Ikatan Kristal - Fisika Zat Padat

FISIKA ZAT PADAT – IKATAN KRISTAL

IKATAN KRISTAL

(crystal bonding)

AHMAD FAISAL HARISH

SATRIO BAYU PRADIPTHA

14306144006

14306144009

• Gaya AntarAtom

• Macam-macam Ikatan Kristal

PRESENTASI 5


Gaya Antar Atom

• Gaya apakah yang mepertahankan atom-atom dalam kristal agar tetap bersatu? Gaya elektrostatik tarik-manarik antara muatannegatif elektron dan muatan positif inti atom yang menjadipenyebab timbulnya gaya pemersatu (kohesi) dalam zat padat.

• Gaya magnet sangat kecil pengaruhnya pada kohesi dan gayagravitasi bahkan dapat diabaikan efeknya.

• Di pihak lain, adanya interaksi pertukaran, seperti gaya Van der Waals dan ikatan kovalen memberikan sumbangan yang beratipada kohesi kristal.

• Energi kohesi kristal didefinisikan sebagai energi yang diperlukanuntuk memecah/memisahkan kristal menjadi komponen-komponennya yang berupa atom netral yang bebas

• Apabila komponen-komponen kristal berupa ion positif dan ion negatif, maka energi kohesi lebih tepat disebut energi kisi.


Gaya Antar Atom

GAYA IKAT → adalah resultan dari gaya tarik

elektrostatik (antar proton-elektron) dan gaya tolakelektrostatik (proton-proton)

Besar gaya tarik dan tolak:

𝑟 > 𝑟0 gaya tarik lebih besar𝑟 < 𝑟0 gaya tolak lebih besar𝑟 = ∞ gaya tarik dan gaya tolak = 0𝑟 = 𝑟0 gaya tarik = gaya tolak, sehingga 𝑟0 disebut jarak

keseimbangan atau jarak ikatan


Gaya Antar Atom

Jika 𝑟 → ∞ energi potensialsistem nol

Jika nilai 𝑟 semakin kecil, nilainegatif energi potensial semakinbertambah besar

Jika jarak pisah 𝑟 sama denganjarak ikat 𝑟 = 𝑟0 , maka energipotensial mencapai minimum


Macam-macam Ikatan Kristal

• Ikatan Ionik• Ikatan Kovalen• Ikatan Logam• Ikatan Van Der Waals• Ikatan Hidrogen


Ikatan Ionik

• Terjadi akibat ikatan ionik antara ion-ion dalam zat

padat

• Ikatan ionik terbentuk karena adanya gaya Tarik-

menarik elektrostatik (Coulomb) antara ion positif

dan ion negatif

• Pada Kristal ionik, tiap ion dikelilingi oleh ion-ion

yang lain

• Beberapa contoh bahan Kristal ionik antara lain:

NaCl, CsCl, KBr, NaI, dst.


Ikatan Ionik

(1) (2)

Note:

(1) The simple cubic crystal

(2) The face-centered cubic structure (NaCl)

(3) The body-centered cubic structure (CsCl)

(3)


Ikatan Ionik

Setiap ion dikelilingi

6 tetangga terdekat

Setiap ion dikelilingi

8 tetangga terdekat


Ikatan Ionik

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

Potensial listrik:

𝐸𝑃 = 𝑉 = −𝛼𝑒2

4𝜋𝜀0

1

𝑟

𝛼 = konstanta madelung

dimana;

𝛼 = 1,748 untuk struktur kristal fcc

𝛼 = 1,763 untuk struktur kristal bcc

Akibat prinsip eksklusi Pauli timbul potensial tolak

𝐴𝑉𝑡𝑜 𝑙𝑎𝑘 =

𝑟𝑛

dimana 𝐴 adalah kekuatan tarikan dan 𝑛 menentukan bagaimana cepatnya

potensial bertambah jika 𝑟 berkurang.


Ikatan Ionik

Interaksi total ion adalah jumlah tarik dan tolak energi potensial:

𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = −𝛼𝑒2

4𝜋𝜀0

1

𝑟+𝐴

𝑟𝑛

Jarak pisah setimbanga antar-ion terjadi ketika 𝑉 mecapai nilai minimumnya 𝑉0

dengan mengambil𝑑𝑉

𝑑𝑟= 0 di 𝑟 = 𝑟0 diperoleh

𝐴 =𝛼𝑒2𝑟0

𝑛−1

4𝜋𝜀0𝑛

dan energi potensial yang diperoleh di 𝑟 = 𝑟0 adalah

𝑉0 = 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑟0 = −𝛼𝑒2

4𝜋𝜀0𝑟01 −

1

𝑛


Ikatan Ionik

Contoh ristal Ionik:


Ikatan Ionik

Sifat zat padat ionik

• Kristal kubik yang dibentuk relatif stabil dan keras

• Sifat konduktor elektriknya jelek, karena tidak terdapat

elektron bebas

• Suhu penguapannya tinggi sekitar 1000 sampai 2000 K

• Tidak tembus cahaya terhadap radiasi tampak

• Menyerap kuat sinar inframerah

• Mudah larut dalam zat cair polar seperti air


Ikatan Kovalen

• Terjadi karena ikatan kovalen antara atom-atom• Ikatan kovalen: ikatan yang terjadi karena adanya

pemakaian bersama elektron-elektron dari atom-atomyang bersangkutan

• Elektron-elektron yang membentuk ikatan tersebutbersifat lokal (hanya terdapat) di daerah antara duaatom, menempati orbital ikatan (𝜎) dengan spin yangberlawanan arahnya.

• Ikatan kovalen sering juga disebut ikatan kuantum,karena memerlukan teori kuantum untuk menjelaskanmekanisme pembentukan ikatannya.


Ikatan Kovalen

• Ikatan kovalen termasuk ikatan yang kuat. Ikatan padadua atom karbon dalam kristal intan (karbon padat)membentuk struktur tetrahedral, artinya setiap atomkarbon dikelilingi oleh 4 buah atom karbon tetanggaterdekat.

• Kristal lain yang termasuk dalam struktur intan adalahkristal silikon dan germanium (semikonduktor).

• Zat padat kovalen memiliki energi ikat yang lebih besardaripada zat padat ionik, sehingga memiliki sifat yanglebih keras.


Ikatan Kovalen

(1) Struktur tetrahedral dari karbon (2) Struktur kisi dari intan


Ikatan Kovalen

Contoh kristal kovalen:


Ikatan Kovalen

Sifat-sifat kristal kovalen:• Tidak larut dalam zat cair biasa• Sebagai konduktor dan termal yang jelek• Tembus cahaya (contoh: intan)• Beberapa kristal kovalen sangat keras• Sebagian krisatal, titik lelehnya sangat tinggi (intan =

4000 K)


Ikatan Logam

• Setiap logam mempunyai elektron valensi (elektronterluar) yang sangat mudah bergerak.

• Elektron-elektron valensi dilkuiskan sebagai lauranawan / gas elektron yang bebas mengelilingi /membungkus sebuah kisi atau ion-ion positif (strukturdasar logam)

• Ikatan antara gas elektron ini desebut ikatan logam.• Gas elektron bertindak sebagai “perekat” yang

mengikat ion-ion positif untuk membentuk suatukristal logam

• Logam dicirikan oleh tingginya konduktivitas listrik dantemal


Ikatan Logam

• Struktur kristal logam yang paling umum adalah fcc,bcc, atau hcp (hexagonal close packed)

• Energi kohesif ikatan logam cenderung berada dalamrentang 1-3 eV, yang menyebabkan logam kurangterikat kuat dibandingkan dengan zat padat ionik dankovalen, akibatnya logam berinteraksi kuat dengancahaya tampak yang menyebabkan logam menjaditidak tembus cahaya.


Ikatan Logam

Struktur ikatan logamIkatan antar teras atom (orbital atom yang terisipenuh elektron bersama-sama inti atom yang dikelilingi oleh elektron elektron bebas

Struktur atom dalam sebuah kristalheksagonal terpadatkan-rapat (hcp)


Ikatan Logam

Contoh kristal logam:


Ikatan Logam

Sifat-sifat Kristal Logam:• Tidak rembus cahaya• Permukaannya tampak mengkilap• Memiliki sifat konduktivitas dan termal yang

baik• Dapat dilarutkan dan dicampurkan dengan

logam lain sehingga membentuk senyawa baru,karena ikatan logam tidak bergantung padapertukaran elektron tertentu antara atom-atom.


Ikatan Van Der Waals

• Gas inert (He, Ne, Ar, dst) dapat membentuk kristal-kristalsederhana

• Kristal tersebut umumnya transparan, bersifat isolator, berikatan lemah dan memiliki titik leleh yang sangat rendah

• Atom-atom gas inert memiliki orbital valensi yang terisi penuhelektron, sehingga elektron-elektron valensi tidakmemungkinkan lagi untuk membentuk ikatan

• Atom-atom gas inert dapat mengalami distorsi yang sangatkecil pada distribusi elektronnya dalam orbital kulit penuh yang berbetuk simetri bola. Meskipun kecil, penyimpangan ini cukupmengubah atom-atom menjadi dipol-dipol listrik. Interaksiantar dipol inilah yang menghasilkan gaya tarik-menarik yang disebut gaya Van der Waals.


• Energi interaksi

𝐸𝑉𝐷𝑊 = −𝐴

𝑟6

• Energi tolak-menolak:

𝐸𝑟𝑒𝑝 =𝐵

𝑟12

• Sehingga energi interaksi

dalam ikatan Van der Waals:

𝐸 𝑟 = −𝐴

𝑟6+

𝐵

𝑟12

Ikatan Van Der Waals

• Persamaan tersebut

dirumuskan lebih lanjut oleh

Lennard-Jones dalam bentuk

𝐸 𝑟 = 4𝜀 𝜎/𝑟 12 − 𝜎/𝑟6

besaran 𝜀 dan 𝜎 adalah

parameter yang dapat

ditentukan dari eksperimen


• Atom hidrogen hanya dapat berikatan dengan sebuah atom lain,

karena hanya memiliki sebuah elektro. Pada keadaan tertentu,

atom hidrogen dapat juga berikatan kuat dengan dua buah atom

• Dalam ikatan hidrogen, atom H bersifat sebagai ion positif

terutama bila berikatan dengan atom-atom yang elektronegatif,

seperti F, O, dan N

• Ikatan hidrogen berperanan penting dalam interaksi antar

molekul 𝐻2𝑂 , dan bersama-sama interaksi elektrostatik dari

dipol-dipol listrik ( 𝐻2𝑂 molekul polar ) berperan dalam

pembentukan molekul air dan kristal es

Ikatan Hidrogen


Susunan kristal es (𝐻2𝑂 padat), setiap atom oksigen dikelilingi oleh

4 atom H. jarak antar atom O-O terdekat 2,76 angstrom dan antara

atom-atom H-O 1,75 angstrom dan H-H 1,01 angstrom,

Ikatan Hidrogen

Jenis Ikatan Asal Ikatan Sifat

Ionik Gaya tarik menarik elektrostatikantara ion positif dan ion negatif

Keras; titik lebur tinggi; larut dalam cairan polar seperti air

Kovalen Patungan elektron Sangat keras; titik leburtinggi; larut dalam sedikitcairan; tidak tembuscahaya tampak

Logam Gaya tarik menarik elektrostatikantara ion positif logam dengan awanelektron

Berkilauan; menghantarkan kalor danlistrik dengan baik

Van der Waals

Gaya Van der Waals akibat distribusimuatan yang tidak simetris

Lunak; titik lebur dan titikdidih rendah; larut dalamcairan kovalen

Hidrogen Gaya tarik menarik elektrostatik kuatantara hidrogen pada satu molekuldengan atom N, O atau F

Lebih kuat dari ikatan Van der Waals; titik lebur dantitik didih lebih tinggi dariikatan Van der Waals

IKATAN PADA KRISTAL

Ionic Bonding

Covalent Bonding

MetalicBonding

Van der Waals Bonding

HydrogenBonding

High Melting Point

Very High Melting Point

Variable Melting Point

Low Melting Points

Low Melting Points

Hard and Brittle

Very Hard Variable Hardness

Soft and Brittle

Soft and Brittle

Non conductingsolid

Usually not conducting

Conducting Non conducting

Usually non conducting

NaCl, CsCl, ZnS

Diamond, Graphite

Fe, Cu, Ag Ne, Ar, Kr and Xe

Ice, organiksolid

TYPES OF BONDING


Dunia ini seperti sebuah variabel.Berubah-ubah sesuai dengan konstanta yang ada.Kau tak akan pernah bisa mengungkapkannya dengan rumus apapun. Hanya Tuhan yang bisa mengungkapkannya.Karena Ia-lah pencipta, penemu, dan ilmuwan terhebat dalam kehidupan ini.

THANK YOU

Ikatan Kristal - Fisika Zat Padat

Education

Transcript of Ikatan Kristal - Fisika Zat Padat