Padatan Ionik dan logamStruktur dan energitika
Dr. Yuni K. Krisnandi
OverviewOverview1. Model padatan struktur terjejal2. Struktur ionik
- Oksida logam dan oksida campuran- Logam dan alloy- Metalloid (semi-logam)- sifat magnit
3. Energitika ikatan ionik- Energi kisi dan siklus Born-Haber- kontribusi coulomb terhadap entalpi kisi- konsekuensi dari entalpi kisi
1. Model padatan strutur terjejalPada tahun 1926 Goldschmidt mengajukan usul
bahwa kita dapat membayangkan atom dapat disusun dalam padatan sebagai bola-bola yang keras.
• Bayangkan koordinasi dari anion pada atom pusat
Koordinasi Polihedra
HaliteHalite
ClCl
ClCl
ClCl
ClCl
NaNa
• Dapat berlaku kebalikannya,tapi umumnya dipilih kation
• Dapat memprediksi koordinasi dengan mempertimbangkan rasio jari-jari ion:
RC/RA
Kation umumnya lebih kecil daripada anion sehingga dimulai dengan rasio maksimum = 1.0
Koordinasi Polihedra
Na
Na
Na
Na
ClCl
Koordinasi polihedraRadius Ratio: RC/RA = 1.0 (hanya terdiri dari satu unsur)
Bola-bola seukuran diletakkan ‘terjejal’ atau “Closest Packed”Hexagonal array:
6 tetangga terdekat pada satu bidang
Perhatikan lubang di mana atom-atom lapisan berikutnya akan diletakkan.Terdapat 2 posisi yang sama: Tipe 1 Tipe 2
1122
Susunan terjejalTambahkan lapisan berikutnya (merah)-Atom merah hanya dapat diletakkan di satu tipe celah-Kedua tipe celah tsb identik dan atom merah hanya dapat diletakkan di atas satu tipe celah saja.-Begitu satu atom merah diletakkan, atom merah lainnya hanya dapat diletakkan di celah tipe tsb.-Dalam kasus ini dipilih celah tipe 2.
11
Susunan terjejalLapisan ketiga ??Celah lapisan ketiga
sekrang berbeda!Sebut lapisan 1 =
posisi ALapisan 2 = posisi B
(terserah celah mana yg dipilih)
Lapisn 3 sekarang dapat mengisi posisi tipe A (langsung di atas atom kuning) ATAU tipe directly above yellow atoms) or posisi C (di atas lubang pada lapisan A dan B)
Susunan TerjejalLapisan ketiga:
Jika menempati posisi tipe A, urutan lapisan menjadi A-B-A-B dan membentuk susunan terjejal heksagonal atau hexagonal closest packed structure (HCP)
Bilangan koordinasi (tetangga terdekat yg menempel) = 12
6 koplanar3 di atas bidang3 di bawah bidang
Susunan TerjejalLapisan ketiga:
Jika menempati posisi tipe A, urutan lapisan menjadi A-B-A-B dan membentuk susunan terjejal heksagonal atau hexagonal closest packed structure (HCP)
Susunan TerjejalLapisan ketiga:
Jika menempati posisi tipe A, urutan lapisan menjadi A-B-A-B dan membentuk susunan terjejal heksagonal atau hexagonal closest packed structure (HCP)
Susunan TerjejalLapisan ketiga:
Jika menempati posisi tipe A, urutan lapisan menjadi A-B-A-B dan membentuk susunan terjejal heksagonal atau hexagonal closest packed structure (HCP)
Susunan TerjejalLapisan ketiga:
Jika menempati posisi tipe A, urutan lapisan menjadi A-B-A-B dan membentuk susunan terjejal heksagonal atau hexagonal closest packed structure (HCP)
Perhatikan: lapisan atom paling atas langsung berada di atas lapisan atom plaing bawah
Susunan TerjejalLapisan ketiga:
Unit sel
Susunan TerjejalLapisan ketiga:
Unit sel
Susunan TerjejalThird layer:
Unit cell
Susunan TerjejalThird layer:
Unit cell
Susunan TerjejalThird layer:
Pemandangan dari atas menunjukkan unit sel hexagonal
Susunan TerjejalThird layer:
Pemandangan dari atas menunjukkan unit sel hexagonal
Heksagonal terjejal
Susunan Terjejal
Alternatif lain:Kita dapat meletakkan lapisan etiga pada posisi tipe C (di atas lubang pada kedua lapisan A dan B)
Susunan TerjejalLapisan ketiga:Bila mengisi posisi
tipe C, urutan lapisan menjadi A-B-C-A-B-C dan membentuk struktur kubus terjejal atau cubic closest packed structure (CCP)
Lapisan atom biru sekarang berada pada posisi di atas lubang antara atom di lapisan A dan B.
Susunan TerjejalLapisan ketiga:Bila mengisi posisi
tipe C, urutan lapisan menjadi A-B-C-A-B-C dan membentuk struktur kubus terjejal atau cubic closest packed structure (CCP)
Lapisan atom biru sekarang berada pada posisi di atas lubang antara atom di lapisan A dan B.
Susunan TerjejalLapisan ketiga:Bila mengisi posisi
tipe C, urutan lapisan menjadi A-B-C-A-B-C dan membentuk struktur kubus terjejal atau cubic closest packed structure (CCP)
Lapisan atom biru sekarang berada pada posisi di atas lubang antara atom di lapisan A dan B.
Susunan TerjejalLapisan ketiga:Bila mengisi posisi
tipe C, urutan lapisan menjadi A-B-C-A-B-C dan membentuk struktur kubus terjejal atau cubic closest packed structure (CCP)
Lapisan atom biru sekarang berada pada posisi di atas lubang antara atom di lapisan A dan B.
Susunan TerjejalLapisan ketiga:Bila mengisi posisi
tipe C, urutan lapisan menjadi A-B-C-A-B-C dan membentuk struktur kubus terjejal atau cubic closest packed structure (CCP)
Lapisan atom biru sekarang berada pada posisi di atas lubang antara atom di lapisan A dan B.
Susunan TerjejalPemandangan dari
sisi yang sama menunjukkan bahwa hasil dari susunan tersebut adalah kubus pusat muka face-centered cubic.
Ukuran atom diciutkan untuk membantu dalam visualisasi struktur
A-layerA-layer
B-layerB-layer
C-layerC-layer
A-layerA-layer
Susunan TerjejalRotasi ke arah
pandangan atas (top view)
Susunan TerjejalRotasi ke arah
pandangan atas (top view)
Susunan TerjejalKita melihat pada
lapisan kuning A di atas, dengan lapisan biru C di tengah lalu lapisan merah B dan lapisan kuning A di bawah lagi. A
C
B
Kubus terjejal
Menghitung atom dalam unit sel 3D
FRAKSI ATOM YANG MENEMPATI SATU UNIT SEL UNTUK BEBERAPA POSISI DALAM UNIT SEL
(PUSAT)
(MUKA)
(TEPI)
(SUDUT)
Lubang interstisial• Walaupun susunan lapisan terjejal menggambarkan susunan
terpadatkan yang paling mungkin, masih terdapat lubang atau posisi intertisial pada kisi
• Banyak struktur ionik dapat dibayangkan terdiri dari satu susunan terjejal dari anion dengan kation yang lebih kecil mengisi lubang intertisial tersebut.
• Terdapat 2 tipe lubang:
dan jumlah berbeda yang dapat diisi.
• Ini, bersama dengan kemungkinan susunan ccp dan hcp, membentuk bermacam-macam variasi tipe kisi.
tetrahedral oktahedral
Geometri kristal
Keberadaan tipe penyusunan pada logam-logam
Susunan periodik dari Struktur Logam
2. Struktur padatan ionik Senyawa dengan struktur kristal khususStruktur kristal Contoh*Rock salt K2O, K2S, Li2O, Na2O, Na2Se, Na2SCesium klorida CsCl, CaS, TiSb, CsCN, CuZnFluorite CaF2, UO2, BaCl2, HgF2, PbO2
Nikel arsenida NiAs, NiS, FeS, PtSn, CoSPerovsikte CaTiO3, BaTiO3, SrTiO3
Rock salt NaCl, LiCl, KBr, RbI, AgCl, AgBr, MgO, CaO, TiO, FeO, SnAs, UC, ScN
Rutile TiO2, MnO2, SnO2, WO2, MgF2, NiF2
Sphalerite ZnS, CuCl, CdS, HgS, GaP, InAs(Zinc blende)
Wurtzite ZnS, ZnO, BeO, MnS, AgI, AIN, SiC, NH4FSenyawa dgn tulisan tebal = senyawa yg meberi nama pada struktur
Contoh struktur ionikZnS (zinc blende)
CaF2
NaCl (halite)
ZnS (wurtzite)Rutile TiO2
Sifat dari padatan ionik
Anion tersusun dalam bentuk
“FCC”
Susunan terjejal dari anion dan kation:
Bila kation kecil Bila kation tidak kecil
Anion tersusun dalam bentuk “SC/primitif”
Kation mengisi “lubang oktahedral”
Kation mengisi “lubang tetrahedral”
Kation mengisi “pusat kubus”
Diatur oleh rasio jari-jari kation dan anion!
p. 8
Tipe dari posisi kation yang tersedia dalam susunan anion terjejal:
AL Chemistry
(a) Lubang oktahedral ---- coordinated by 6 anions(b) Lubang tetrahedral ---- coordinated by 4 anions
Pengisian lubang oleh kation:
Lubang oktahedara atau?► Ditentukan oleh rasio jari-jari (= rcation / ranion)
FCC (for small cations)
SC
Konfigurasi yang stabil:
Untuk koordinasi yang stabil, kation dan anion yang berikatan harus kontak satu dengan yang lain.
# Bila kation lebih besar daripada rasio jari-jari ideal...► kation dan anion tetap bersentuhan,
tapi kation membuat anion terpisah STABLE!
# bila kation terlalu kecil ...
► kation tidak dapat kontak dengan anion sekitar tolakan antar anion TIDAK STABIL!
Holes available in “FCC” unit cell closed packed of anions:
# “O” – lb oktahedral: unit sel memiliki 4 lb oktahedral
# “T” – lb tetrahedral: unit sel memiliki 8 lb tetrahedral
Contoh 1: Sodium Chloride (NaCl)
radius: Na+ = 1.02nm, Cl- = 1.81nm
radius ratio = 0.563 FCC
4 Cl- disusun dalam FCC,Na+ akan masuk ke
lubang octahedral dari susuna anion.
Cl-
Na+
Cl-
Na+
Karena soikiometri kation:anion = 1:1,
4 Na+ ion masuk ke dalam selartinya: semua lb oktahedral
terisi!
Koordinasi 6:6!
Contoh 2: Zinc Blende (ZnS)radius: Zn2+ = 0.60nm, S2- = 1.84nm
radius ratio = 0.330 FCC
4 S2- disusun dalam FCC,Zn2+ akan masuk ke dalam
lb tetrahedral dari susunan anion.
kation:anion = 1:1 = 1:1,4 ion Zn2+ masuk ke dalam
sel. separo dari lb tetrahedral terisi!
S2-
Zn2+Koordinasi 4:4!
# (kation mengisi posisi yang berlawanan scr diagonal untuk mengurangi
tolakan)
Contoh 3: Cesium Chloride (CsCl)
radius: Cs+ = 1.74nm, Cl- = 1.81nmradius ratio = 0.960 SC
► Anion mengisi sudut-sudut dari unit selpusat dari kubus lebih besar dari lubang tetrahdral
dan oktahedral
Sehingga ion Cs+ yang besar dapat masuk.
Koordinasi 8:8!
Simple Cubic closed packed (SC)
Cl-
Cs+
Karena stoikiometri dari kation:anion = 1:1,8 ion Cs+ ion akan mengisi sel.
Semua lubang oktahedral terisi!
Setiap unit sel memilik 8 anion dan 8 posisi kubus pusat badan
SehinggaSehingga ….. …..
e.g. NaCl
e.g. ZnS
e.g. CsCl, CaF2
Anion tersusun dalam bentuk
“FCC”
Susunan terjejal dari anion dan kation:
Bila kation kecil Bila kation tidak kecil
Anion tersusun dalam bentuk “SC/primitif”
Kation mengisi “lubang oktahedral”
Kation mengisi “lubang tetrahedral”
Kation mengisi “pusat kubus”
Ikatan dalam padatan
• Ikatan logam• Ikatan ionik• Ikatan kovalen• Interaksi Van der Waals
Logam dan alloy
• Ikatan yang terjadi adalah ikatan logam– Definisi ikatan logam?– Konsekuensi dari terdapatnya ikatan logam?– Daya hantar panas dan listrik?– Reaksi?
• Alloy???
ALLOY• Definisi: Paduan dua logam atau lebih Tujuan: untuk
meningkatkan kualitas logam seperti kekuatan, kekerasan dan daya tahan terhadap korosi
• Contoh:– Perunggu paduan dari tembaga (Cu) dan Timah
(Sn), biasanya Sn < 20%• Kegunaan:
– Alat-alat berat, perkakas rumah tangga, restorasi gigi• Proses: Logam-logam dicampurkan dalam keadaan
cair (liquid), T >1000oC kemudian dibiarkan mengeras (solidifikasi) pada suhu yang lebih rendah
JENIS-JENIS ALLOY
1. Binary alloy alloy yang dibentuk dari 2 jenis logam
2. Solid solution alloya. Substitusional solid solution ada
syarat2nya lihat di Atkins&Shriverb. Interstisial solid solution dari nonlogam (H,
B, C, N)c. Campuran logam-logam (MgZn2, Cu3Au)
3. Eutectic alloy
Solid solution• Bila 2 logam pembentuk alloy bercampur
sempurna membentuk larutan yang homogen• Bila diamati dengan mikroskop: hanya terlihat
satu tipe kristal, seperti pada logam murni• Sifat solid solution mirip dengan logam murni,
kecuali:– Lebih kuat– Kurang menghantarkan listrik
Jenis-jenis solid solution
a. Substitutional Solid Solution b. Interstitial Solid Solution
Eutectic Alloy
• Kedua logam pembentuk alloy bercampur dengan baik ketika berada dalam keadan cair
• TAPI tidak saling melarutkan ketika berada dalam keadaan padat
• Diamati dengan mikroskop: terlihat dua lapisan logam yang dapat dibedakan
Diagaram Eutectic
Eutictic Alloy
Sifat-sifat padatan• Sifat-sifat mekanik
– Metals/Alloys, e.g. Titanium for aircraft – Cement/Concrete Ca3SiO5 – 'Ceramics', e.g. clays, BN, SiC – Lubricants, e.g. Graphite , MoS2 – Abrasives, e.g. Diamond , Quartz (SiO2) , Corundum
• Sifat listrik– Metallic Conductors, e.g. Cu, Ag... – Semiconductors, e.g. Si, GaAs – Superconductors, e.g. Nb3Sn, YBa2Cu3O7 – Electrolytes, e.g. LiI in pacemaker batteries – Piezoelectrics, e.g. a Quartz (SiO2) in watches
Sifat-sifat padatan
Magnetic Properties • CrO2, Fe3O4 for recording technology
Magnetite – Fe3O4
• Optical Properties– Pigments, e.g. TiO2 in paints – Phosphors, e.g. Eu3+ in Y2O3 is red on TV – Lasers, e.g. Cr3+ in Al2O3 is ruby – Frequency-doubling of light, e.g. LiNbO3
• Catalysts– Zeolite ZSM-5 (an aluminosilicate) – Petroleum refining - methanol octane
• Sensors– Oxygen sensor, e.g. ZrO2/CaO solid solution
3. Energetika dari ikatan ionik1. Energi kisi entalpi kisi• Entalpi yang dibutuhkan untuk suatu padatan
ionik mengurai menjadi ion-ionnya dalam keadaan gasM(s) M+
(g) + X-(g) ∆Ηø
L
Usulan lain:• Entalpi yang dilepaskan untuk menyatukan ion-
ion dalam keadaan gas menjadi senyawa padat M+
(g) + X-(g) M(s) - ∆Ηø
L
Perhatikan tanda dan arah!!
Energi Kisi• Bagaimana menghitung entalpi kisi?• Entalpi kisi ditentukan melalui entalpi data
menggunakan siklus Born-Haber Entalpi standar dekomposisi senyawa
menjadi unsur-unsurnya = - entalpi standar pembentukan senyawa dari unsur-unsurnya
Entalpi pembentukan kisi = - entalpi kisi
SIKLUS BORN-HABERUNTUK
NATRIUM KLORIDA
Atomisation of sodium
Na(s) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + 1/2 Cl2(g)
0
+100
+200
+300
+400
+500
+600
+700
+800
kJ
-400
-300
-200
-100
HNa= +107kJmol-1
Atomisation of chlorine
Na(s) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + Cl(g)
0
+100
+200
+300
+400
+500
+600
+700
+800
-400
-300
-200
-100
kJ
HCl = +121kJmol-1
+
Ionisasi pertama dari Na
e-e-e-e-
e-e-
e-e-e-e-e-
Na(s) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + Cl(g)
0
+100
+200
+300
+400
+500
+600
+700
+800
-400
-300
-200
-100
kJ
Na+(g) + Cl(g)
HNa+ = +502kJmol-1
Afinitas elektron pertama dari Cl
e--Na(s) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + Cl(g)
0
+100
+200
+300
+400
+500
+600
+700
+800
-400
-300
-200
-100
kJ
Na(s) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + Cl(g)
0
+100
+200
+300
+400
+500
+600
+700
+800
-400
-300
-200
-100
kJ
Na(s) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + Cl(g)
0
+100
+200
+300
+400
+500
+600
+700
+800
-400
-300
-200
-100
kJ
Na+(g) + Cl(g)
Na+(g) + Cl-(g)
HCl - = -355kJmol-1
- --
--
+
++
+
Pembentukan (formation) NaCl(s)
Na(s) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + Cl(g)
0
+100
+200
+300
+400
+500
+600
+700
+800
-400
-300
-200
-100
kJ
Na(s) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + Cl(g)
0
+100
+200
+300
+400
+500
+600
+700
+800
-400
-300
-200
-100
kJ
Na(s) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + Cl(g)
0
+100
+200
+300
+400
+500
+600
+700
+800
-400
-300
-200
-100
kJ
Na+(g) + Cl(g)
Na+(g) + Cl-(g)
NaCl(s)
Hf = -411kJmol-1
- --
--
+
++
+
Na(s) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + Cl(g)
0
+100
+200
+300
+400
+500
+600
+700
+800
-400
-300
-200
-100
kJ
Na(s) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + Cl(g)
0
+100
+200
+300
+400
+500
+600
+700
+800
-400
-300
-200
-100
kJ
Na(s) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + 1/2 Cl2(g)
Na(g) + Cl(g)
0
+100
+200
+300
+400
+500
+600
+700
+800
-400
-300
-200
-100
kJ
Na+(g) + Cl(g)
Na+(g) + Cl-(g)
NaCl(s)
ENTALPI KISI UNTUK NaCl∆HL = - ∆HU = - 786 kJmol-1
HU =- 786 kJmol-1
Siklus Born-Haber∆HNa + ∆HCl + ∆HNa+ (-) ∆Cl- (-) ∆Hf + ∆L = 0
Tetapan Madelung
• Kontribusi coloumb terhadap entalpi kisi- Untuk menghitung entalpi kisi dari padatan ionik kita harus memperhitungkan beberapa kontribusi kepada energinya, termasuk tarikan dan tolakan antar ion-ion.
• Tugas: Baca tentang tetapan Madelung di buku Cotton dan pelajari latihan soalnya.
Konsekuensi dari Entalpi kisi?
• Bagaimana kestabilan ikatan dalam senyawa ionik padat bila entalpi kisi yang dimiliki mempunyai harga (+) yang besar?
latihan1. Berapakah jumlah atom dalam satu unit sel
pada FCC, BCC, HCP?2. Ramalkan struktur geometri, bilangan koordinasi
dan posisi kation dan anion dalam CaF2. kunci: tentukan rasio jari-jari ion!
3. Apakah alloy itu? Bagaimana alloy dapat terbentuk?
4. Gambarkan siklus Born-Haber dari pembentukan MgCl2(s) dari unsur-unsurnya. Bila diketahui entalpi dari masing-masing proses, tentukan entalpi kisi dari MgCl2
Top Related