Kimia Anorganik IIDra. Ida Farida, Ch.

MPd.

Zat Padat Dan Struktur Kristal

ZAT PADAT DAN STRUKTUR KRISTAL

A. ZAT PADAT KRISTALIN DAN AMORFB. STRUKTUR KRISTAL

1. STRUKTUR KEMASAN RAPAT2. STRUKTUR KRISTAL IONIK

C. PENENTUAN STRUKTUR KRISTAL MELALUI DIFRAKSI SINAR XD. PENGGOLONGAN KRISTAL

1. KRISTAL MOLEKULAR2. KRISTAL KOVALEN3. KRISTAL IONIK4. KRISTAL LOGAM

E. KONDUKTOR DAN SEMIKONDUKTOR1. TEORI PITA2. KERUSAKAN DALAM STRUKTUR KRISTAL

ZAT PADAT KRISTALIN DAN AMORFSifat umum zat padat : tidak berubah bentuk dan volum, jika dipindahkan dan satu

tempat ke tempat lain volumnya tidak berkurang jika ditekan.

MENGAPA ?akibat kuatnya gaya atraksi partikel pembentuknya sehingga

partikel-partikel penyusunnya hanya dapat bergetar pada posisi tertentu dalam susunan yang kaku.

BAGAIMANA ?bagaimana partikel-partikel itu menyusun zat padat, sehingga

susunannya bersifat kaku dan gaya atraksinya begitu kuat ?

Cobalah anda bandingkan dua contoh zat padat , misalnya serbuk garam dapur (atau gula pasir) dan potongan plastik (atau kaca).

Panaskan di atas api perlahan-lahan, hingga zat padat itu meleleh. Amatilah !

Bagaimana melelehnya zat padat itu, dengan cara yang sama ataukah berbeda ?

Membandingkan sifat zat padat kristalin dengan zat padat amorf

Ketika dipanaskan potongan plastik ataupun kaca dengan naiknya suhu akan meleleh secara perlahan-lahan secara kontinu sampai semua zat berubah menjadi cair

Ketika dipanaskan gula pasir atau garam, meskipun suhu naik zat padat itu tidak meleleh. Baru meleleh jika tercapai suhu tertentu (mencapai titik lelehnya). Secara serentak dan mendadak.

Plastik atau kaca : - tidak mempunyai titik leleh yang tajam (trayek titik leleh)

Gula pasir- memiliki titik leleh yang tajam (tertentu)

Zat padat kristalin atom, ion atau molekul

penyusun zat padat tersusun teratur dalam suatu pola khusus, (susunan tiga dimensi berupa kisi kristal).

zat padat kristalin bersifat anistropik (sifat –sifat fisis tergantung pada arah ketika sifat itu diukur)

Gejala keanisotropikan kristal menjadi petunjuk kuat adanya keteraturan pada kisi kristal.

Zat padat amorf Atom,ion atau molekul

penyusun zat padat tidak beraturan dan mengikuti pola tertentu (acak),

Zat padat amorf bersifat isotropik (sifat-sifat fisis sama ke segala arah)

Akibat ketidak-teraturan susunan partikel-partikelnya, sifat fisisnya ekivalen ke segala arah.

Mengapa demikian ?

Contoh sifat anisotropik

Sifat mekanis kristal, seperti ketahanan terhadap geseran, akan berbeda jika arah geseran berbeda

Deformasi kisi sepanjang salah satu arah melibatkan penghilangan deret yang terbentuk dari dua atom secara berselang seling,

Deformasi menurut arah lain melibatkan penghilangan deret yang terdiri dari atom-atom sejenis.

STRUKTUR KRISTAL

Suatu substansi dimana partikel-partikel (atom/molekul/ion) terkemas rapat bersama-sama melalui suatu cara tertentu dengan energi potensial paling minimum.

Sel satuan (unit sel)

Pengulangan sel satuan membentuk struktur kristal (gambar dua dimensi)

UNIT SEL (SEL SATUAN) Unit terkecil dari struktur kristal. Pengulangan unit sel dengan suatu pola tertentu membentuk struktur kristal.

Ada empat jenis Unit Sel, yaitu : P, I, F dan C

P = Primitif (simple)I = Body (badan)F = Face (muka)C = Side (alas)

KISI KRISTAL (LATTICE) Susunan tiga dimensi titik-titik kisi dalam ruang

yang menunjukkan pola rangkaian tatanan terulang (unit sel) dari partikel penyusun kristal

Parameter Kisi Kristal

Panjang Rusuk dinyatakan dengan Notasi : a (sepanjang sumbu x) b (sepanjang sumbu y) c (sepanjang sumbu z)Besar Sudut dinyatakan denganNotasi : (sudut zy) (sudut xz) (sudut xy)

TUJUH SISTEM KISI KRISTAL DASAR

Penentuan Koordinat Dalam Kisi Kristal

Posisi P ditentukan dengan koordinat (qrs)

Koordinat q dinyatakan dengan panjang qa pada sumbu x

Koordinat r dinyatakan dengan panjang rb pada sumbu y

Koordinat s dinyatakan dengan panjang sc pada sumbu z

Setiap titik koordinat merupakan bilangan hasil pembagian

Koordinat P adalah (½ ½ ½)

Contoh: Tentukan Koordinat Titik P

Posisi titik P (¼ 1 ½)

Tentukan koordinat semua titik kisi untuk unit sel kubus pusat badan (bcc)

Jawaban : Ada 8 titik (di setiap sudut) dan 1 di tengah (0 0 0), (1 0 0), (1 1 0), (0 1 0),

(0 0 1), (1 0 1), (1 1 1), (0 1 1) (½ ½ ½),

Penentuan Jumlah Atom dalam Unit Sel

Bagaimana menghitung jumlah partikel (atom) yang terdapat dalam I unit sel ?Perhatikan :

Atom-atom yang berbeda posisinya dalam sel berbagi dengan unit sel yang lain Atom sudut berbagi dengan 8 sel lain, jadi ada 1/8 atom per sel Atom muka (face) berbagi dengan 2 sel lain, jadi ada 1/2 atom per sel Atom badan (body) ada 1 atom per sel

(tidak berbagi dengan sel lain, karena ada di tengah)

Perhatikan : Bola yang tergambar pada kisi bukan mewakili satu partikel (atom, molekul,ion) tetapi menunjukkan titik sudut persekutuan dari partikel yang menempati lokasi tersebut

fcc

APF x 100 % menunjukkan faktor efesiensi kemasan rapat

Faktor Kemasan Rapat

Bila suatu benda berbentuk bulat disusun membentuk pola tertentu, sehingga satu sama lain saling bersentuhan (terkemas rapat) selalu saja ada rongga/lubang di antara bola-bola tersebut

Untuk mengetahui efesiensi susunan kemasan rapat dari setiap unit sel, dihitung dari APF (atomic packing factor) atau faktor kemasan rapat unit sel tersebut

Pertanyaan : Berapa faktor kemasan rapat dari setiap unit sel dalam kristal ?

selunit Volume

selunit dalam atom volumeTotal APF

• Bilangan koordinasi # = 6 (Jumlah atom tetangga)

Kubus Sederhana/primitif (SC)

Jumlah atom per unit sel = 1/8 X 8 = 1 atom/sel

APF untuk kubik sederhana = 0.52 atau 52 %

Volume/atom

3

3) 5,0(34

x 1 APF

a

a

Volume/unit sel

Atom/unit sel

aR

Kubus Berpusat Badan (BCC)

APF untuk bcc = 3/8 = 0.68 atau 68 %

Panjang rusuk sesuai arah kemasan = 4R = 3.a

Setiap unit sel mengandung = 1 + (8 x 1/8) atom = 2 atom/sel

Bilangan koordinasi = 8

3

3)4/ 3(34

x 2 APF

a

a

Volume/unit sel

Atom/unit selVolume/atom

Jari-jari atom R = (3.a) / 4

Bilangan koordinasi = 12

Kubus Berpusat Muka (FCC)

a

Panjang rusuk sesuai arah kemasan = 4R = 2. aJari-jari atom =( 2.a)/4

Setiap unit sel mengandung = (6 x ½) + (8 x 1/8) atom = 4 atom/sel

APF untuk fcc = /(32) = 0.74 atau 74%

Struktur kemasan rapat yang paling mungkin adalah (fcc), karena efesiensinya paling besar

3

3)4/ 2(34

x 4 APF

a

a

Volume/unit sel

Atom/unit sel Volume/atom

STRUKTUR KEMASAN RAPAT

Struktur kemasan rapat : Struktur logam dipandang terbentuk oleh tatanan

atom-atom yang terkemas (packing) bersama-sama dalam suatu kristal

Pada kemasan rapat tatanan atom-atom terkemas meminimalisir terdapatnya rongga-rongga, sehingga energi paling rendah stabil

Konsep kemasan rapat mengasumsikan bahwa atom-atom berupa bola yang keras dan memiliki ukuran sama untuk atom yang sama

Pembentukan Lapisan Pertama A terdapat 6 lubang/rongga

Pembentukan Lapisan Kedua Pola AB (lingkaran biru), namun masih terdapat lubang (lingkaran kuning)

PENYUSUNAN STRUKTUR KEMASAN RAPAT

Lapisan Kedua Pola A, B menghasilkan dua jenis lubang (rongga), yaitu

Lubang Tetrahedral dan Lubang Oktahedral

Lubang tetrahedral dikelilingi empat atom tetangga (3-merah dan 1-biru)

Lubang oktahedral dikelilingi enam atom tetangga (3-merah dan 1-biru)

Lapisan Kedua

Bila semua lubang tetrahedral ditutup, lapisan ketiga mengikuti pola ABAB..

Bila semua lubang oktrahedral ditutup, lapisan ketiga mengikuti pola ABCABC..

Terbentuk Struktur Kemasan Rapat Heksagonal (hcp)

Terbentuk Struktur Kemasan Rapat kubus pusat muka (fcc)

Lapisan A

Lapisan B

Lapisan C

Lapisan A

Pola…ABCABCABC… [Kubus pusat muka (FCC)]

Pola…ABABAB… [Kemasan rapat heksagonal(HCP)]

Lapisan Pertama A Lapisan Kedua B

Proyeksi 2 Dimensi

Gambar tampak samping untuk ccp atau fccDengan pola ABC

AB

CPola ABCABC.... = Kemasan rapat kubus (CCP) atau

kubus pusat muka (FCC) : a = b =c, = = = 90°Ada 4 atom di dalam unit sel : (0, 0, 0) (0, 1/2, 1/2) (1/2, 0, 1/2) (1/2, 1/2, 0)Bilangan koordinasi : 12APF = 0,72 Effesiensi = 72 %

Pola ABABAB.... menghasilkan Kemasan Rapat Hexagonal (HCP) Unit sel menunjukkan simetri penuh pengulangan Hexagonal : a = b, c = 1.63a, = = 90°, = 120°Ada 2 atom di dalam unit sel :

(0, 0, 0) (2/3, 1/3, 1/2)Bilangan koordinasi : 12APF = 0,72 Effesiensi = 72 % untuk rasio ideal rusuk c/a = 1,63

Beberapa logam berada dalam struktur bukan kemasan rapat, Yaitu : Kubus Pusat Badan (BCC)

APF = 0,68 Efesiensi = 68 %Bilangan koordinasi = 8Jumlah atom/unit sel = 2

Perbandingan Struktur Kristal Kemasan Rapat (Close Packing)

Struktur kristal Bil koordinasi APF Arah

Kemasan rapat

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Kubus Sederhana (SC) 6 0.52 sudut kubus

Kubus Pusat Badan (BCC) 8 0.68 diagonal badan

Kubus Pusat Muka (FCC) 12 0.74 diagonal muka

Hexagonal (HCP) 12 0.74 sisi hexagonal------------------------------------------------------------------------------------------------

Struktur Kristal Logam Struktur kristal logam berupa struktur kemasan rapat (close packed)

Kemasan rapat sederhana untuk logam ada dua jenis, yaitu ccp (fcc), dan hcp

Struktur kemasan rapat pada logam, mengakibatkan logam mempunyai densitas yang tinggi.

Logam dengan struktur ccp (fcc) mempunyai delapan bidang geser yang simetris, sehingga berhubungan erat dengan kemudahannya untuk dibengkokan atau dibentuk (ditempa) (Contoh : Al, Au, Ag, Cu, Pd, Pt, Ni dan Pb)

Logam dengan struktur hcp mempunyai satu bidang geser, sehingga bersifat rapuh (contoh : Co, Mg, Ti dan Zn)

Beberapa logam dengan elektron valensi rendah mengadopsi struktur bcc yang bukan struktur kemasan rapat, sehingga sifatnya tidak sekeras logam dengan struktur ccp dan hcp (contoh : Ba, Cs, Cr, Fe, K, dan W)

Beberapa logam dapat mempunyai struktur yang berbeda tergantung pada suhu dan tekanan (disebut polimorfisme)

hc (4H) ; Struktur kemasan rapat kombinasi antara hcp – antikuboktahedron dan ccp - kuboktahedron

Menghitung Densitas Teoritis ()

(Densitas = massa jenis) Densitas, () = massa/volume massa = jumlah atom/unit sel x massa tiap atom massa tiap atom = massa atom relatif/bil. Avogadro Vc = Volume unit sel

AVcN

An

Massa molar atom (g/mol)Jml atom/unit sel

Volume/unit sel(cm3/unit sel)

Bilangan Avogadro(6 x 1023 atom/mol)

Densitas teoritis ()

Contoh : Tembaga (Cu)Struktur kristal = fcc ; 4 atom/unit selMassa molar atom = 63,55 gram/mol Jari-jari atom R = 0,128 nm (1 nm = 10-7 cm)Vc = a3 : untuk fcc , a (pj.rusuk)= 4R/2Vc = 4,75 x 10-23 cm3

AVcN

An

Massa molar atom (g/mol)Jml atom/unit sel

Volume/unit sel(cm3/unit sel)

Bilangan Avogadro(6 x 1023 atom/mol)

Massa jenis (densitas) teoritis = Cu = 8,89 g/cm3Bandingkan dengan hasil percobaan (lihat tabel) = Cu = 8,94 g/cm3

323323

g/cm 89,8atom/mol )10(6selunit /cm )10(4,75

g/mol 55,63selatom/unit 4

(data dapat dilihat pada tabel di slide berikutnya)

Element Aluminum Argon Barium Beryllium Boron Bromine Cadmium Calcium Carbon Cesium Chlorine Chromium Cobalt Copper Flourine Gallium Germanium Gold Helium Hydrogen

Symbol Al Ar Ba Be B Br Cd Ca C Cs Cl Cr Co Cu F Ga Ge Au He H

At. Weight (amu) 26.98 39.95 137.33 9.012 10.81 79.90 112.41 40.08 12.011 132.91 35.45 52.00 58.93 63.55 19.00 69.72 72.59 196.97 4.003 1.008

Atomic radius (nm) 0.143 ------ 0.217 0.114 ------ ------ 0.149 0.197 0.071 0.265 ------ 0.125 0.125 0.128 ------ 0.122 0.122 0.144 ------ ------

Density (g/cm3) 2.71 ------ 3.5 1.85 2.34 ------ 8.65 1.55 2.25 1.87 ------ 7.19 8.9 8.94 ------ 5.90 5.32 19.32 ------ ------

Crystal Structure FCC ------ BCC HCP Rhomb ------ HCP FCC Hex BCC ------ BCC HCP FCC ------ Ortho. Dia. cubic FCC ------ ------

Karakteristik Beberapa Unsur pada 20o C

Soal Latihan

1.Besi Fe mengkristal dengan struktur bcc. Diketahui panjang rusuk adalah 0,2861 nm. Hitung densitas teoritis besi dan jari-jari atomnya ?

2. Besi juga dapat mengkristal dalam struktur fcc (polimorfisme). Dengan asumsi jari-jari atom tetap. Hitung densitas teoritis besi ?

Jawab : 1. = 7,92 g/cm3 Jari-jari atom R = 0,124 nm 2. = 8,66 g/cm3

DAFTAR RUJUKAN

Brady, James E & John R. Holum. 1993. Chemistry, The Study Of Matter and Its Changes. Canada : John Wiley & Sons, Inc.

Cotton F. Albert & Geoffrey Wilkinsons.1989. Basic Inorganic Chemistry. New York. : John Wiley & Sons , Inc.

Gary Wulfsberg, 1991. Principles of Descriptive Inorganic Chemistry. California : University Science Book.

Huheey. James E. 1983. Inorganic Chemistry. Principles of Structure and Reactivity. Third Ed. New York : Harper & Row. Pub.

Kristian H,Sugiyarto. 2003. Kimia Anorganik II. (Common Text Book). UNY-JICA .Yogyakarta

Meisler, G.I & Tarr, D.A. 1991. Inorganic Chemistry. New Jersey: Prentice Hall. Shriver,

D.F, Atkins,P.W & Langford,C.H. 1996. Inorganic Chemistry 2nd ed.. Tokyo : Oxford University Press