah in

Terlihat bahwa a sebagai konstanta kisi dan R sebagai jari-jari atom akan memiliki hubungan sebagai berikut :(2a)2 +(a)2 =(4 R)2 3a2 =(4 R)2Sehingga akan didapat bahwa :a =(4/3)(3)R

2. VOLUME DENSITY (r)Adalah massa atom per volume sel satuannya

3. ATOMIC PACKING FACTORS (APF). Atomic packing factors (APF) atau faktor tumpukan padat adalah volume atom dalam 1 sel satuan per volume sel satuan itu sendiri

4. COORDINATION NUMBERS (CN) Coordination numbers atau diterjemahkan sebagai bilangan koordinasi (BK) adalah suatu bilangan yang menunjukkan berapa jumlah atom-atom tetangga terdekat (atom-atom yang bersentuhan).Bilangan koordinasi tergantung pada 2 faktor, yaitu :a.Kovalensi . Jumlah ikatan kovalen di sekitar suatu atom tergantung pada jumlahelektron valensinya

b. Penumpukan atom.Karena sejumlah energi bebas, bila ion dengan muatan berbeda saling mendekati, bahan dengan ikatan ion , umumnya memiliki bilangan koordinasi yang tinggi yaitu mempunyaisebanyakmungkin atom tetangga terdekat tanpa menimbulkan gaya tolak-menolak yang kuat antaraiondengan muatan sama.Misalnya :Pada FCC Coordination number = 12 , yaitu terdiri dari 12 atom tetangga terdekat (4 atom pojok, 4 atom sisi, dan 4 atom equilaven sel berikutnya). Pada BCC coordination number = 8.