Makalah Pendahuluan Fisika Zat Padat IKATAN ATOM DALAM KRISTAL KELOMPOK 1 RIZKI AMELIA (4172121031) SARI SITI WAHYUNI (4171121033) SRI WAHYUNI BR GINTING (4171121034) STEVEN A. S. TELAUMBANUA (4173321053) YUNI S. P SIMBOLON (4171121038) YANA NOVITA BERUTU (4173321060) Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Tugas Mata Kuliah Pendahuluan Fisika Zat Padat Yang Diampu Oleh : Prof. Dr.Makmur Sirait, M.Si PROGRAM STUDI FISIKA JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI MEDAN 2020 KATA PENGANTAR Puji Syukur kehadirat Tuhan yang maha kuasa karena berkat rahhmat-Nya kami diberi kesehatan dan kesempatan untuk menyelesaikan tugas makalah yang diberikan kepada kami pada Mata Kuliah Pendahuluan Fisika Zat Padat. Dalam penyusunan tugas makalah ini kami banyak mendapat dukungan, bimbingan, serta semangat dari banyak pihak sehingga kami bisa menyelesaikannya tepat waktu. Untuk itulah dengan penuh rasa hormat kami ucapkan terima kasih. Kami menyadari sepenuhnya bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna dan masih memerlukan pengembangan lebih lanjut. Oleh karena itu, saran dan kritik yang membangun dari pembaca sangat kami harapkan agar nantinya dapat diperoleh hasil yang lebih maksimal dan demi kesempurnaan tugas berikutnya. Dalam kesempatan ini kami juga mohon maaf jika ada hal-hal yang tidak berkenan dalam makalah ini dan proses yang dilalui dalam penyusunannya. Akhir kata, kami ucapkan terimakasih kepada semua yang berpartisipasi demi terselesaikannya tugas ini dan semoga kita terus dalam lindungan Tuhan Yang Maha Esa. Medan, 23 Maret 2020 Penulis Kelompok 1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Berkembangnya ilmu pengetahuan diera modern yang sangat pesat ini, dan dengan perkembangan zaman yang semakin pesat, kebutuhan akan efektifitas dan efisiensi sangat diutamakan dalam bidang. Hal tersebut telah mendorong manusia untuk berkreasi dan berinovasi dalam bidang ilmu pengetahuan untuk menciptakan suatu ilmu pengetahun yang lebih efektif dan efisien yang dapat diterapkan dalam kehidupan sehari-hari. Semakin banyak munculnya berbagai macam ilmu pengetahuan yang dapat membantu kehidupan manusia. Menambah masuk hampir disegala bidang kehidupan, sebagai contohnya adalah dibidang ilmu pengetahuan Fisika Zat Padat. Berdasarkan latar belakang diatas, penulis tertarik untuk melakukan pembahasan tentang salah satu dalam bidang ilmu pegetahuan dibidang Fisika Zat Padat. Yang akan membahas tentang : Pembahasan Kekristalan Zat Padat, Pembahasan Ikatan Atomik dalam Kristal, Pembahasan Gaya-gaya Antar Atom, Pembahasan Macam-macam Ikatan Atom dalam Kristal. Kristal atau hablur adalah suatu padatan yang atom, molekul, atau ion penyusunnya terkemas secara teratur dan polanya berulang melebar secara tiga dimensi. Secara umum, zat cair membentuk kristal ketika mengalami proses pemadatan. Pada kondisi ideal, hasilnya bisa berupa kristal tunggal, yang semua atom-atom dalam padatannya "terpasang" pada kisi atau struktur kristal yang sama, tetapi, secara umum, kebanyakan kristal terbentuk secara simultan sehingga menghasilkan padatan polikristalin. Misalnya, kebanyakan logam yang kita temui sehari-hari merupakan polikristal. 1.2 Rumusan Masalah 1. Apa itu Kekristalan Zat Padat.? 2. Bagaimana Ikatan Atomik dalam Kristal? 3. Apa Gaya – gaya Antar atom ? 4. Apa Macam-macam Ikatan Atom dalam Kristal? 1.3 Tujuan 1. Mengetahui apa itu kekristalan zat padat 2. Mengetahui bagaimana ikatan atomik dalam kristal 3. Mengetahui apa saja gaya- gaya antar atom 4. Mengetahui apa saja macam-macam ikatan atom dalam kristal. 1.4 Manfaat Setelah mempelajari fisika zat padat tersebut mahasiswa dapat memahami dan mengetahui tentang kekeristalan zat padat, gaya apa saja yang terdapat antar atom dan macam-macam ikatan atom didalam Kristal. BAB II PEMBAHASAN 2.1 Kekristalan Zat Padat Kristal adalah suatu padatan dimana atom, molekul, atau ion penyusunnya terkemas secara teratur dan polanya berulang melebar secara tiga dimensi. Secara umum, zat cair membentuk kristal ketika mengalami proses pemadatan. Pada kondisi ideal, hasilnya bisa berupa kristal tunggal, yang semua atom-atom dalam padatannya "terpasang" pada kisi atau struktur kristal yang sama, tapi, secara umum, kebanyakan kristal terbentuk secara simultan sehingga menghasilkan padatan polikristalin. Misalnya, kebanyakan logam yang kita temui sehari-hari merupakan polikristal. Struktur kristal mana yang akan terbentuk dari suatu cairan tergantung pada kimia cairannya sendiri, kondisi ketika terjadi pemadatan, dan tekanan ambien. Proses terbentuknya struktur kristalin dikenal sebagai kristalisasi. Kristal dapat terbentuk dalam; ü Kristal tunggal ü Polikristal ü Mikrokristal ü Nanokristal Amorf yaitu zat padat yang tidak memiliki bentuk pengulangan keteraturan, jangkauan keteraturan atom biasanya sampai tetangga kedua. 2.2 Ikatan Atomik dalam Kristal Struktur spasial terbangun oleh gaya-gaya antar atom dalam kristal Dari jarak atom dalam kristal yang berkisar sekitar 1Å bersifat listrik-magnet; Tarik-menarik (coulomb) Tolak-menolak antar lawan elektron Jarak stabil antara ion-ion tergantung dari kesetimbangan antara dua macam gaya tadi. macam dan kekuatan ikatan atomik ditentukan oleh struktur elektron dari atomatom yang membentuk kristal ikatan atomik sangat ditentukan oleh kecenderungan atom-atom dalam kristal untuk memperoleh konfigurasi elektron seperti yang dipunyai oleh atom-atom gas mulia. 2.3 Macam-macam Ikatan Atom Dalam Kristal Ikatan-ikatan kimia antara atom-atom dalam kristal dapat diklasifikasikan menjadi empat ikatan utama yaitu ikatan ionik, ikatan kovalen, ikatan van der Walls, dan ikatan logam. Pada ikatan-ikatan atom-atom tersebut gaya repulsif dan atraktif bekerja dalam mekanisme yang berbeda. 1. Ikatan Ionik Ikatan ionik terbentuk dari ion positif dan negatif yaitu kation (+) dan anion (-), Hal ini sesuai dengan Hukum Coulomb. Ikatan ionik dihasilkan dari gaya elektrostatik dari muatan ion yang berbeda, sehingga gaya yang timbul dalam ikatannya sangat kuat yang salah satu sifat dari ikatan ionik ini adalah membentuk padatan atau kristal. Ikatan ionik dalam kristal sama dengan ikatan ionik dalam molekul. Ikatan ionik terjadi bila atom-atom yang memiliki energi ionisasi rendah akan melepaskan elektron-elektronnya berinteraksi dengan atom-atom lain yang memiliki afinitas elektron tinggi. Atom pertama akan menjadi ion positip dan atom kedua akan menjadi ion negatif. Dalam kristal ionik ion-ion ini berada bersama dalam konfigurasi keseimbangan dalam mana gaya tarik antara kedua ion menjadi dominan dari pada gaya tolak antara kedua ion. Dalam kasus molekul, kristal dari semua jenis ikatannya dilindungi oleh gaya kohesif yang dihasilkan oleh prinsip eksklusi yang memerlukan keadaan energi tinggi bila shell elektron dari atom-atom berbeda saling tumpang-tindih. Kristal ikatan ion dapat terbentuk saat pemadatan garam, baik dari lelehan cairan maupun kondensasi larutan. Jenis struktur kristal ionik yang biasa ditemukan yaitu kristal NaCl, CsCl, MgO, SiO2, LiF. Konfigurasi ssusunan Na+ dan Cl- dalam kristal NaCl ditunjukan oleh gambar 1. = Na+ = Cl- Gambar. 2 Struktur kristal NaCl Pada gambar 2 menunjukkan bahwa masing-masing ion memiliki enam tetangga terdekat dari ion jenis yang lain, yang menyatakan struktur kristal pusat muka (F). Dalam kristal NaCl jarak antara ion-ion terdekat tersebut adalah 5,62 A. Struktur yang berbeda ditemukan pada kristal Cesium-Clorida. Salah satu ion terletak pada pusat kubus sedangkan ion jenis lainnya berada pada posisi di titik-titik sudut kubus. Struktur tersebut merupakan struktur kristal pusat badan (I). Masing-masing ion akan mememiliki delapan ion tetangga terdekat. Pada kristal CsCl jarak terdekatnya adalah 4,11 A. Kebanyakan padatan ionik adalah sangat keras, memiliki ikatan yang kuat antara ionion penyusunya, dan memilki titik lebur yang tinggi. Cairan polar seperti air dapat melarutkan beberapa kristal ionik, tetapi cairan kovalen seperti gasolin tidak dapat melarutkan kristal ionik. Energi kohesif dari sebuah kristal ionik adalah energi yang dapat dihasilkan dari pembentukan kristal oleh atom-atom netralnya. Energi kohesif biasanya dinyatakan dalam ev/molekul atau kkal/mole. Kontribusi utama terhadap energi kohesif dari sebuah kristal ionik adalah energi potensial elektrostatik (energi potensial coulomb) dari ion-ion. Tinjaulah ion Na+ pada gambar 1 memiliki enam ion Cl- tetangga terdekat yang masingmasing jaraknya adalah r. Energi potensial dari ion Na+ karena enam ion Cl- adalah; V1 6.e2 4o .r Maka tetangga terdekat berikutnya adalah 12 ion Na+ , masing-masing dengan jarak r√2, maka energi potensial yang dihasilkan adalah; 12.e2 V2 4o .r 2 Jika penjumlahan dilanjutkan untuk ion-ion terdekat berikutnya maka diperoleh jumlah energi potensial dari ion Na+ untuk seluruh ion-ion terdekat adalah; V .e2 12 .... 6 4o .r 2 1,748 V .e 2 4o .r .e 2 4o .r 2.2 Besaran α disebut konstanta Madelung dari kristal dan memiliki nilai yang sama untuk semua kristal sejenis. Akan tetapi untuk CsS menghasilkan nilai α yang berbeda, dimana α = 1,763 dan ZnS yang memiliki struktur kristal yang sama memiliki α = 1,638. Sumbangan energi potensial yang dihasilkan oleh gaya tolakan akibat prinsip eksklusi dapat dinyatakan dalam bentuk: Vrep B rn 2.3 Tanda dari Vrep adalah positip yang berhubungan dengan sebuah interaksi tolakan (repulsive) dan kebergantungfan pada r-n (dimana n adalah sebuah bilangan besar) berkaitan dengan sebuah gaya dalam uinterval sangat dekat yang berubah secara cepat terhadap penurunan jarak antar inti r. Sehingga jumlah keseluruhan energi potensial ion karena interaksinya dengan ion-ion yang lainnya adalah; V = Vcoul + Vrep. .e2 B V 4 . o .r r n 2.4 Pada keadaan kesetimbangan jarak terdekat ion dinyatakan ro, energi potensial adalah minimum dan selanjutnya (dV/dr) = 0 pada r = ro. dV dr .e2 nB 0 r ro 4 . o .ro2 ron 1 B .e2 n 1 ro 4 . o .n diperoleh 2.5 dengan memasukkan persamaan 2.5 ke persamaan 2.4 diperoleh energi portensial ion dalam keadaan kesetimbangan adalah; V .e2 1 1 4 . o .ro n 2.6 n pada persamaan 2.6 dapat diperoleh dari pengamatan kompresibilitas dari kristal ionik. Nilai rata-rata untuk n ≈ 9 berarti bahwa gaya tolakan (repulsive) berubah agak tajam terhadap r. Pada jarak kesetimbangan interaksi tolakan akibat prinsip eksklusi mengurangi energi potensial kurang lebih 11 %. Pada sebuah kristal NaCl, jarak kesetimbangan antara ion terdekat adalah r o = 2.81 A, karena α = 1,478 dan n = 9 maka energi potensial dari dari sebuah ion adalah; V =- .e2 1 1 4 . o .ro n 9 x109 x1,748 x(1,6 x1019 ) 2 1 1 = - 1,27 x 10-18 joule 2,81 9 = -7,97 ev Oleh karena itu, perhitungan tidak dapat dilakukan untuk masing-masing ion lebih dari satu kali , maka hanya setengah bagian dari energi potensial ini atau – 3,99 ev saja yang menjadi sumbangan energi per ion terhadap energi kohesif kristal. Dalam perhitungan energi kohesif kristal juga harus memasukkan sumbangan dari energi yang diperlukan untuk memindahkan elektron dari sebuah atom Na ke sebuah atom CL yang menghasilkan pasangan ion Na+- Cl-. Energi pemindahan elektron ini adalah selisih antara energi ionisasi +5,14 ev dan energi afinitas elektron –3,61 ev yaitu sebesar 1,53 ev. Dengan demikian masing-masing atom menyumbangkan 0,77 ev kepada energi kohesifnya. Oleh karena itu jumlah energi kohesif per atomadalah Ekohesif = (-3,99 + 0,77) ev/atom = -3,22 ev/atom Gambaran empiris untuk energi kohesif dari sebuah kristal ionik dapat ditentukan dari pengukuran panas penguapannya, energi disosiasi dan energi pemindahan elektron. Untuk NaCl menghasilkan pengukuran 3,28 ev yang mendekatai hasil perhitungan. Terdapat dua sumbangan energi kohesif dari kristal ionik yang belum tercakup dalam perhitungan di atas yaitu; (1) energi interaksi van der Walls antara ion-ion terdekat dan energi titik nol dari ossilasi ion-ion pada posisi kesetimbangn. Sifat kristal ionik 1. Keras dan stabil 2. Merupakan konduktor yang buruk, karena tidak ada elektron bebas 3. 4. 5. 6. Suhu penguapannya tinggi sekitar 1000 sampai 2000 K Tidak tembus cahaya Mudah larut dalam cairan polar (air) Menyerap radiasi infra merah 2. Ikatan Kovalen Pada kristal Ikatan kovalen terjadi sebagai sebuah bentuk ikatan antara dua atom atas dasar pemakaian elektron bersama dalam ememnuhi kesetabilan struktur elektronik. Atom-atom yang berikatan kovalen menyumbangkan satu atau dua elektron-elektro valensinya pada ikatan dan eketron-elektron tersebut dipakai bersama oleh kedua atom yang berikatan. Gaya kohesif dalam kristal kovalen muncul dari adanya interaksi elektron-elektron antara atomatom berdekatan. Krital-kristal dari ikatan kovalen murni relatif sedikit ditemukan di alam. Contoh kristal dengan ikatan kovalen yang banyak ditemukan adalah intan (diamond), Silikon, Germanium, SiC, Dalam SiC masing-masing atom dikelilingi oleh empat atom yang lain seperti pada diamond dalam struktur tetrahedral yang ditunjukkan oleh gambar 2. Hampir semua kristal kovalen bersifat keras, memiliki titik lebur tinggi, dan tidak dapat larut dalam semua jenis larutan alami, serta memilki energi kohesif antara 3 ev/atom sampai 5 ev/atom. Struktur Atom S Atom Zn Gambar 3. Struktur tetrahedral dengan ikatan kovalen dari SzS Sifat-Sifat Utama Ikatan Kovalen Ketika dua atom didekatkan, timbul interaksi antar elektronnya dengan akibat orbit atom serta tingkat energi masing-masing atom teralihkan menjadi orbit molekul; dua orbit atom yang identik dari kedua atom, sewaktu terpisah jauh, beralih menjadi dua orbit molekul yang berbeda.Pada salah satu orbit molekul itu, fungsi gelombang elektron bertumpang tindih sedemikian rupa sehingga energiinya lebih rendah daripada energi total kedua atom sewaktu terpisah jauh. Inilah orbit ikat yang membentuk molekul stabil. Orbit molekul lainnya (orbit antiikat) memiliki energi yang lebih tinggi daripada energi total kedua atom sewaktu terpisah jauh. Karena itu, orbit ini tidak membentuk molekul stabil. Asas larangan Pauli juga berlaku pada orbit molekul, tiap orbit molekul paling banyak dapat didiisi oleh dua elektron yang berkaitan dengan kedua arah berlawanan spin elektron. Macam-Macam Ikatan Kovalen 1. Ikatan Kovalen Polar Ikatan Kovalen yang terjadi antara dua atom yang berbeda, contoh HF, HF memiliki keelektronegatifan yang berbeda 2. Ikatan Kovalen Non Polar Ikatan kovalen yang terjadi diantara dua atom yang sama, dan kelektronegatifan yang sama,, contoh O2 3. Ikatan Kovalen Koordinasi Ikatan kovalen dengan elektron berasala dari satu atom, contoh BF3NH3. Kristal kovalen Atom-atom kristal kovalen diselenggarakan bersama dalam jaringan tiga dimensi oleh ikatan kovalen saja. Grafit dan intan, alotrop karbon, adalah contoh yang baik. Karena ikatan kovalen yang kuat dalam tiga dimensi, berlian memiliki kekerasan tertentu dan titik leleh tinggi. Quartz (SiO2) adalah contoh lain dari kristal kovalen. Distribusi dari atom silikon dalam kuarsa mirip dengan karbon dalam berlian, tetapi dalam kuarsa atom oksigen antara setiap pasangan atom Si.. Contoh ikatan kovalen : Atom hidrogen (H) memiliki konfigurasi 1s1 akan lebih stabil jika pemakaian bersama sepasang elektron dengan sebuah elektron hidrogen yang lain sehingga membentuk molekul H2. 3. Ikatan Logam (Ikatan Metalik) Apabila sejumlah besar atom bergabung dengan berbagi elektron masing-masing, ini disebut ikatan logam. Logam seperti besi, tembaga, seng, aluminium, dan lain-lain, yang membentuk materi mentah banyak perkakas dan instrumen yang kita lihat atau gunakan sehari-hari, mendapatkan badan yang padat dan rapat karena ikatan-ikatan logam yang terbentuk oleh atom-atomnya. Para ilmuwan tidak mampu menjawab pertanyaan mengapa elektron-elektron pada kulit elektron atom memiliki kecenderungan itu. Yang paling menarik, makhluk hidup menjadi ada karena kecenderungan ini. Dalam interaksi antar atom logam, ikatan kimia dibentuk oleh gaya tarik menarikmenarik elektron oleh inti (nucleus) yang berbeda. Asalnya elektron milik satu atom yang ditarik oleh inti atom tetangganya yang bermuatan +, dan elektron ini disharing dengan gaya tarik yang sama oleh inti lain yang mengitarinya. Akibat jumlah elektron valensi yang rendah dan terdapat jumlah ruang kososng yang besar, maka e- memiliki banyak tempat untuk berpindah. Keadaan demikian menyebabkan e- dapat berpindah secara bebas antar kationkation tersebut. Elektron ini disebut “delocalized electron” dan ikatannya juga disebut “delocalized bonding”. Elektron bebas dalam orbit ini bertindak sebagai perekat atau lem. Kation yang tinggal berdekatan satu sama lain saling tarik menarik dengan elektron sebagai semennya. Pada umumnya unsur dalam sistem periodik adalah logam, atom logam dapat berikatan sambung menyambung kesegala arah sehingga dapat menjadi molekul yang besar, akibatnya ikatanya kuat dan menjadikan logam berbentuk padat. Ikatan Logam adalah disebut golongan I karena bervalensi I, Pada Kristal logam atom-atom nya membentuk suatu ikatan yang dikenal dengan nama ikatan logam, misaln nya padan Na, Fe, Cu, dan sebagainya. Setiap logam mempunyai elektron valensi (elektron terluar) yang sangat mudah bergerak. Elektron-elektron valensi dilukiskan sebagai lautan awan/gas elektron yamg membungkus ion-ion positif. Ikatan antara gas elektron ini disebut ikatan logam Sebagai contoh, perhatikan atom natrium (11Na) dengan konfigurasi elektron dalam orbital atom sebagai berikut : Ikatan Hidrogen : Ikatan O-H: Terjadi karena keelektronegatifan unsur-unsur dalam ikatan kovalen H < C < N < O < F. Energi Ikatan Jarak Antar Per atom (eV) Atom (Å) FCC 0,1 3,76 Khlor Tetragonal 0,3 4,34 Hidrogen HCP 0,01 3,75 Silikon Kubik (intan) 3,7 2,35 Bahan Struktur Argon Kubik (ZnS) 3,4 2,80 Kubik (fluorit) 1,0 2,92 KCl Kubik (NaCl) 7,3 3,14 AgBr Kubik (NaCl) 5,4 2,88 BaF2 Kubik (fluorit) 17,3 2,69 Na BCC 1,1 3,70 Ag FCC 3,0 2,88 Ni FCC 4,4 2,48 4. Ikatan Van der Walls Mekanisme ikatan Van der Walls terjadi pada semua padatan, akan tetapi ikatan ini lebih dominan tampak pada gas mulia. Energi ikat untuk padatan gas mulia dan molekul lainnya ditunjukkan pada tabel 2.1 Padatan Simbul Energi Kohesif Titik lebur Neon Ne 0,026 ev/atom 24 K Argon Ar 0,088 ev/atom 84 K Krypton Kr 0,12 ev/atom 117 K Xenon Xe 0,17 ev/atom 161 K Hidrogen H2 0,01 ev/atom 14 K Oksigen O2 0,09 ev/atom 54 K Nitrogen N2 0,081 ev/atom 63 K Clorine Cl2 0,32 ev/atom 172 K Hidrogen HCl 0,22 ev/atom 158 K Clorida Energi kohesif dari beberapa padatan yang dicantumkan tabel 2.1 bila dibandingkan dengan energi kohesif pada ikatan ionik tampak sangat kecil sekali, yang menunjukkan bahwa ikatan Van der Walls adalah sangat lemah sekali. Untuk menjelaskan energi ikat pada ilatan Van der Walls, tinjaulah kristal dari golongan gas mulia. Pertama tinjaulah komponen energi repulsifnya. Konfigurasi elektronik dari golongan gas mulia adalah simetri bola dan penurunan jarak atomic akan menghasilkan meningkatkan terjadinya tumpang-tindih dari sel-sel electron atom yang berdekatan. Pembatasan terhadap jarak keberadaan dari fungsi gelombang electron memberi mendorong electron ke keadaan energi lebih tinggi, karena prinsip Larangan Pauli mencegah dari dua banyak menempati keadaan-keadaan energi lebih rendah. Peristiwa ini sama dengan gaya repulsive inter-elektronik dan gaya ini menghasilkan energi potensial. Data eksperimen menunjukkan bahwa energi repulsif dalam gas mulia sebanding dengan 1/r12. Selanjutnya untuk menentukan energi ikatan dari gas mulia , maka faktor enrgi dari gaya tarikan (attractive force) antara dua atom netral yang menyusun kristal tersebut. Energi ini dikontribusi oleh adanya momen dipole yang berflukstuasi antara atom-atom tetangga. Dari teori elektrostatik medan listrik pada sumbu dipole dengan momen p pada jarak r dari dipole adalah 2p 4 . o r 3 . Dengan demikian pasangan dari atom-atom terdekat akan memiliki energi interaksi yang bergantung pada –(p/r3)2. Kedua energi yang dijelaskan di atas akan berkontribusi energi kristal yang terikat oleh gaya van der Walls yang dinyatakan dengan; A B E = E 6 12 r r yang dikenal dengan potensial Lennard-Jones 2.7