Struktur Materials Struktur Atom Struktur atom merupakan satuan

Struktur Materials
Hubungan antara struktur dan sifat-sifat bahan
Perkembangan kebutuhan bahan sebenarnya sudah dimulai sejak manusia ada, hal ini dikarenakan, kebutuhan manusia untuk mensejahterakan
hidupnya. Hal ini dapat diketahui dari alat-alat kebutuhan hidup yang digunakan selama sejarah manusia itu sendiri. Contohnya adanya pemakaian batu
untuk alat perburuan, tombak untuk mencari ikan dan lain sebagainya.
Pada perkembangan saat ini, engineer berkreasi menciptakan bahan-bahan baru yang dapat digunakan untuk mensejahterakan kehidupan
manusia, dengan memanfaatkan bahan2 yang ada. Hingga terbentuklah material-materila baru seperti composit (carbon fiber composite, natural fiber
composite, dan lain sebagainya).
Pemilihan material dalam engineering activity merupakan hal yang sangat menentukan, karena dalam rekayasa engineering salah satu
keberhasilannya ditentukan oleh ketepatan dalam memilih bahan.
Pada prinsipnya segala macam bahan pada dasarnya tersusun oleh proton, neutron, dan electron. Dimana ketiga unsur ini membentuk struktur
yang stabil. Bahan apapun pada dasarnya tersusun oleh ketiga unsur ini. Sifat-sifat bahan pada dasarnya terdiri dari sifat physical dan mechanicalnya,
dimana sifat-sifat ini tentunya tidak lepas dari sifat-sifat struktur atom penyusunya.
Struktur Atom
Struktur atom merupakan satuan dasar materi yang terdiri dari inti atom beserta awan elektron bermuatan negatif yang mengelilinginya. Inti
atom mengandung campuran proton yang bermuatan positif dan neutron yang bermuatan netral (terkecuali pada Hidrogen-1 yang tidak memiliki
neutron). Elektron-elektron pada sebuah atom terikat pada inti atom oleh gaya elektromagnetik. Demikian pula sekumpulan atom dapat berikatan
satu sama lainnya membentuk sebuah molekul. Atom yang mengandung jumlah proton dan elektron yang sama bersifat netral, sedangkan yang
mengandung jumlah proton dan elektron yang berbeda bersifat positif atau negatif dan merupakan ion. Atom dikelompokkan berdasarkan
jumlah proton dan neutron pada inti atom tersebut. Jumlah proton pada atom menentukan unsur kimia atom tersebut, dan jumlah neutron
menentukan isotop unsur tersebut.
Material Teknik 3rd session
[email protected]
Page 1
Istilah atom berasal dari Bahasa Yunani, yang berarti tidak dapat dipotong ataupun sesuatu yang tidak dapat dibagi-bagi lagi. Konsep atom
sebagai komponen yang tak dapat dibagi-bagi lagi pertama kali diajukan oleh para filsuf India dan Yunani. Pada abad ke-17 dan ke-18, para
kimiawan meletakkan dasar-dasar pemikiran ini dengan menunjukkan bahwa zat-zat tertentu tidak dapat dibagi-bagi lebih jauh lagi
menggunakan metode-metode kimia. Selama akhir abad ke-19 dan awal abad ke-20, para fisikawan berhasil menemukan struktur dan
komponen-komponen subatom di dalam atom, membuktikan bahwa 'atom' tidaklah tak dapat dibagi-bagi lagi. Prinsip-prinsip mekanika kuantum
yang digunakan para fisikawan kemudian berhasil memodelkan atom.
Relatif terhadap pengamatan sehari-hari, atom merupakan objek yang sangat kecil dengan massa yang sama kecilnya pula. Atom hanya dapat
dipantau menggunakan peralatan khusus seperti mikroskop penerowongan payaran. Lebih dari 99,9% massa atom berpusat pada inti atom,
dengan proton dan neutron yang bermassa hampir sama. Setiap unsur paling tidak memiliki satu isotop dengan inti yang tidak stabil yang dapat
mengalami peluruhan radioaktif. Hal ini dapat mengakibatkan transmutasi yang mengubah jumlah proton dan neutron pada inti. Elektron yang
terikat pada atom mengandung sejumlah aras energi, ataupun orbital, yang stabil dan dapat mengalami transisi di antara aras tersebut dengan
menyerap ataupun memancarkan foton yang sesuai dengan perbedaan energi antara aras. Elektron pada atom menentukan sifat-sifat kimiawi
sebuah unsur dan memengaruhi sifat-sifat magnetis atom tersebut.
Perkembangan Model Atom
Seorang filsuf Yunani yang bernama Democritus berpendapat bahwa jika suatu benda dibelah terus menerus, maka pada saat tertentu akan
didapat akan didapat bagian yang tidak dapat dibelah lagi. Bagian seperti ini oleh Democritus disebut atom. [1] Istilah atom berasal dari bahasa
yunani “a” yang artinya tidak, sedangkan “tomos” yang artinya dibagi. Jadi, atom artinya tidak dapat dibagi lagi. Pengertian ini kemudian
disempurnakan menjadi, atom adalah bagian terkecil dari suatu unsur yang tidak dapat dibelah lagi namun namun masih memiliki sifat kimia
dan sifat fisika benda asalnya.
Atom dilambangkan dengan ZXA, dimana A = nomor massa (menunjukkan massa atom, merupakan jumlah proton dan neutron), Z = nomor
atom (menunjukkan jumlah elektron atau proton). Proton bermuatan positif, neutron tidak bermuatan (netral), dan elektron bermuatan negatif.
Massa proton = massa neutron = 1.800 kali massa elektron. Atom-atom yang memiliki nomor atom sama dan nomor massa berbeda disebut
isotop, atom-atom yang memiliki nomor massa sama dan nomor atom berbeda dinamakan isobar, atom-atom yang memiliiki jumlah neutron
yang sama dinamakan isoton.
Material Teknik 3rd session
[email protected]
Page 2
Macam-macam Model Atom
1. Model Atom John Dalton
Pada tahun 1808, John Dalton yang merupakan seorang guru di Inggris, melakukan perenungan tentang atom. Hasil perenungan Dalton
menyempurnakan teori atom Democritus. Bayangan Dalton dan Democritus adalah bahwa atom berbentuk pejal. Dalam renungannya Dalton
mengemukakan postulatnya tentang atom:
1. Setiap unsur terdiri dari partikel yang sangat kecil yang dinamakan dengan atom
2. Atom dari unsur yang sama memiliiki sifat yang sama
3. Atom dari unsur berbeda memiliki sifat yang berbeda pula
4. Atom dari suatu unsur tidak dapat diubah menjadi atom unsur lain dengan reaksi kimia, atom tidak dapat dimusnahkan dan atom juga
tidak dapat dihancurkan
5. Atom-atom dapat bergabung membentuk gabungan atom yang disebut molekul
6. Dalam senyawa, perbandingan massa masing-masing unsur adalah tetap
Teori atom Dalton mulai membangkitkan minat terhadap penelitian mengenai model atom. Namun, teori atom Dalton memiliki kekurangan,
yaitu tidak dapat menerangkan suatu larutan dapat menghantarkan arus listrik. Bagaimana mungkin bola pejal dapat menghantarkan arus listrik
padahal listrik adalah elektron yang bergerak. Berarti ada partikel lain yang dapat menghantarkan arus listrik.
2. Model Atom J.J. Thomson
Pada tahun 1897, J.J Thomson mengamati elektron. Dia menemukan bahwa semua atom berisi elektron yang bermuatan negatif. Dikarenakan
atom bermuatan netral, maka setiap atom harus berisikan partikel bermuatan positif agar dapat menyeimbangkan muatan negatif dari elektron.
Kelebihan model atom Thomson
Membuktikan adanya partikel lain yang bermuatan negatif dalam atom. Berarti atom bukan merupakan bagian terkecil dari suatu unsur.
Kelemahan model atom Thomson
Model Thomson ini tidak dapat menjelaskan susunan muatan positif dan negatif dalam bola atom tersebut.
Material Teknik 3rd session
[email protected]
Page 3
3. Model Atom Rutherford
Model atom Rutherford
Rutherford melakukan penelitian tentang hamburan sinar α pada lempeng emas. Hasil pengamatan tersebut dikembangkan dalam hipotesis
model atom Rutherford.
a. Sebagian besar dari atom merupakan permukaan kosong.
b. Atom memiliki inti atom bermuatan positif yang merupakan pusat massa atom.
c. Elektron bergerak mengelilingi inti dengan kecepatan yanga sangat tinggi.
d. Sebagian besar partikel α lewat tanpa mengalami pembelokkan/hambatan. Sebagian kecil dibelokkan, dan sedikit sekali yang dipantulkan.
Kelemahan Model Atom Rutherford
a. Menurut hukum fisika klasik, elektron yang bergerak mengelilingi inti memancarkan energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik.
Akibatnya, lama-kelamaan elektron itu akan kehabisan energi dan akhirnya menempel pada inti.
b. Model atom rutherford ini belum mampu menjelaskan dimana letak elektron dan cara rotasinya terhadap ini atom.
c. Elektron memancarkan energi ketika bergerak, sehingga energi atom menjadi tidak stabil.
d. Tidak dapat menjelaskan spektrum garis pada atom hidrogen (H).
Material Teknik 3rd session
[email protected]
Page 4
4. Model Atom Niels Bohr
Model Atom Niels Bohr
Pada tahun 1913, Niels Bohr mengemukakan pendapatnya bahwa elektron bergerak mengelilingi inti atom pada lintasan-lintasan tertentu yang
disebut kulit atom. [5] Model atom Bohr merupakan penyempurnaan dari model atom Rutherford.
Kelemahan teori atom Rutherford diperbaiki oleh Neils Bohr dengan postulat bohr :
a. Elektron-elektron yang mengelilingi inti mempunyai lintasan dan energi tertentu.
b. Dalam orbital tertentu, energi elektron adalah tetap. Elektron akan menyerap energi jika berpindah ke orbit yang lebih luar dan akan
membebaskan energi jika berpindah ke orbit yang lebih dalam
Kelebihan model atom Bohr
atom terdiri dari beberapa kulit untuk tempat berpindahnya elektron.
Kelemahan model atom Bohr
a. tidak dapat menjelaskan efek Zeeman dan efek Strack.
b. Tidak dapat menerangkan kejadian-kejadian dalam ikatan kimia dengan baik, pengaruh medan magnet terhadap atom-atom, dan spektrum
atom yang berelektron lebih banyak.
Material Teknik 3rd session
[email protected]
Page 5
Ikatan Atom
Ikatan atom terdiri dari 2 macam, yaitu primary bonding dan secondary bonding.
Primary bonding, meliputi :
1. Ionic Bonding
2. Covalen Bonding
3. Metalic Bonding
Secondary Bonding
1. Van der Waals
2. Hydrogen Bond
Ionic Bonding
Ikatan ion merupakan sejenis interaksi elektrostatik antara dua atom yang memiliki perbedaan elektronegativitas yang besar. Tidaklah
terdapat nilai-nilai yang pasti yang membedakan ikatan ion dan ikatan kovalen, namun perbedaan elektronegativitas yang lebih besar dari 2,0
bisanya disebut ikatan ion, sedangkan perbedaan yang lebih kecil dari 1,5 biasanya disebut ikatan kovalen. Ikatan ion menghasilkan ion-ion
positif dan negatif yang berpisah. Muatan-muatan ion ini umumnya berkisar antara -3 e sampai dengan +3e.
Covalen Bonding
Ikatan kovalen adalah ikatan yang umumnya sering dijumpai, yaitu ikatan yang perbedaan elektronegativitas (negatif dan positif) di
antara atom-atom yang berikat sangatlah kecil atau hampir tidak ada. Ikatan-ikatan yang terdapat pada kebanyakan senyawa organik dapat
dikatakan sebagai ikatan kovalen.
Metalic Bonding
Pada ikatan logam, elektron-elektron ikatan terdelokalisasi pada kekisi (lattice) atom. Berbeda dengan senyawa organik, lokasi elektron
yang berikat dan muatannya adalah statik. Oleh karena delokalisai yang menyebabkan elektron-elektron dapat bergerak bebas, senyawa ini
memiliki sifat-sifat mirip logam dalam hal konduktivitas, duktilitas, dan kekerasan.
Material Teknik 3rd session
[email protected]
Page 6
VanDer Walls Bonding
Dipol seketika ke dipol terimbas, atau gaya van der Waals, adalah ikatan yang paling lemah, namun sering dijumpai di antara semua
zat-zat kimia. Misalnya atom helium, pada satu titik waktu, awan elektronnya akan terlihat tidak seimbang dengan salah satu muatan negatif
berada di sisi tertentu. Hal ini disebut sebagai dipol seketika (dwikutub seketika). Dipol ini dapat menarik maupun menolak elektron-elektron
helium lainnya, dan menyebabkan dipol lainnya. Kedua atom akan seketika saling menarik sebelum muatannya diseimbangkan kembali untuk
kemudian berpisah.
Hydrogen Bonding
Ikatan hidrogen bisa dikatakan sebagai dipol permanen yang sangat kuat seperti yang dijelaskan di atas. Namun, pada ikatan hidrogen,
proton hidrogen berada sangat dekat dengan atom penderma elektron dan mirip dengan ikatan tiga-pusat dua-elektron seperti pada diborana.
Ikatan hidrogen menjelaskan titik didih zat cair yang relatif tinggi seperti air, ammonia, dan hidrogen fluorida jika dibandingkan dengan
senyawa-senyawa yang lebih berat lainnya pada kolom tabel periodik yang sama.
Struktur Kristal
Susunan atom-atom yang teratur dalam tiga dimensi menurut suatu pola tertentu dinamakan Kristal. Bila dari
inti2 atom tersebut dihubungkan dengan suatu garis2 imajiner maka akan terbentuk suatu kerangka tiga dimensi
yang dinamakan space lattice, yang tersusun oleh sejumlah unit cell (merupakan space lattice yang terkecil).
Seperti gambar disamping.
Material Teknik 3rd session
[email protected]
Page 7
Stuktur Kristal
Ada 7 macam crystal system seperti dalam table 3.2 disamping, dan dari 7 macam
system tersebut terdapat 14 macam jenis bentuk space lattice yang mungkin terjadi.
Material Teknik 3rd session
[email protected]
Page 8
Dari ke 14 system Kristal tersebut hanya 4 enis yang paling banyak dijumpai pada kebanyakan logam yang biasa digunakan,yaitu :
1.
2.
3.
4.
Simple Cubic
FCC (Face Center Cubic)
BCC (Body Center Cubic)
HCP (Hexagonal Close Packed)
HCP
Material Teknik 3rd session
[email protected]
Page 9
Polimorfy : beberapa unsur yang memiliki space lattice yang berbeda
Alotropi : Bila sifat polimorfinya reversible.
Contoh :
Besi alpha pada temp kurang dari 910C strukturnya BCC dan diatas temp 910C strukturnya
FCC dan reversible.
Material Teknik 3rd session
[email protected]
Page 10
Kristalisasi
Proses pembentukaan Kristal yang terjadi pada saat pembekuan yang terdiri dari dua tahapan yaitu,
1. Nucleation (pengintian)
2. Pertumbuhan Kristal (Crystal Growth)
Pada kondisi cair atom2 akan bergerak dengan tidak teratur dan pada saat pendinginan
maka atom2 akan menempati posisi-posisi tertentu untuk mulai membentuk lattice, dan
ini terjadi pada tempat yang relative dingin. Serta mulai terbentuk inti Kristal, dimana
inti-inti ini mulai menjadi pusat pertumbuhan Kristal selanjutnya.
Material Teknik 3rd session
[email protected]
Page 11
CACAT-CACAT
1. Cacat Titik
2. Cacat Garis
3. Cacat Bidang
4. Cacat Ruang
Edge dislocation
Screw dislocation
Mixdislocation
COLD WORKING ?
Suatu logam dikatakan mengalami pengerjaan dingin bila butir-butir kristalnya berada dalam keadaan terdistorsi setelah mengalami deformasi
plastis. Dalam keadaan ini pada Kristal terdapat berbagai dislokasi setelah terjadi slip.
Sebagai akibat pengerjaan dingin ini adalah
1. Tensile strength, yield strength, dan kekerasan akan meningkat
2. Ductility menurun dengan semakin naiknya derajat deformasi dingin yang dialami.
3. Sifat penghantaran listrik akan menurun
Material Teknik 3rd session
[email protected]
Page 12
Contoh pengerjaan dingin:
1. Cold rolling
2. Cold drawing
RECRYSTALLIZATION ?
Sebagai akibat pengerjaan dingin terjadi peningkatan jumlah dislokasi yang besar dan bidang-bidang kristalogafik tertentu akan mengalami
distorsi yang hebat. Sebagaian dari energy yang diberikan untuk mendeformasi logam itu dikeluarkan sebagai panas dan sebagian tersimpan
sebagai energy dalam di dalam struktur Kristal, hal ini berkaitan dengan cacat Kristal yang terjadi sebagai akibat dari deformasi. Bila logam
yang telah mengalami pengerjaan dingin ini dipanaskan kembali maka atom-atom akan menerima sejumlah panas yang dapat dipakai kembali
untuk bergerak membentuk sejumlah Kristal yang lebih bebas cacat, serta bebas tegangan dalam. Peristiwa perubahan yang terjadi selama proses
pemanasan kembali ini dibagi menjadi tiga tahapan yaitu:
1. Recovery
2. Recrystallization
3. Grain growth
1. Recovery
Peristiwa ini terjadi pada awal pemanasan kembali, pada temperature yang rendah dan perubahan yang terjadi tidak diikuti dengan
perubahan struktur makro serta belum terjadi perubahan sifat mekanik. Perubahan yang terjadi hanya perubahan energy dalamnya saja
(berkurang nilainya).
Perlunya mengurangi tegangan Dalam ini, adalah untk mencegah terjadinya distorsi pada benda kerja yang mengalami pengerjaan dingin
sebagai akibat tegangan sisa itu, dan juga untuk mencegah stress corrosion cracking atau retak karena korosi pada logam yang
mengalami tegangan. Proses laku panas yang memanfaatkan hal ini dinamakan stress relief annealing.
2. Recystallisation
Pemanasan lebih lanjut akan menyebabkan munculnya Kristal baru dari Kristal yang terdistorsi dengan struktur lattice dan komposisi
kimia yang sama seperti sebelum pengerjaan dingin.
Material Teknik 3rd session
[email protected]
Page 13
Rekristalisasi terjadi melalui proses pengintian dan pertumbuhan. Lajunya mula-mula rendah dan kemudian sangat cepat dan selanjutnya
melambat kembali menjelang akhir proses.
Temperature dimana rekristalisasi terjadi dinamakan temperature rekristalisasi yaitu temperature dimana logam yang dideformasi dingin
akan mengalami rekristalisasi.
Logam yang dideformasi pada temperature diatas tempertaur rekristalisasi nya akan langsung mengalami rekristalisasi dan setelah selesai
akan diperoleh Kristal yang sama dengan Kristal sebelum mengalami deformasi. Pengerjaan seperti ini dinamakan pengerjaan panas (Hot
working)
3. Grain growth
Butir Kristal yang besar akan memiliki free energy yang lebih rendah karenanya butir Kristal cenderung untuk tumbuh lebih besar hingga
mencapai ukuran maksimunya pada temperature tersebut. Makin tinggi temperature pemanasan makin besar pula ukuran besar butir.
Bahkan laju pertumbuhan butir ini makin tinggi dengan makin tingginya temperature pemanasan.Bila setelah pemanasan hingga
temperature yang dianggap cukup kemudian logam didinginkan kembali dengan lambat maka besar butir setelah mencapai temperature
kamar tidak berseda jauh dengan besar butir saat sebelum didinginkan (asalkan selama pendinginan tidak terjadi perubahan fase).
Material Teknik 3rd session
[email protected]
Page 14
Refference :
De Garmo,
www.wikipedia.com
Anonim, ilmu bahan
William D. Callister, Fundamental of Materials Science.
Material Teknik 3rd session
[email protected]
Page 15