Selamat Datang Dalam Kuliah Terbuka Ini

1

Kuliah terbuka kali ini berjudul

“Mengenal Sifat Material II”

2

Disajikan olehSudaryatno Sudirham

melaluiwww.darpublic.com

3

4

Sesi 3

Struktur Padatan

5

STRUKTUR KRISTALKristal merupakan susunan atom-atom yang teratur dalam ruang tiga dimensi.

Keteraturan susunan tersebut timbul karena kondisi geometris yang diakibatkan 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

6

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-kisi ruang adalah susunan tiga dimensi titik-titik di mana setiap titik memiliki lingkungan yang serupa. Titik dengan lingkungan yang serupa itu

disebut titik kisi (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.

7

Sel Satuan pada Kisi-Kisi Ruang BRAVAIS

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

c

a

a

c

a

c

b

a

c

b

a

c

b

a

c

b

a

c

b

aaa a

c

Cubic:

Tetragonal:

Rhombohedral:

Orthorhombic:

Hexagonal:

Monoclinic:

Triclinic:

c

ba

a

c

b

a

a

a

8

Setiap titik kisi dapat ditempati oleh satu atau lebih atom, tetapi atom atau kelompok atom pada satu titik kisi haruslah identik dengan orientasi yang sama

agar memenuhi definisi kisi ruang.

Susunan atom dapat disebutkan secara lengkap dengan menyatakan posisi atom dalam suatu unit yang secara berulang tersusun dalam kisi ruang. Unit yang

berulang itu disebut sel satuan.

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 kisi hanya pada sudut-sudutnya, atau dengan kata lain satu unit sel yang memuat hanya satu titik kisi, disebut sel primitif.

9

Unsur Metal dan Unsur Mulia

3 sel satuan yang paling banyak dijumpai pada unsur ini adalah:

Bulatan menunjukkan posisi atom yang juga merupakan lattice points pada FCC dan BCC

Posisi atom yang ada dalam sel bukan lattice points

FCC BCC HCP

10

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.

Molekul diatomik tersebut membangun ikatan dengan molekul yang lain melalui ikatan sekunder yang lemah, membentuk kristal.

Orthorhombic

J2

Unsur Dengan Lebih Dari 3 Elektron Valensi

11

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 TeHexagonal

Rantai spiral atom Te bergabung

dengan rantai yang lain membentuk

kristal hexagonal.

Atom Group V (P, As, Sb, Bi) memiliki 5 elektron di kulit terluarnya dan setiap atom berikatan dengan tiga atom (dengan sudut ikatan tertentu).

12

Atom Group V (P, As, Sb, Bi) memiliki 5 elektron di kulit terluarnya dan setiap atom

berikatan dengan tiga atom (dengan sudut ikatan tertentu).

13

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.

14

Anion Kation

tetrahedron oktahedron

Contoh struktur kristal ionik

15

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

16

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.

Dalam bentuk kristal, atom-atom hidrogen mengikat molekul-molekul air dengan

ikatan ionik atau ikatan 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.

17

Jika molekul membentuk rantaian panjang dengan penampang melintang yang mendekati simetris, mereka biasanya mengkristal dalam kisi-kisi berbentuk

orthorhombic atau monoclinic.

Molekul polyethylene dilihat dari depan

H

C

H

18

Kebanyakan polimer yang terbentuk lebih dari dua macam atom, memiliki ketidak-teraturan yang membuat ia tidak mengkristal. Walaupun demikian ada yang

memiliki penampang simetris dan mudah mengkristal, seperti polytetrafluoroethylene (Teflon).

F

C

FMolekul polytetrafluoroethylene

Polimer yang komplekspun masih mungkin memiliki struktur yang simetris dan dapat mengkristal seperti halnya cellulose.

Kebanyakan kristal mengandung ketidak-sempurnaan. Karena kisi-kisi kristal merupakan suatu konsep geometris, maka ketidak-

sempurnaan kristal juga diklasifikasikan secara geometris.

• ketidak-sempurnaan berdimensi nol (ketidak-sempurnaan titik), • ketidak-sempurnaan berdimensi satu (ketidak-sempurnaan garis), • ketidak-sempurnaan berdimensi dua (ketidak-sempurnaan bidang). • Selain itu terjadi pula ketidak-sempurnaan volume dan juga ketidak-

sempurnaan pada struktur elektronik

19

Ketidaksempurnaan Pada Kristal

interstitial (atom asing)substitusi

(atom asing)

kekosonganinterstitial(atom sendiri)

Ketidak sempurnaan titik

tidak ada atom pada tempat yang seharusnya terisi

atom dari unsur yang sama (unsur sendiri) berada di antara atom matriks yang

seharusnya tidak terisi atom

atom asing berada di antara atom matriks yang seharusnya tidak terisi

(pengotoran)

atom asing menempati tempat yang seharusnya

ditempati oleh unsur sendiri (pengotoran)

20

Ketidak sempurnaan titik pada kristal ionik

pasangan tempat kosong yang ditinggalkan dan kation yang

meninggalkannya

kekosongan kation berpasangan dengan kekosongan anion

ketidaksempurnaan Schottkyketidaksempurnaan Frenkel

pengotoran substitusi

pengotoran interstitial

kekosongan kation

21

Dislokasi merupakan ketidak-sempurnaan kristal karena penempatan atom yang tidak pada tempat yang semestinya.

vector Burger

edge dislocation screw dislocation

Dislokasi

22

23

a) struktur yang terbangun dari molekul berbentuk rantai panjang

Melihat strukturnya, material nonkristal dapat dikelompokkan menjadi dua kelompok utama,

yaitu:

STRUKTUR NON KRISTAL

b) struktur yang terbangun dari jaringan tiga dimensi

24

Molekul Rantaian Panjang - Organik

Beberapa faktor yang mendorong terbentuknya struktur nonkristal adalah:

a) molekul rantaian yang panjang dan bercabang;

b) kelompok atom yang terikat secara tak beraturan sepanjang sisi molekul;

c) rantaian panjang yang merupakan kombinasi dari dua atau lebih polimer, yang disebut kopolimer;

d) adanya unsur aditif, yang akan memisahkan satu rantaian dari rantaian yang lain; unsur aditif ini biasa disebut plasticizer.

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

membentuk rantaian panjang polyethylene

Dalam struktur ini polyethylene disebut linear polyethylene

Contoh terbentuknya rantaian panjang

25

Keadaan jauh berbeda jika molekul polyethylene bercabang.

Makin bercabang, polyethylene makin nonkristal. Pengaruh adanya cabang ini bisa dilihat pada vinyl polymer, yaitu polymer dengan unit berulang C2H3X.

Cabang X ini bisa berupa gugus atom yang menempati posisi di mana atom H seharusnya berada.

H H | | C C | | H X

Ada tiga kemungkinan cara tersusunnya cabang ini yaitu

H

X

C

H

H

X

C

H

H

X

C

H

(a) ataktik (atactic), atau acak

(b) isotaktik (isotactic), semua cabang berada di salah satu sisi rantai

(c) sindiotaktik (syndiotactic), cabang-cabang secara teratur bergantian dari satu sisi ke sisi yang lain.

26

Jika gugus cabang kecil, seperti pada polyvinyl alkohol di mana X = OH, dan rantaian linier, maka polimer ini dengan mudah

membentuk kristal.

Akan tetapi jika gugus cabang besar, polimer akan berbentuk nonkristal seperti pada poyvinyl chloride, di mana X = Cl; juga pada polystyrene, di mana X = benzena yang secara

acak terdistribusi sepanjang rantaian (ataktik).

Polimer isotactic dan syndiotactic biasanya membentuk kristal, bahkan jika cabang cukup besar.

27

Kopolimerisasi atau pembentukan kopolimer, selalu menyebabkan ketidak-teraturan dan oleh karena itu mendorong

terbentuknya struktur nonkristal.

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

(b) susunan berselang-seling secara teratur

(c) susunan kopolimer secara blok

(d) salah satu macam polimer menjadi cabang rantaian macam polimer yang lain

28

Cross-Linking

Cross-link bisa juga terbentuk oleh atom atau molekul asing.

Cross-link bisa terbentuk oleh segmen kecil dari rantaian.

Cross-linking merupakan ikatan antar rantaian panjang yang terjadi di berbagai titik, dan ikatan ini merupakan ikatan primer.

29

Jaringan Tiga Dimensi - Anorganik

Suatu senyawa anorganik cenderung membentuk struktur nonkristal jika:

a) setiap anion terikat pada hanya dua kation;

b) tidak lebih dari empat anion mengelilingi satu kation;

c) polihedra anion berhubungan sudut ke sudut, tidak sisi ke sisi dan tidak pula bidang ke bidang;

d) senyawa memiliki sejumlah besar atom penyusun yang terdistribusi secara tak menentu di seluruh jaringan.

Jika muatan kation besar, seperti misalnya silika Si+4, dengan polihedron anion yang kecil, maka struktur nonkristal mudah sekali

terbentuk.

Kebanyakan gelas anorganik berbahan dasar silika, SiO2, dengan sub-unit berbentuk tetrahedra yang pada gelas silika murni terhubung sudut

ke sudut

30

Penambahan oksida alkali pada struktur yang demikian ini dapat memutus rantaian tetrahedra; atom oksigen dari oksida ini menyelip pada titik dimana dua tetrahedra terhubung dan memutus hubungan tersebut

sehingga masing-masing tertrahedron mempunyai satu sudut bebas. Terputusnya hubungan antar tetrahedra dapat menyebabkan turunnya

viskositas, sehingga gelas lebih mudah dibentuk.

31

Struktur Padatan

Struktur kristal dan nonkristal adalah struktur padatan dilihat dalam skala atom atau molekul.

Sesungguhnya kebanyakan padatan memiliki detil struktur yang lebih besar dari skala atom ataupun molekul, yang terbangun dari kelompok-kelompok

kristal ataupun nonkristal.

Kelompok-kelompok ini dengan jelas dapat dibedakan antara satu dengan lainnya dan disebut fasa; bidang batas antara mereka disebut batas fasa.

Secara formal dikatakan bahwa fasa adalah daerah dari suatu padatan yang secara fisis dapat dibedakan dari daerah yang lain

dalam padatan tersebut.

Pada dasarnya berbagai fasa yang hadir dalam suatu padatan dapat dipisahkan secara mekanis.

32

Dalam satu unit kristal jarak antara atom dengan atom hanya beberapa angstrom. Jika unit-unit kristal tersusun secara homogen membentuk padatan maka padatan yang terbentuk memiliki bangun yang sama dengan bangun unit kristal yang membentuknya namun dengan ukuran yang jauh lebih besar, dan

disebut sebagai kristal tunggal; padatan ini merupakan padatan satu fasa.

Pada umumnya susunan kristal dalam padatan satu fasa tidaklah homogen. Dislokasi dan perbedaan orientasi terjadi antara kristal-kristal. Padatan jenis ini merupakan padatan polikristal, walaupun tetap merupakan padatan satu fasa.

Kristal-kristal yang membentuk padatan ini biasa di sebut grain, dan batas antara grain disebut batas grain.

Pada padatan nonkristal sulit mengenali adanya struktur teratur dalam skala lebih besar dari beberapa kali jarak atom. Oleh karena itu kebanyakan

padatan nonkristal merupakan padatan satu fasa.

Padatan dapat tersusun dari dua fasa atau lebih. Padatan demikian disebut sebagai padatan multifasa. Padatan multifasa bisa terdiri hanya dari satu

komponen (komponen tunggal) atau lebih (multikomponen).

33

Kuliah Terbuka

Mengenal Sifat Material IISesi-3

Sudaryatno Sudirham

34