Selamat Datang Dalam Kuliah Terbuka Ini

1

Kuliah terbuka kali ini berjudul

“Mengenal Sifat Material II”

2

Disajikan olehSudaryatno Sudirham

melaluiwww.darpublic.com

3

4

Sesi 1

Ikatan Atomdan

Ikatan Molekul

5

Ikatan Kovalen : terbentuk karena orbital yang setengah terisi dari dua atom saling overlap.

Gaya Ikat : gaya yang menyebabkan dua atom menjadi terikat; gaya ini terbentuk jika terjadi penurunan energi total ketika dua atom saling mendekat

Ikatan Metal : terbentuk oleh terjadinya peningkatan perluasan spasial dari fungsi gelombang elektron valensi, ketika sejumlah atom metal saling berdekatan.

Ikatan Ion : terbentuk oleh gaya tarik elektrostatik antara dua ion yang berlawanan tanda.

Ikatan Hidrogen : terbentuk karena gaya tarik antar dipole di mana hidrogen menjadi ujung positif dari dipole .

Ikatan van der Waals : terbentuk karena dipole yang fluktuatif dari atom.

Inti Ion : atom yang kehilangan elektron valensi

Ikatan Atom

Ikatan Primer : Kuat Ikatan Sekunder : Lemah

6

Ikatan terarah:kovalen

dipole permanen

Ikatan tak terarah:metal

ionvan der Waals

atom dengan ikatan terarah akan terkumpul sedemikian

rupa sehingga terpenuhi sudut ikatan

atom dengan ikatan tak terarah pada umumnya terkumpul secara rapat (kompak) dan mengikuti aturan geometris

yang ditentukan oleh perbedaan ukuran atom

walaupun kita bedakan ikatan atom berarah dan ikatan tak berarah, namum dalam kenyataan material bisa terbentuk dari campuran dua

macam ikatan tersebut

terutama terjadi pada ikatan kovalen antara unsur non metal: Nitrogen;

Oksigen; Carbon; Fluor; Chlor

terutama pada Ikatan metal yang terjadi antara sejumlah

besar atom

7

Sifat ikatan : diskrit dalam jumlah dan arah. Arah ditentukan oleh status kuantum dari elektron yang berperan dalam terbentuknya ikatan

Contoh : H2. Walaupun atom H memiliki 1 elektron di orbital 1s yang berarti memiliki simetri bola, namun ikatan 2 atom H tetap diskrit yang berarti setiap atom H hanya akan terikat dengan satu atom H yang lain

Elektron di orbital yang lain akan membentuk ikatan yang memiliki arah spasial tertentu dan juga diskrit; misal orbital p akan tegak lurus satu sama lain.

2pz

2px2py

x

y

z

x

y

z

x

y

z

Atom dengan ikatan terarah

8

Hanya orbital yang terisi setengah yang dapat berperan dalam pembentukan ikatan kovalen; oleh karena itu jumlah susunan ikatan

ditentukan oleh jumlah elektron dari orbital yang setengah terisi.

1 H: 1s1

8 O: [He] 2s2 2p4

O

H H

104o

+

dipole

1 H: 1s1

9 F: [He] 2s2 2p5

F

H

+

dipole

9

Hibrida dari fungsi gelombang s dan p bisa terjadi

6 C: [He] 2s2 2p2

Hibrida dari fungsi gelombang s dan p pada karbon membuat

karbon memiliki 4 ikatan yang kuat mengarah ke susut-sudut

tetrahedron

Intan dan methane (CH4) terbentuk dari ikatan hibrida ini.

14 Si [Ne] 3s2 3p2

32 Ge [Ar] 3d10 4s2 4p2

50 Sn [Kr] 4d10 5s2 5p2

juga membentuk orbital tetrahedral seperti karbon karena hibrida 3s-sp, 4s-

4p, dan 5s-5p, sama dengan 2s-2p.

Karena ikatan kovalen adalah diskrit dalam jumlah maupun arah, maka terdapat banyak kemungkinan struktur ikatan, tergantung dari

ikatan mana yang digunakan oleh setiap atom.

10

Sebagai contoh adalah senyawa hidrokarbon yang terdiri hanya dari atom C dan H.

Methane : CH4. Semua ikatannya adalah tetrahedral CH

Ethane : C2H6. Memiliki satu ikatan CC

H |HCH | H

H H | |HCCH | | H H

Propane : C3H8. Memiliki dua ikatan CC

H H H | | |HCCCH | | | H H Hdst.

C

HH

H

H

11

Rantaian panjang bisa dibentuk oleh ribuan ikatan CC. Simetri ikatan atom karbon dalam molekul ini adalah tetrahedral, dan satu ikatan CC dapat dibayangkan

sebagai dua tetrahedra (yang disebut tetrahedra pengikat), yang berikatan sudut-ke-sudut.

Variasi ikatan bisa terjadi sebab tetrahedra pengikat, selain berikatan sudut-ke-sudut dapat pula berikatan sisi-ke-sisi (ikatan dobel) dan juga berikatan bidang-

ke-bidang (ikatan tripel).

Contoh: ethylene C2H4,

H H | |HC CH

Contoh: acetylene C2H2

HC CH

12

Peningkatan kekuatan ikatan sebagai hasil dari terjadinya ikatan multiple disertai penurunan jarak antar atom karbon:

1,54 Ä pada ikatan tunggal 1,33 Ä pada ikatan dobel 1,20 Ä pada ikatan tripel

Ikatan CC juga bisa digabung dari ikatan tunggal dan ikatan dobel, seperti yang terjadi pada benzena

13

Pada ikatan tak terarah kita dapat mengharapkan bahwa atom-atom material dalam keadaan padat akan terkumpul secara ringkas / kompak menempati ruang sekecil mungkin. Dengan cara ini jumlah ikatan per

satuan volume menjadi maksimum yang berarti energi ikatan per satuan volume menjadi minimum.

Sebagai pendekatan pertama kita memandang atom sebagai kelereng keras. Secara geometris, ada 12 kelereng yang dapat berposisi

mengelilingi 1 kelereng (terletak di pusat) dan mereka saling menyentuh satu sama lain.

Ada 2 macam susunan kompak yang teramati dalam banyak struktur metal dan elemen mulia, yaitu hexagonal close-packed

(HCP) dan face-centered cubic (FCC).

Atom dengan Ikatan Tak Terarah Atom berukuran sama

14

Face-Centered Cubic (FCC)

6 atom mengelilingi 1 atom di bidang tengah

3 atom di bidang atas, tepat di atas 3 atom yang berada di bidang bawah,

Hexagonal Closed-Packed (HCP)

6 atom mengelilingi 1 atom di bidang tengah

3 atom di bidang atas, berselang-seling di atas 3 atom di bidang bawah,

15

Semua elemen mulia membentuk struktur kompak jika membeku pada temperatur sangat rendah, dan sekitar 2/3 dari jenis metal membentuk struktur

HCP atau FCC pada temperatur kamar.

1/3 dari jenis metal yang tidak membentuk struktur struktur kompak pada temperatur kamar adalah metal alkali (Na, K, dll) dan metal transisi (Fe, Cr, W,

dsb). Mereka cenderung membentuk struktur body-centered cubic (BCC).

Walaupun kurang kompak, susunan ini memiliki energi total relatif rendah.

Kebanyakan metal alkali berubah dari BCC ke FCC atau HCP pada temperatur yang sangat rendah. Hal ini menunjukkan bahwa susunan kurang kompak yang

terjadi pada temperatur kamar adalah akibat dari pengaruh energi thermal

Susunan BCC pada metal transisi diduga sebagai akibat dari ikatan metal ini yang sebagian berupa ikatan kovalen (yang merupakan ikatan berarah).

16

Ikatan ion membentuk struktur yang terdiri dari atom-atom yang berbeda ukuran karena anion dan kation pada umumnya sangat berbeda ukuran.

Perbedaan ini terjadi karena transfer elektron dari atom yang elektro-positif ke atom yang elektronegatif membuat anion berukuran lebih besar dari kation.

Anion : ion negatif sebagai hasil dari atom elektronegatif yang memperoleh tambahan elektron.

Kation : ion positif sebagai hasil dari atom elektropositif yang kehilangan satu atau lebih elektron.

Ikatan ini tak terarah dan juga tidak diskrit, namun pada skala besar kenetralan harus tetap terjaga.

Atom dengan Ikatan Tak Terarah Atom berukuran tak sama

17

Bilangan yang menunjukkan perbandingan jumlah ion elemen A yang mengelilingi ion elemen K yang lebih

kecil disebut bilangan koordinasi (Ligancy).

Bilangan Koordinasi tergantung dari perbedaan radius antara ion K dan A : makin besar perbedaannya, ligancy akan semakin kecil.

Bilangan Koordinasi

Rasio Radius K/A Polyhedron Koordinasi

Packing

2 0 – 0,155 garis linier

3 0,155 – 0,225 segitiga triangular

4 0,225 – 0,414 tetrahedron Tetrahedral

6 0,414 – 0,732 oktahedron Octahedral

8 0,732 – 1,0 kubus cubic

12 1,0 HCP

12 1,0 FCC

Bilangan Koordinasi

18

Senyawa / Metal rK / rALigancy teramati

Ba2O3 0,14 3

BeS 0,17 4

BeO 0,23 4

SiO2 0,29 4

LiBr 0,31 6

MgO 0,47 6

MgF2 0,48 6

TiO2 0,49 6

NaCl 0,53 6

CaO 0,71 6

KCl 0,73 6

CaF2 0,73 8

CaCl 0,93 8

BCC Metal 1,0 8

FCC Metal 1,0 12

HCP Metal 1,0 12

19

Rasio radius di mana anion saling menyentuh dan juga menyentuh kation sentral disebut rasio radius kritis, sebab di

bawah rasio ini jarak kation-anion menjadi lebih besar dibanding jarak keseimbangan antar ion.

Polyhedra yang terbentuk dengan menghubungkan pusat-pusat anion yang mengelilingi kation sentral disebut

polihedra anion atau polihedra koordinasi.

HCP FCC

20

Polihedra pengikat dan polihedra koordinasi dapat dilihat sebagai sub-unit yang jika disusun akan membentuk struktur padatan tiga dimensi.

Cara bagaimana mereka tersusun akan menentukan apakah material berbentuk kristal atau nonkristal (gelas) dan jika berbentuk kristal struktur kristalnya akan

tertentu.

Polihedra ini bukan besaran fisis tetapi hanya merupakan sub-unit yang lebih mudah dibayangkan daripada atom, dan dengan menggunakan pengertian ini

dapat dilakukan pembahasan mengenai struktur lokal secara terpisah dari struktur besarnya.

Peran ikatan atom

C

H

H

H

H HCP

21

Polihedra koordinasi berperilaku sebagai suatu unit yang erat terikat jika valensi atom sentral lebih dari setengah dari total valensi atom yang terikat dengannya. Jika valensi atom sentral sama dengan valensi total atom yang

mengelilinginya maka sub-unit itu adalah molekul.

Titik leleh suatu material bergantung dari kekuatan ikatan atom. Ia makin rendah jika polihedra sub-unit terbangun dari kelompok atom yang diskrit, yang terikat satu sama lain dengqan ikatan sekunder dibandingkan dengan bila ikatannya

primer.

Contoh:

methane, CH4, memiliki titik leleh 184oC; ethane, C2H6, titik leleh 172oC; polyethylene, titik leleh 125oC;polyethylene saling terikat dengan ikatan C-C dapat stabil sampai 300oC.

Kuliah Terbuka

Mengenal Sifat Material IISesi-1

Sudaryatno Sudirham

22