Download - Cover Makalah 1
PENERAPAN DIFRAKSI SINAR-X (X-Ray diffractions) DALAM
MENETUKAN STRUKTUR KRISTAL MOLEKULAR, IONIK, LOGAM
DAN KOVALEN
Oleh:
PINO RINANDO
4131210010
JURUSAN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
MEDAN
2014
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kami ucapkan kehadirat Tuhan yang maha esa yang telah
memberikan rahmat dan hidayah-Nya sehingga makalah ini yang berjudul
“Penerapan Difraksi Sinar-X (X-ray diffractions) Dalam Menentukan Struktur
Kristal Molekular, Ionik, Logam dan Kovalen” dapat kami selesaikan.
Makalah ini dibuat untuk memenuhi salah satu persyaratan dari tugas mata
kuliah Fisika Umum II pada semester II tahun pembelajaran 2014.
Dalam penyusunan makalah ini banyak pihak yang telah membantu kami
baik secara langsung maupun tidak langsung yang tidak dapat kami sebutkan satu-
persatu. Oleh karena itu kami mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang
telah membantu kami tersebut baik yang secara langsung maupun tidak langsung.
Kami berharap semoga makalah ini dapat bermanfaat untuk kita semua.
Kami pun menyadari dalam pembuatan makalah ini masih banyak kekurangan
dan kesalahan, seperti kata pepatah “ tak ada gading yang tak retak “ karena kami
adalah mahasiswa yang harus lebih tekun dan giat lagi dalam belajar. Oleh karena
itu, kami mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun untuk
penyusunan makalah di masa depan yang lebih baik lagi.
Medan , 31 Maret 2014
Penulis
Pino Rinando
Nim : 4131210010
DAFTAR ISI
Kata pengantar i
Daftar isi ii
Daftar gambar iv
Bab I. Pendahuluan 1
1.1 Latar belakang 1
1.2 Identifikasi masalah . 2
1.3 Tujuan penulisan 2
1.4 Mamfaat penulisan 2
Bab II. Tinjauan teoritis 3
2.1 Sejarah penemuan sinar-X 3
2.2 Defenisi sinar-X 4
2.3 Pengertian Difraksi Sinar-X 8
Bab III. Metode Penulisan 10
3.1 Objek penulisan 10
3.2 Dasar pemilihan objek 10
3.3 Metode pengumpulan data 10
3.4 Metode Analisis 10
Bab IV. Pembahasan 11
4.1 Penghamburan (difraksi) sinar –X oleh kristal 11
4.2 Struktur kristal 12
4.3 Struktur kristal Molekular 14
4.4 Struktur kristal ionik 16
4.5 Struktur kristal logam 19
4.5 Struktur kristal kovalen 20
Bab V Kesimpulan dan Saran 21
5.1 Kesimpulan 21
5.2 Saran 22
Daftar Pustaka 23
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Tabung sinar-X 5
Gambar 2. Pola difraksi sinar-X 6
Gambar 3. Sinar-X yang dihamburkan membentuk pola interferensi 7
Gambar 4. Model susunan ion-ion dalam sebuah kristal NaCl 8
Gambar 5. Interverensi konstruktif dari sinar-X 12
Gambar 6. Struktur kpb 13
Gambar 7. Sruktur kpm 14
Gambar 8. struktur muolekul triazida sianurat 15
Gambar 9. Struktur natrium kolorida 17
Gambar 10. Struktur sesium klorida 18
Gambar 11. Dua kisi ionik dalam sistem kpm 19
Gambar 12. Struktur kristal unsur logam pada suhu 250c 20
Gambar 13. Struktur intan 21
BAB I. PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Metode difraksi sinar-X adalah salah satu cara untuk mempelajari
keteraturan atom atau molekul dalam suatu struktur tertentu. Jika struktur atom
atau molekul tertata secara teratur membentuk kisi, maka radiasi elektromagnetik
pada kondisi eksperimen tertentu akan mengalami penguatan. Pengetahuan
tentang kondisi eksperimen itu dapat memberikan informasi yang sangat berharga
tentang penataan atom atau molekul dalam suatu struktur. (A.A Sartono : 2006).
Difraksi sinar-X dapat memberikan informasi tentang struktur polimer,
termasuk tentang keadaan amorf dan kristalin polimer. Polimer dapat
mengandung daerah kristalin yang secara acak bercampur dengan daerah amorf.
Difraktogram sinar-X polimer kristalin menghasilkan puncak-puncak yang tajam,
sedangkan polimer amorf cenderung menghasilkan puncak yang melebar. Pola
hamburan sinar-X juga dapat memberikan informasi tentang konfigurasi rantai
dalam kristalit, perkiraan ukuran kristalit, dan perbandingan daerah kristalin
dengan daerah amorf (derajat kristalinitas) dalam sampel polimer. (Zakaria, 2003)
Pada akhir tahun 1895, Roentgen (Wilhelm Conrad Roentgen) Jerman,
1845-1923), seorang profesor fisika dan rektor Universitas Wuerzburg di Jerman
dengan sungguh-sungguh melakukan penelitian tabung sinar katoda. Ia
membungkus tabung dengan suatu kertas hitam agar tidak terjadi kebocoran
fotoluminesensi dari dalam tabung ke luar. (A Beiser ; 1987)
Lalu ia membuat ruang penelitian menjadi gelap. Pada saat
membangkitkan sinar katoda, ia mengamati sesuatu yang di luar dugaan. Pelat
fotoluminesensi yang ada di atas meja mulai berpendar di dalam kegelapan.
Walaupun dijauhkan dari tabung, pelat tersebut tetap berpendar. Dijauhkan
sampai lebih 1 m dari tabung, pelat masih tetap berpendar. Roentgen berpikir
pasti ada jenis radiasi baru yang belum diketahui terjadi di dalam tabung sinar
katoda dan membuat pelat fotoluminesensi berpendar. Radiasi ini disebut sinar-X
yang maksudnya adalah radiasi yang belum diketahui.
Laporan pertama Roentgen mengenai sinar-X dimuat pada halaman 132-
141 laporan Asosiasi Fisika Medik Wuerzburg tahun 1895. Di awal tahun 1896
reprint laporan Roentgen dikirimkan kepada ilmuwan-ilmuwan terkenal. Karena
tidak dibelokkan oleh medan magnet, maka orang tahu bahwa sinar-X berbeda
dengan sinar katoda. Pada saat itu belum ditemukan fenomena interferensi dan
difraksi. Karena itu muncullah persaingan antara teori partikel dengan teori
gelombang untuk menjelaskan esensi/substansi sinar-X. Teori partikel
dikemukakan antara lain oleh W.H. Bragg, teori gelombang dikemukakan antara
lain oleh Stokes dan C.G. Barkla. (K Krane; 1992)
1.2 IDENTIFIKASI DAN RUMUSAN MASALAH
Bagaimana penerapan difraksi sinar-X dalam menentukan struktur kristal
molekuler, ionik, logam dan kovalen?
1.3 TUJUAN PENULISAN
a. Mengetahui sejarah, defenisi, dan penerapan difraksi sinar-X.
b. Mengetahui penerapan difraksi sinar-X dalam menentukan struktur
kristal molekuler, ionik, kovalen, dan logam.
1.4 MAMFAAT PENULISAN
a. Menjadikan difraksi sinar-X sebagai media yang tepat untuk
menentukan struktur molekul ,ionik, logam dan kovalen.
b. Penulisan ini bermamfaat sebagi media penyalur informasi tentang
pentingnya penerapan difraksi sinar-X dalam bidang kimia.
BAB II. TINJAUAN TEORITIS
2.1 SEJARAH PENEMUAN SINAR-X
Sejarah mengenai difraksi sinar-X di mulai semenjak tahun 1912 adalah
awal dari studi intensif mengenai difraksi sinar-X. Dimulai dari pertanyaan M.
van Laue kepada salah seorang kandidat doktor P.P. Ewald yang dibimbing A.
Sommerfeld, W. Friedrich (asisten riset Sommerfeld) menawari dilakukannya
eksperimen mengenai 'difraksi sinar-x'. Pada saat itu eksperimen mengenai
hamburan sinar-x sudah dilakukan oleh Barkla. Laue mengawali pekerjaannya
dengan menuliskan hasil pemikiran teoretiknya dengan mengacu pada hasil
eksperimen Barkla. Laue berargumentasi, ketika sinar-x melewati sebuah kristal,
atom-atom pada kristal bertindak sebagai sumber-sumber gelombang sekunder,
layaknya garis-garis pada geritan optik (optical grating). Efek-efek difraksi bisa
jadi menjadi lebih rumit karena atom-atom tersebut membentuk pola tiga dimensi.
Eksperimen difraksi sinar-x yang pertama dilakukan oleh Herren Friedrich dan
Knipping menggunakan kristal tembaga sulfat dan berhasil memberikan hasil pola
difraksi pertama yang kemudian menjadi induk perkembangan difraksi sinar-x
selanjutnya. Difraksi sinar-x merupakan proses hamburan sinar-x oleh bahan
kristal. Pembahasan mengenai difraksi sinar-x mencakup pengetahuan yang
berhubungan dengan hal-hal berikut ini:
1. pembentukan sinar-x
2. hamburan (scattering) gelombang elektromagnetik
3. sifat kekristalan bahan (kristalografi)
Penemuan sinar-x memiliki sejarah yang, tentu saja, lebih panjang. Tahun
1895, W.C. Röntgen menghasilkan penemuan yang sangat vital dalam
perkembangan sains modern. Röntgen menemukan sejenis radiasi yang keluar
dari sebuah tabung muatan (discharge tube), yang karena misteriusnya diberi
nama sinar-x. Menariknya, sinar-x ditemukan sebelum ditemukannya elektron
oleh J.J. Thomson. Skema tabung sinar-x pertama diperlihatkan pada Gambar 1.1.
Sedangkan Gambar 1.2 menunjukkan foto tabung sinar-x sebenarnya. Sinar-x
pada tabung muatan ini terbentuk dengan cara pemberian beda tegangan pada
elektrodaelektroda tabung yang menghasilkan 'sinar elektron' yang ditumbukkan
ke bahan tertentu (pada masa itu dinamakan anticathode, anti-katoda). Anti-
katoda menjadi sumber sinar-x, yang pada saat itu belum diketahui mekanisme
sebab pembentukannya. Sejalan perkembangan ilmu pengetahuan diketahui
bahwa sinar-x adalah radiasi elektromagnetik transversal, seperti cahaya tampak,
tetapi dengan panjang gelombang yang jauh lebih pendek. Jangkau panjang
gelombangnya tidak terdefinisi dengan jelas tetapi diperkirakan mulai dari
panjang gelombang cahaya ungu hingga sinar gamma yang dipancarkan oleh
bahan-bahan radioaktif. Dalam kristalografi, panjang gelombang yang digunakan
berkisar antara 0.5 hingga 2.5Å. (Guinier 1963).
Penting untuk diketahui bahwa gelombang elektromagnetik memiliki
interpretasi ganda: sebagai gelombang dan sebagai partikel. Pembahasan difraksi
sinar-x banyak menggunakan sinar-x yang membawa sifat gelombang.
2.2 DEFENISI SINAR-X
Pada tahun 1895, W.C. Rontgen (1845-1923) menemukan bahwa ketika
elektron dipercepat dengan tegangan tinggi pada tabung hampa udara dan
dibiarkan menumbuk permukaan kaca (atau logam ) didalam tabung, mineral
flouresen dengan jarak tertentu darinya akan bersinar, dan film fotografi akan
terkena cahaya. Roentgen menghubungkan efek ini ke suatu jenis radiasi baru
(berbeda dari sinar katoda). Efek ini diberi nama sinar-X dari simbol aljabar x,
yang berarti besaran yang tidak diketahui. Ia segera menemukan bahwa sinar-X
menembus beberapa materi dengan lebih baik dari yang lainnya, dan dalam
beberapa minggu ia mempresentasikan foto sinar-X yang pertama (foto tangan
istrinya). Produksi sinar-X sekarang biasanya dilakukan dalam tabung yang mirip
dengan tabung Roentgen, dengan menggunakan tegangan yang biasanya berkisar
antara 30 kV sampai 150 kV.( Giancoli ; 2001)
Gambar 1. Tabung sinar-X elektron-elektron yang dipancarkan oleh
filamen yang dipanaskan pada tabung hampa yang dipercepat oleh tegangan
tinggi. Ketika mengenai permukaan anoda,”target”, sinar-X akan dipancarkan.
Penelitian mengenai sifat sinar-X menunjukkan bahwa sinar ini bukan
merupakan partikel bermuatan (seperti elektron) karena tidak dapat dibelokkan
oleh medan listrik atau magnet. Di perkirakan bahwa sinar ini merupakan satu
bentuk cahaya tak tampak. Bagaimana pun, sinar ini tidak menunjukkan efek
difraksi atau interfernsi dengan menggunakan kisi biasa. Tentu saja, jika panjang
gelombangnya jauh lebih kecil dari jarak kisi biasa sekitar 10 -6 m(=103 nm), tidak
ada efek yang diharapkan terjadi. Sekitar tahun 1912, Max von Laue (1879-1960)
memperkirakan bahwa jika atom pada kristal tersusun dalam array yang biasa,
kristal seperti ini bisa berfungsi sebagai Kisi difraksi untuk panjang gelombang
yang sangat pendek dalam orde jarak antar atom,diperkirakan sekitar 10-10 m (=10-
1 nm). Eksperimen segera menunjukkan bahwa sinar-X yang dihamburkan dari
kristal memang menunjukkan puncak dan lembah dari suatu pola difraksi(gambar
2). Dengan demikian yang ditunjukkan, atom tersusun dengan cara biasa pada
kristal. Saat ini, sinar-X dikenal sebagai radiasi elegromagnetik dengan panjang
gelombang dengan kisaran sekitar 10-2 nm sampai 10 nm, kisaran yang bisa
langsung dihasilkan dalm tabung sinar-X.
Cahaya dengan panjang gelombang yang lebih pendek memberikan resolusi
yang lebih besar ketika kita meneliti sebuah benda secara mikroskopis. Karena
sinar-X memilik panjang gelombang yang jauh lebih pendek dari cahaya tampak,
pada dasarnya, sinar ini seharusnya memberikan resoluis yang lebih tinggi.
Bagaimana pun, tampakya tidak ada materi yang efektif untuk digunakan sebagai
lensa untuk panjang gelombang sinar-X yang sangat pendek. Melainkan, teknik
yang cerdik tetapi rumit dari difraksi (atau kristalografi) sinar-X terbukti sangat
efektif untuk meneliti dunia mikroskopis dari atom dan molekul. Pada kristal
sederhana seperti NaCl,atom tersusun dengan pola kubus yang teratur.
Gambar 2. Pola difraksi sinar-X ini merupakan satu dari yang terlihat oleh
Max van Luoepada tahun 1912 ketika ia mengarahkan seberkas sinar-X pada
kristal seng sulfida. Pola difraksi dideteksi langsung pada pelat potografis.
( Giancoli ; 2001)
Menurut Tripler (1990 : 318-322) sinar-X adalah radiasi elegromagnet
dengan rentang panjang gelombang kurang lebih dari 0,01 hingga 10 nm
(energinya kurang lebih dari 100 eV hingga 100keV). Spektrum sinar-X kontinu
dipancarkan yang dipancarkan oleh elektron yang mengalami percepatan. Dalam
hal ini hanya spektrum sinar-X diskret yang dipancarkan oleh atom.
Sinar-X dipancarkan dalam transisi antara berbagai tingkat energi transisi
yang lebih rendah dari sebuah atom. Elektron-elektron terdalam terikat
sedemikian kuatnya sehingga ukuran lebar antara tingkat energinya memadai bagi
pemancaran foton dalam rentang panjang gelombang sinar-X. Sebaliknya ikatan
elektron-elektron terluar relatif lemah, dan lebar tingkat energinya hanyalah
beberapa elektron volt; dengan demikian transisi antara tingkat–tingkat ini hanya
memberikan foron dalam spektrum cahaya tampak.
Menurut Sears Zemansky (1985) exsperimen difraksi sinar-X (X ray
difraction) yang pertama kali dilakukan pada tahun 1912 oleh friederich, knipping
dan value, dengan menggunakan susunan exsperimental yang sketsanya dalam
gambar dibawah ini
Gambar 3 Sinar-X yang dihamburkan membentuk pola interferensi yang
direkam pada film fotografik. Gambar (b) sebuah potret dan pola difraksi sinar-X.
Exsperimen ini membuktikan bahwa sinar-X adalah gelombang, atau
setidak-tidaknya bersifat menyerupai gelombang dan atom-atom sebuah kristal
disusun dengan pola yang teratur seperti gambar
Gambar 4. Model susunan ion-ion dalam sebuah kristal NaCl. Bola hitam
adalah Na, bola merah Cl. Jarak antara atom-atom yang berdekatan adalah 0,282
nm awan elektron dari atom-atom itu sesungguhnya sedikit tumpang tindih tetapi
atom-atom itu disajikan sebagi bola-bola padat yang belum jelas. Semenjak itu,
difraksi sinar-X telah terbukti sebagai sebuah alat penelitian yang sangat penting
untuk mempelajari struktur kristal.
2.3 PENGERTIAN DIFRAKSI SINAR-X
Sinar-X yang merupakan radiasi elektromagnet dengan panjang gelombang
sekitar 100 pm-dihasilkan dari penembakan logam dengan elektron energi tinggi.
Elektron itu mengalami perlambatan saat masuk ke dalam logam dan
menghasilkan radiasi dengan jarak panjang gelombang kontinu yang disebut
Bremsstrahlung (bremsse adalah kata jerman yang berarti rem, strahlung berati
sinar). Pada kontinu itu, tertumpuk beberapa puncak tajam yang berintensitas
tinggi. Puncak ini berasal dari antaraksi antar elektron datang dengan elektron
pada kulit atom. Tumbukan itu mengeluarkan sebuah elektron, dan elektron
dengan energi yang lebih tinggi masuk ke tempat kosong, dengan memancarkan
kelebihan energinya sebagai foton sinar-X.( P W Atkins: 1993)
Menurut Giancoli (2001), difraksi sinar-X telah berguna dalam menentukan
sruktur molekul yang penting secara biologis. Sering kali bisa dibuat kristal dari
molekul-molekul seperti itu. Analisis kompleks, dan biasanya perlu dibuat
berbagai perkiraan mengenai struktur molekul. Ramalan pola difraksi untuk setiap
struktur yang diperkirakan kemudian dibandingkan dengan yang sebenarnya
didapat. Untuk molekul-molekul yang lebih besar, seperti protein dan asam
nukleat, penemuan yang penting adalah “tekhnik atom berat”. Karena atom besar
menghamburkan sinar-X jauh lebih kuat dari atom C, N, O, dan H biasa dari
molekul biologis, atom berat digunakan sebagai “tanda”. Atom berat secara kimia
ditambahkan ke titik tertentu pada molekul (katakanlah, protein)-dengan harapan
mengusik struktur secara signifikan. Analisi perubahn pola difraksi yang
dihasilkan memberi informasi yang membantu.
Bahkan ketika kristal yang baik tidak bisa dipadatkan, jika molekul yang
dipelajari memiliki bentuk berulang yang teratur (seperti yang dimiliki banyak
protein dan DNA), difraksi sinar-X dapat mengungkapkannya. Dalam beberapa
hal, setiap molekul mirip dengan kristal tunngal dan satu sampel adalah kumpulan
dari kristal-kristal yang kecil tersebut. Dan memang, dengan batuan diraksi sinar-
X-lah, pada tahun 1953, J. D. Watson dan F . H. C. Crick mengungkapkan,
struktur heliks ganda dari DNA. Sekitar tahun 1960 struktur detail yang pertama
dari molekul protein siuraikan dengan bantuan difraksi sinar-X; ini untuk
myoglobin, rekan dari unsur pokok darah, hemoglobin. Struktur hemoglobin
sendiri segera diungkapkan, dan semenjak saat itu banyak struktur yang telah
ditentukan dengan bantuan sinar-X. (B. E Warren ; 1969)
BAB III. METODE PENULISAN
3.1 Objek penulisan
Objek penulisan mencakup sejarah, pengertian, dan penerapan difraksi
sinar-X dalam menentukan struktur kristal molekular, ionik, kovalen, dan logam.
3.2 Dasar pemilihan objek
Objek yang penulis memilih adalah penerapan difraki sinar-X dalam
menetukan struktur kristal molekular, ionik, kovalen, dan logam, yang sangat
berguan untuk menetukan bentuk unsur/senyawa dalam bentuk kristal.
3.3 Metode pengumpulan data
Dalam penulisan makalah ini, penulis secara umum mendapatkan bahan
tulisan dari berbagai referensi, baik dari tinjauan kepustakaan berupa buku – buku
atau dari sumber media internet yang terkait penerapan difraksi sinar-X dalam
menentukan struktur kristal molekular, ionik, kovalen, dan logam.
3.4 Metode analisis
Penyusunan makalah ini berdasarkan metode deskriptif analisis, yaitu
dengan mengidentifikasi permasalahan berdasarkan fakta dan data yang ada,
menganalisis permasalahan berdasarkan pustaka dan data pendukung lainnya,
serta mencari alternatif pemecahan masalah.
BAB IV. PEMBAHASAN
4.1 PENGHAMBURAN (DIFRAKSI) SINAR-X OLEH KRISTAL
Pada abad ke-19, ahli kristalografi dapt menggolongkan kristal ke dalam tujuh
sistem kristal hanya berdasarkan simetri exsternalnya. Mereka tidak mengukur
dimensi sel satuan atau posisi atom di dalamnya. Penemuan sinar-X oleh Wilhem
Roentgen pada tahun 1895 menyediakan suatu alat yang sangat ampuh untuk
menentukan struktur kristal. Max von Lue mengajukan teori bahwa kristal
mungkin berfungsi sebagi kisi tiga-dimensi untuk difraksi radiasi
elegtromagnetik dengan panjang gelombang yang sesuai dengan jarak antar
bidang-bidang atom. Friederich dan knipping membuktikan dengan eksperimen
pada tahun 1912 bahwa hal ini memang benar, dan von Laue diberi penghargaan
Nobel dalam bidang fisika pada tahun 1914 untuk teorinya tentang difraksi sinar-
X oleh kristal. Pada waktu yang hampir sama, W. H Bragg dan W. L. Bragg (ayah
dan putranya) dari Cambridge University juga mendemonstrasikan difraksi sinar-
X oleh kristal dan mendapatkan hadiah Nobel di bidang Fisika pada tahun
berikutnya. (W. L. Bragg baru berusia 22 tahun dan masih menjadi mahasiswa di
Cambridge sewaktu ia menemukan hukum difraksi) rumus yang diajukan Bragg
setara dengan teori von Laue dan sedikit lebih sederhana untuk divisulkan.
( David W Oxtob.,dkk :2001)
Gambar dibawah ini menunjukkan interferensi konstruktif dari sinar-X yang
dihamburkan oleh elekrton-elektron dalam atom dengan bidang yang berjarak
sama, yang dipisahkan sejauh d. Satu berkas sinar-X koheren dengan satu
panjang-gelombang yang diketahui, ditunjukkan pada permukaan kristal,
membuata sudut θ dengan sekumpulan bidang sejajar dari atom-atom didalam
kristal. Sudut penghamburan 2θ kemudian divarasikan dengan merotasi kristal
pada sumbu yang tegak lurus pada bidang gambar.
Gambar 5. Interverensi konstruktif dari sinar-X yang dihamburkan oleh atom-
atom dalam bidang kisi. Diperlihatkan tiga berkas sinar-X, dihamburkan oleh
atom-atom dalam tiga lapisan berurutan dari suatu kristal kubik sederhana.
Perhatikan bahwa fase gelombangnya sama disepanjang garis CH,
mengindifikasikan interferensi 2θ.
4.2 STRUKTUR KRISTAL
Unsur-unsur tertentu mengkristal dalam struktur padatan yang sangat
sederhana, yang atomnya terletak pada setiap titik kisi. Polonium ialah satu-
satunya unsur yang diketahui mengkristal dalam kisi kubik sederhana (simple
cibic lattice), yang atom-atomnya terletak pada perpotongan tiga pasang yang
berjarak sama yang membentuk sudut siku-siku. Setiap sel satuan membentuk
sudut siku-siku. Setiap sel satuan mengandung satu atom Po, terpisah dari enam
tetangga terdekatnya dengan jarak 3,35 Å.
Logam alkali mengkristal dalam struktur kubik pusat-badan, kpb (body-
centered cubic(b.c.c) stucture) pada tekanan atmosfer (gambar 5). Sel satuan
struktur ini mengandung dua titk kisi, satu dipusat kubus dan lainnya di salah satu
dari kedelapan pojoknya. Satu atom-tunggal atom logam alkali terletak pada
setiap kisi. Cara alternatif untuk memvisualkan ialah dengan menyadari bahwa
masing-masing dari kedelapan atom yang terletak dipojok sel satuan kpb berbagi
dengan delapan sel satuan yang bertemu pada pojok tersebut. Sumbangan atom ini
kepada satu sel satuan ialah 8 x 1/8 =1 atom, yang ditambahkan pada atom yang
seluruhnya berada didalam pusat sel tersebut.
Gambar 6. Struktur kpb. Satu atom terletek dipusat setiap sel kubik (atom
ditengah) serta disetiap pojok kubus (atom pojok). Ukuran atom diperkecil sedikit
agar posisinya jelas.
Logam aluminium, nikel,tembaga, dan perak,antara lain, mengkristal
dalam struktur kubik pusat-muka, kpm (face-centered cubic (f.c.c) structure) yang
diperlihatkan pada gambar 6. Sel satuan ini mengandung empat titik kisi, dengan
satu atom tunggal terletak pada setiap titik. Tidak ada atom yang sepenuhnya
terletak didalam sel satuan; ada sejumlah atom di pusat muka yang jumlahnya
enam, masing-masing berbagi dengan sel yang lainnya (sumbangan 6 X ½ = 3
atom), dan satu atom di setiap ujung sel (menyumbang 8X ½ = 1 atom), sehingga
keseluruhannya ialah empat atom per sel satuan
Volume sel satuan diberikan dengan rumus
vc¿abc √1−cosα−cos 2 β−cos2 γ+2cos α cos β cos γ
Bila semua sudutnya 900 (sehingga cosinusnya 0), rumus ini menjadi
bentuk sedehana V = abc untuk volume kotak segiempat. Jika massa dari
kandungan sel satuan diketahui, secara teoritis kerapatan sel dapat dihitung.
Kerapatan ini pasti mendekati kerapatan terukur kristal mengandung nc atom per
sel satuan, kerapatan sel terhitungnya ialah
Kerapatan = ρ = massavolume
Gambar 7. Sruktur kpm. Atom terletak di pusat muka serta di pojok-pojok
kubus. Ukuran atom diperkecil sedikit agar posisinya jelas. (David W
Oxtoby.,dkk : 2001)
4.3 STRUKTUR KRISTAL MOLEKULAR
Kristal molekuler mempunyai nilai yang tinggi. Jika protein dan
makromolekul lain diperoleh dalam keadaan kristalin, sturkturnya dapat
ditentukan dengan dengan difraksi sinar-X. Pengetahuan mengenai struktur tiga-
dimensi molekul hayati merupakan titik awal untuk penambahan fungsinya.
Kristal molekuler meliputi gas mulia; oksigen; nitrogen;halogen; senyawa-
senyawa seperti karbon dioksida; halida-halida logam dengan ionitas yang rendah
seperti Al2Cl6, FeCl3, dan BiCl3; dan banyak lagi senyawa organik. Semua
molekul ini dipertahankan dalam tapak kisinya oleh gaya antarmolekul . timbal
balik antara tarik dan gaya tolak diantara molekul kecil sekalipun dalam kristal
molekuler sangatlah rumit karena sangat banyak atom yang terlibat.
Penyederhanaan yang berguna inilah dengan menggambarkan molekul segagai
bulatan-bulatan berfusi yang berpusat pada setiap nukleous. Jari-jari setipa bulatan
ialah jari-jari van der Waals unsur yang terlibat. Dalam kristal molekular, bentuk
ini terkemas bersama sedemikian rupa sehingga tidak ada molekul yang
bertumpan-tindih tetapi ruang kosongnya minimum. Gambar 8. Menjelaskan
semacam “model pengisian ruang” dari triazida sianurat (C3N12), yang
menunjukkan bagaimana alam memecahkan masalah pengemasan menjadi suatu
tanda efisien untuk begitu banyak salinan bentuk molekul C3N12 yang agak rumit
dalam suatu lapisan tungga. Dalam kristal molekuler tiga dimensi dari C3N12,
banyak lapisan seperti ini menumpuk dengan sedikit perimbangan untuk
meminimumkan ruang tak-terisi diantara lapisan-lapisan. (David W Oxtoby.,dkk :
2001)
Gambar 8. Jari-jari van der Waals dari atom karbon dan nitogen
tersuperimpos pada garis struktur muolekul triazida sianurat, C3N12, untuk
menunjukkan volume ruang dimana setiap molekul menolak molekul lainnya.
Gaya van der Waals dalam kristal molekul menahan molekul tetap bersentuhan
dalam pola yang meminimumkan ruang kosong. Gari hitam tipis menekankan
simetri lipat -3 pada pola ini.
Gaya van der Walls jauh lebih lemah dari pada gaya yang bekerja pada
kristal ionik, logam dan kovalen, akibatnya kristal molekular memiliki titik leleh
yang lebih rendah, bersifat lunak, dan mudah dibentuk. Meskipun pada tekanan
atmosfer, unsur gas mulia mengkristal dalam kisi kubuk pusat-muka yang sangat
simetris seperti gambar diatas. Molekul (terutama dengan bentuk geometri yang
rumit) sering kali membentuk kristal dengan simetri-rendah dalam sistem
monoklinik dan triklinik. Beberapa di antaranya menampilkan sifat fisis
menyeluruh dalam hal konduktivitas listrik dan magnetisme yang merupakan
karakteristik logam. Sifat menarik dari kristal ini terutama adalah sifat unik
molekulernya.
4.4 STRUKTUR KRISTAL IONIK
Senyawa yang terbentuk oleh sejumlah atom dengan elegtronegativitas
yang berbeda secara signifikan biasanya bersifat ionik, dan pada hampiran
pertama ion tersebut dapat dianggap sebagai bulatan bermuatan yang keras yang
menempati posisi pada kisi kristal. Semua unsur dari golongan I dan II tabel
berskala bereaksi dengan unsur golongan VI dan VII untuk menentukan senyawa
ionik, yang sebagain besar mengkristal dalam sistem kubik. Khususnya, halida
logam alkali (kecuali sesium halida), amonium halida, dan oksida serta sulfida
logam tanah-jarang semua mengkristal dalam struktur garam-batuan (rock-salt),
atau natrium klorida, yang ditunjukkan pada gambar 8. Struktur ini dapat
dipandang sebagai kisi kpm anion semua tapak oktahedralnya di huni oleh anion.
Dalam kedua cara itu, setiap ion dikelilingi oleh enam ion bermuatan berlawanan
yang berjarak sama. Struktur garam-batuan merupakan struktur kristal stabil bila
nisbah jari-jari kation-anion bernilai antara 0,414 dan 0,732, jika kation dan
anionnya dianggap berperiku sebagai bulatan bermuatan yang tidak dapat
dikompersi.
Gambar 9. Struktur natrium kolorida, atau garam-batuan. Di sebelah
kiri,ukuran ion Na+ dan Cl- ditunjukkan dengan sesuai skala. Di sebelah kanan, sisi
kristalnya ialah kubik-pusat muka, sebagaimana dapat dilihat dari fakta bahwa
mentranslasikan setiap atom sejauh setengah sel satuan (ditunjukkan dengan garis
merah) dalamarah digonal muka akan mensuperimpos ato-atom yang identik.
Terdapat delapan ion (4 Na + dan 4 Cl-)per sel satuan.
Jika nisbah jari-jari bulatan-keras kation-anion melebihi 0,732, seperti
pada sesium halida, struktur kristal yang berbeda yang disebut sruktur sesium
klorida (cesium chloride sructure), jauh lebih stabil. Struktur ini dapat dilihat
sebagi dua kisi kubik sederhana yang saling menembus, yang satu berupa
kumpulan anion dan lainnya kation, seperti ditunjukkan gambar 10. Bila jari-jari
kation kurang dari 0,414, dihasilkan struktur zink blende, atau sfalerit (sphalerite)
(dinamai berdasarkan struktur ZnS), kristal ini terdiri dari kpm ion S2-, dengan ion
Zn2+ menempati setengah daari tapak tetrahedral yang tersedia secara berselang-
seling, sebagiman diilustrasikan gambar 9. Flourit (CaF2) mempunyai sruktur lain;
sel satuannya didasarkan pada kisi kpm ion Ca2+, ion F- menempati kedelapan
tapak tetrhahedral, dan demikian dengan sel satuan mengandung empat ion Ca2+
dan delapan ion F- . nisbah jari-jari (0,414 dan 0,732), di mana terjadi perpindahan
dari satu jenis kristal ke jenis kristal lain, bukanlah angka sebarang. Angka
sebarang adalah nisbah dari jari-jari tapak oktahedral terhadap jari jari atom ini
dalam kisi kpm; hanya bila nisbah ini terlampaui maka ion yang disisipkan dalam
tapak itu akan bersentehun dengan ion yang bermuatan berlawanan dalam struktur
garam-batuan. Angka 0,732 muncul dari perhitungan nisbah jari-jari dari tapak
selitan ditengah sel satuan kubik sederhana. Perlu disadari bahwa kriteria nisbah
jari-jari untuk batas kestabilan sruktur senyawa ion biner bergantung pada ion-ion
yang ter-kompresikan dan fungsi gelombang yang tidak bertumpang-tindih.
Kriteria ini tidak berlaku bila kedua lampiran itu tidak terpenuhi.
Gambar 10. Struktur sesium klorida. Kisi kristalnya ialah kubik sederhana,
denag satu ion Cs+ dan satu ion Cl- persatuan sel.
Kekuatan dan kisaran tarikan elekrostatik membuat kristal ionik bersifat
sebagai padatan keras, bertitik leleh tinggi, dan getas sehingga baik untuk isolator
listrik. Akan tetapi, pelelehan kristal ionik akan merusak kisi dan membebaskan
ion-ionnya untuk bergerak, dan dengan demikian, cairan ionik merupakan
penghantar listrik yang baik.
Gambar 11. Dua kisi ionik dalam sistem kpm. Pada masing-masing kisi,
ditunjukkan satu sel satuan kubik (nonpirimitif) tunggal.
4.5 STRUKTUR KRISTAL LOGAM
Sifat yang merupakan karakteristik logam ialah kemampuannya yang baik
untuk menghantarkan listrik dan kalor. Kedua gejala ini muncul karena mudahnya
elektron valensi bergerak; penghantaran listrik adalah akibat aliran elekron dari
daerah dengan energi potensial tinggi kedaerah yang energi potensialnya rendah,
dan penghantaran kalor adalah akibat aliran elekron dari daerah bersuhu tinggi
(yang energi kinetiknya tinggi) ke daerah bersuhu rendah (yang energi kinetiknya
rendah). Mengapa elektron begitu mudah bergerak dalam logam tetapi terikat erat
pada atom dalm padatan isolator, seperti intan atau natrium klorida?
Jawabannya terletak pada jenis pengikatan yang ada pada logam, yang
sangat berbeda dengan yang ada pada kristal lainnya. Elekron valensi dalam
logam ternyata terdekolakisasi dalam orbital molekul yang sangat besar yang
meluas diseluruh kristal. Untuk memahami asal dari orbital molekul ini, kita
perhatikan dua atom natrium yang didekatkan, masing-masing pada keadaan dasar
elektron valensinya dengan konfigurasi elekron 1s22s22p63s1. Sewaktu kedua
atom itu mendekat, fungsi gelombang dari elektron 3s-nya bergabung membentuk
dua orbital molekul-pada salah satunya. Fase keduanya simetrik (σ3s), dan pada
yang lainnya, kedua antisimetrik (σ3s)
Gambar 12. Struktur kristal unsur logam pada suhu 250c dan tekanan 1
atm. Jari–jari atom (dalam angstrom) dihitung dari model bulatan keras.
4.6 STRUKTUR KRISTAL KOVALEN
Pembahasan tentang golongan padatan kristalin yang atom-atomnya
dihubungkan oleh ikatan kovalen, bukan tarikan elektrotatik ion-ion atau “lem”
elektron-valensi dalam logam. Contoh yang sempurna untuk kristal kovalen ialah
intan, yang termasuk dalam sistem kubik. Konfigurasi elektron dalam keadaan-
dasar atom karbon ialah 1s22s22p2 . pengikatan dapat dideskripsikan oleh empat
orbital sp 3hibrid yang mengarah ke keempat pojok tetrahedron beraturan. Setiap
orbital hibrid yang setara mengandung satu elektron dalam salah satu orbital sp3
dari atom karbon lainnya. Dengan demikian, setiap atom karbon dapat
dihubungkan secara kovalen dengan empat atom lainnya menghasilkan jaringan
pengisisan-ruang yang diperlihatkan Gambar 13. Kristal kovalen dinamakan
“kristal jaringan”, dengan alasan yang sudah jelas. Dalam batasan tertentu, setiap
atom dalam kristal kovalen merupakan bagian dari satu molekul raksasa yang
merupakan kristal itu sendiri. Kristal ini memiliki titik leleh yang sangat tinggi
yang disebabkan oleh tarika kuat diantara atom-atom yang terikat secara kovalen.
Kristal kovalen bersifat keras dan getas.
Gambar 13. Struktur intan. Setiap atom karbon mempunyai empat
tetangga-terdekat yang mengelilingi-nya pada pojok-pojok tetrahedron.
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 KESIMPULAN1. Metode difraksi sinar-X adalah salah satu cara untuk mempelajari
keteraturan atom atau molekul dalam suatu struktur tertentu. Jika struktur
atom atau molekul tertata secara teratur membentuk kisi, maka radiasi
elektromagnetik pada kondisi eksperimen tertentu akan mengalami
penguatan.
2. Kristal molekuler mempunyai nilai yang tinggi. Jika protein dan
makromolekul lain diperoleh dalam keadaan kristalin, sturkturnya dapat
ditentukan dengan dengan difraksi sinar-X. Pengetahuan mengenai
struktur tiga-dimensi molekul hayati merupakan titik awal untuk
penambahan fungsinya. Kristal molekuler meliputi gas mulia; oksigen;
nitrogen;halogen; senyawa-senyawa seperti karbon dioksida; halida-halida
logam dengan ionitas yang rendah seperti Al2Cl6, FeCl3, dan BiCl3; dan
banyak lagi senyawa organik. Semua molekul ini dipertahankan dalam
tapak kisinya oleh gaya antarmolekul . timbal balik antara tarik dan gaya
tolak diantara molekul kecil sekalipun dalam kristal molekuler sangatlah
rumit karena sangat banyak atom yang terlibat.
3. Senyawa yang terbentuk oleh sejumlah atom dengan elegtronegativitas
yang berbeda secara signifikan biasanya bersifat ionik, dan pada hampiran
pertama ion tersebut dapat dianggap sebagai bulatan bermuatan yang keras
yang menempati posisi pada kisi kristal. Semua unsur dari golongan I dan
II tabel berskala bereaksi dengan unsur golongan VI dan VII untuk
menentukan senyawa ionik, yang sebagain besar mengkristal dalam sistem
kubik. Khususnya, halida logam alkali (kecuali sesium halida), amonium
halida, dan oksida serta sulfida logam tanah-jarang semua mengkristal
dalam struktur garam-batuan (rock-salt), atau natrium klorida.
5.2 SARANDengan membahas tentang penerapan difraksi sinar-X dalam menentukan
stuktur kristal molekuler, ionik, kovalen dan logam dapat memperdalam
pengetahuan kita tentang penerapan difraksi sinar-X dalam kehidupan, dan
untuk memperoleh informasi yang lebih lengkap tantang penerapan difraksi
sinar-X dalam menetukan stuktur kristal molekuler, ionik, kovalen dan logam
dapat membaca journal penelitian yang terbaru dan text book.
DAFTAR PUSTAKA
Atkins. P W. 1993. Kimia Fisika jilid dua edisi ke empat. Jakarta : Erlangga
Beiser,A,1987, Konsep Fisika Modren. Jakarta :Erlangga
D. yuong, Hough dan A. Freedman. 2001. Fisika Universitas edisi kesepuluh jilid
ke dua. Jakarta : Erlangga.
Giancoli. 2001. Fisika Jilid Dua Edisi Kelima. Jakarta : Erlangga
Krane, K.1992. Fisika Modren.Jakarta: UI
Oxtoby, David W., dkk. 2001. Prinsip Prinsip Kimia Modren Edisi Ke empat
Jilid dua. Jakarta : Erlangga.
Sartono, A.A., 2006. Difraksi sinar-X (X-RD). Tugas Akhir Mata kuliah proyek
Laboratorium. Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam Universitas Indonesia. http://www.doitpoms.ac.uk
/tlplib/ xray-diffraction/single crvstal.php. Download 4 April 2014.
Warren, B. E. .1969. X-ray diffraction, Addison-Wesley Pub. Co, Massachussetts.
Zakaria, 2003. Analisis Kandungan Mineral Magnetik pada Batuan Beku dari
Daerah Istimewe Yogyakarta dengan Metode X-Ray Diffiaction, skripsi,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri
Medan : medan
Zemansky, Sears. 1985. Fisika Universitas . Jakarta : Erlangga