Struktur Kristal

10/19/2011 04:49:00 PM  ANGAH AZHARI  1 COMMENT

1.        Pendahuluan

Kristal merupakan susunan atom-atom yang teratur dalam ruang tiga dimensi. Keteraturan

susunan tersebut terjadi karena kondisi geometris yang harus memenuhi adanya ikatan atom

yang berarah dan susunan yang rapat. Walaupun tidak mudah untuk menyatakan bagaimana

atom tersusun dalam padatan, namun ada hal-hal yang diharapkan menjadi faktor penting

yang menentukan terbentuknya polihedra koordinasi susunan atom-atom.

Secara ideal, susunan polihedra koordinasi paling stabil adalah yang memungkinkan

terjadinya energi per satuan volume yang minimum. Keadaan tersebut dicapai jika:

a)        kenetralan listrik terpenuhi,

b)        ikatan kovalen yang diskrit dan terarah terpenuhi,

c)        gaya tolak ion-ion menjadi minimal,

d)       susunan atom serapat mungkin.

2.        Kisi Ruang Bravais Dan Susunan Atom Pada Kristal

Kisi ruang (space lattice) adalah susunan titik-titik dalam ruang tiga dimensi dimana setiap

titik memiliki lingkungan yang serupa. Titik dengan lingkungan yang serupa itu disebut

simpul kisi (lattice points). Simpul kisi dapat disusun hanya dalam 14 susunan yang berbeda,

yang disebut kisi-kisi Bravais.

Jika atom-atom dalam kristal membentuk susunan teratur yang berulang maka atom-atom

dalam kristal haruslah tersusun dalam salah satu dari 14 bentuk kisi-kisi tersebut. Perlu

dicatat bahwa setiap simpul kisi bisa ditempati oleh lebih dari satu atom, dan atom atau

kelompok atom yang menempati tiap-tiap simpul kisi haruslah identik dan memiliki orientasi

sama sesuai dengan pengertian simpul kisi.

Karena kristal yang sempurna merupakan susunan atom secara teratur dalam kisi ruang, maka

susunan atom tersebut dapat dinyatakan secara lengkap dengan menyatakan posisi atom

dalam suatu kesatuan yang berulang. Kesatuan yang berulang di dalam kisi ruang itu

disebut sel unit (unit cell). Jika posisi atom dalam padatan dapat dinyatakan dalam sel unit

ini, maka sel unit itu merupakan sel unit struktur kristal. Rusuk dari suatu sel unit dalam

struktur kristal haruslah merupakan translasi kisi, yaitu vektor yang menghubungkan dua

simpul kisi. Jika sel unit disusun bersentuhan antar bidang sisi, mereka akan mengisi ruangan

tanpa meninggalkan ruang kosong dan membentuk kisi ruang. Satu kisi ruang yang sama

mungkin bisa dibangun dari sel unit yang berbeda, akan tetapi yang disebut sel unit dipilih

yang memiliki geometri sederhana dan mengandung hanya sejumlah kecil simpul kisi. Sel

unit dari 14 kisi Bravais diperlihatkan pada gambar 1.

Gambar 1. Sel unit dari 14 kisi ruang Bravais.

Jika kita pilih tiga rusuk non-paralel pada suatu sel sedemikian rupa sehingga simpul kisi

hanya terletak pada sudut-sudut sel, sel itu disebut sel sederhana atau sel primitif. Pada

Gambar 1. sel primitif diberi tanda huruf P. Sel primitif hanya berisi satu simpul kisi; jika kita

lakukan translasi sepanjang rusuknya, simpul kisi yang semula ada pada sel menjadi tidak

lagi berada pada sel tersebut. Sel dengan simpul kisi yang terletak pada pusat dua bidang sisi

yang paralel diberi tanda C (center); sel dengan simpul kisi di pusat setiap bidang kisi diberi

tanda F (face); sel dengan simpul kisi di pusat bagian dalam sel unit ditandai dengan huruf I.

Huruf R menunjuk pada sel primitif rhombohedral.

Sel unit yang paling sederhana adalah kubus yang semua rusuk dan sudutnya sama yaitu, a –

a – a , α = β = γ = 90o . Ada tiga variasi pada kubus ini yaitu kubus sederhana (primitive), face

centered cubic, dan body centered cubic. Jika salah satu rusuk tidak sama dengan dua rusuk

yang lain tetapi sudut tetap sama 90o, kita dapatkan bentuk tetragonal, a − a − c, α = β = γ =

90o ; ada dua variasi seperti terlihat pada Gambar.1. Jika rusuk-rusuk tidak sama tetapi sudut

tetap sama 90okita dapatkan bentuk orthorombic dengan 4 variasi.

3.        Kristal Unsur

Dari empat keadaan yang harus dipenuhi untuk terbentuknya struktur kristal, dua keadaan

telah pasti dipenuhi oleh unsur-unsur yang membentuk kristal yaitu kenetralan listrik dan

gaya tolak antar ion yang minimal. Dua keadaan lagi yang diperlukan adalah pemenuhan

persyratan ikatan kovalen dan terjadinya susunan yang rapat. Kita akan melihat terlebih

dahulu unsur metal dan gas mulia.

a)        Unsur grup VIII dan Metal.

Gas mulia, Ne dengan kofigurasi [He] 2s2 2p6, dan Ar [Ne] 3s2 3p6, serta Kr [Ar] 3d10 4s2 4p6,

memiliki delapan elektron di kulit terluarnya. Konfigurasi ini sangat mantap. Oleh karena itu

mereka tidak membentuk ikatan dengan sesama atom atau dengan kata lain atom-atom ini

merupakan atom bebas. Dalam membentuk padatan (membeku) atom-atom gas mulia

tersusun dalam susunan yang rapat. Konfigurasi yang mantap dari gas mulia menjadi

konfigurasi yang cenderung untuk dicapai oleh unsur-unsur lain dalam membentuk ikatan

atom.

Selain gas mulia, atom metal juga membentuk susunan rapat dalam padatan. Hal ini

disebabkan karena ikatan metal merupakan ikatan tak berarah. Syarat utama yang harus

dipenuhi dalam membentuk padatan adalah terjadinya susunan yang rapat. Tiga sel satuan

yang paling banyak dijumpai pada metal (dan gas mulia dalam keadaan beku) adalah FCC,

HCP, dan BCC yang diperlihatkan pada gambar 2.

Gambar 2. Sel unit FCC, BCC, dan HCP.

 

b)        Unsur grup VII.

Atom Cl [Ne] 3I2 3p5, Br [Ar] 4s2 4p5, J [Kr] 4d10 5s2 5p5, memuat 7 elektron di kulit

terluarnya (tingkat energi terluar). Oleh karena itu pada umumnya mereka berikatan dengan

hanya 1 atom dari elemen yang sama membentuk molekul diatomik (Cl2, Br2, J2); dengan

ikatan ini masing-masing atom akan memiliki konfigurasi gas mulia, delapan elektron di kulit

terluar. Molekul-molekul diatomik tersebut berikatan satu dengan yang lain melalui ikatan

sekunder yang lemah, membentuk kristal. Karena ikatan antar molekul yang lemah ini maka

titik-leleh mereka rendah.

c)        Unsur grup VI.

Atom S [Ne] 3s2 3p4, Se [Ar] 3d10 4s2 4p4, Te [Kr] 4d10 5s2 5p4, memiliki 6 elektron di kulit

terluarnya. Setiap akan mengikat dua atom lain untuk memenuhi konfigurasi gas mulia

dengan delapan elektron di kulit terluar masing-masing. Ikatan semacam ini dapat dipenuhi

dengan membentuk molekul rantai spiral atau cincin di mana setiap atom berikatan dengan

dua atom yang lain dengan sudut ikatan tertentu. Molekul rantai spiral atau cincin ini

berikatan satu sama lain dengan ikatan sekunder yang lemah membentuk kristal. Contoh

ikatan telurium yang membentuk spiral diberikan pada Gambar 3. Satu rantaian spiral ikatan

Te bergabung dengan spiral Te yang lain membentuk kristal hexagonal.

Gambar 3. Rantai spiral Te membentuk kristal hexagonal.

d)        Unsur Grup V.

Atom P [Ne] 3s2 3p3, As [Ar] 3d10 4s2 4p3, Sb [Kr] 4d10 5s2 5p3, dan Bi [Xe]

4f14 5d10 6s2 6p3 memiliki 5 elektron di kulit terluarnya dan setiap atom akan berikatan dengan

tiga atom lain dengan sudut ikatan tertentu. Atom-atom berikatan membentuk lapisan

bergelombang dan lapisan-lapisan ini berikatan satu dengan lainnya melalui ikatan yang

lemah. Contoh salah satu lapisan dari kristal As diperlihatkan pada Gambar 4.

Gambar 4. Salah satu lapisan kristal As.

e)        Unsur Grup IV.

Pada Grup IV hanya unsur ringan yang membentuk krital dimana semua ikatan yang

menyatukan kristal adalah kovalen. Ikatan ini merupakan hasil dari orbital

hibrida sp3 tetrahedral yang saling terkait dan membentuk kristal kubik pada C (intan), Si, Ge,

Sn. (lihat tentang hibridisasi). Sebagian dari unsusr grup ini dapat pula membentuk struktur

dengan ikatan kristal tidak kovalen, seperti pada grafit. Atom-atom pada grafit terikat secara

kovalen heksagonal membentuk bidang datar yang terikat dengan bidang yang lain melalui

ikatan yang lemah seperti  diperlihatkan pada Gambar 5.

Gambar 5. Kristal grafit

Dalam hal ini ikatan kovalen terjadi antar orbital sp2 sedangkan ikatan antar bidang lebih

bersifat ikatan metal. Oleh karena itu grafit lebih mudah mengalirkan arus listrik dan panas

pada arah sejajar dengan bidang ini dibandingkan dengan arah tegak lurus.

Hidrogen Sederhana Hexagonal

Helium Wajah Centered Cubic

Lithium Tubuh Centered Cubic

Berili Sederhana Hexagonal

Boraks Sederhana Trigonal

Karbon Sederhana Hexagonal

Nitrogen Sederhana Hexagonal

Oksigen Basis Centered monoklinik

Ftor Basis Centered monoklinik

Neon Wajah Centered Cubic

Sodium Tubuh Centered Cubic

Magnesium Sederhana Hexagonal

Aluminium Wajah Centered Cubic

Silicon Tetrahedral Packing

Fosfor Wikipedia triklinik

Belerang Wajah Centered Ortorombik

Klorin Basis Centered Ortorombik

Argon Wajah Centered Cubic

Kalium Tubuh Centered Cubic

Kalsium Wajah Centered Cubic

Skandium Sederhana Hexagonal

Titanium Sederhana Hexagonal

Vanadium Tubuh Centered Cubic

Khrom Tubuh Centered Cubic

Manggan Tubuh Centered Cubic

Besi Tubuh Centered Cubic

Kobalt Sederhana Hexagonal

Nikel Wajah Centered Cubic

Tembaga Wajah Centered Cubic

Neodymium Sederhana Hexagonal

Promethium N / A

Samarium Sederhana Trigonal

Europium Tubuh Centered Cubic

Gadolinium Sederhana Hexagonal

TB Sederhana Hexagonal

Dysprosium Sederhana Hexagonal

Holmium Sederhana Hexagonal

Erbium Sederhana Hexagonal

Thulium Sederhana Hexagonal

Ytterbium Wajah Centered Cubic

Lutetium Sederhana Hexagonal

Hafnium Sederhana Hexagonal

Tantalum Tubuh Centered Cubic

Tungsten Tubuh Centered Cubic

Renium Sederhana Hexagonal

Osmium Sederhana Hexagonal

Iridium Wajah Centered Cubic

Platinum Wajah Centered Cubic

Emas Wajah Centered Cubic

Air raksa Sederhana Trigonal

Thallium Sederhana Hexagonal

Memimpin Wajah Centered Cubic

Bismut Basis Centered monoklinik

Polonium Simple Cubic

Astatin N / A

Radon N / A

Fransium N / A

Radium Tubuh Centered Cubic

Seng Sederhana Hexagonal

Gallium Basis Centered Ortorombik

Germanium Wajah Centered Cubic

Arsenikum Sederhana Trigonal

Selenium Monoklinik Sederhana

Brom Basis Centered Ortorombik

Krypton Wajah Centered Cubic

Rubidium Tubuh Centered Cubic

Strontium Wajah Centered Cubic

Yttrium Sederhana Hexagonal

Zirkonium Sederhana Hexagonal

Niobium Tubuh Centered Cubic

Molibdenum Tubuh Centered Cubic

Teknesium Sederhana Hexagonal

Ruthenium Sederhana Hexagonal

Rhodium Wajah Centered Cubic

Proteksi Wajah Centered Cubic

Perak Wajah Centered Cubic

Kadmium Sederhana Hexagonal

Indium Centered tetragonal

Timah Centered tetragonal

Antimony Sederhana Trigonal

Telurium Sederhana Trigonal

Yodium Basis Centered Ortorombik

Xenon Wajah Centered Cubic

Cesium Tubuh Centered Cubic

Barium Tubuh Centered Cubic

Lanthanum Sederhana Hexagonal

Cerium Sederhana Hexagonal

Praseodymium

Sederhana Hexagonal

Aktinium Wajah Centered Cubic

Thorium Wajah Centered Cubic

Protactinium Centered tetragonal

Uranium Basis Centered Ortorombik

Neptunium Ortorombik Sederhana

Plutonium Monoklinik Sederhana

Amerisium Sederhana Hexagonal

Curium Sederhana Hexagonal

Berkelium Sederhana Hexagonal

Californium Sederhana Hexagonal

Einsteinium N / A

Fermium N / A

Mendelevium N / A

Nobelium N / A

Lawrensium N / A

Rutherfordium N / A

Dubnium N / A

Seaborgium N / A

Bohrium N / A

Hassium N / A

Meitnerium N / A

Darmstadtium N / A

Roentgenium N / A

Ununbium N / A

Ununtrium N / A

Ununquadium N / A

Ununpentium N / A

Ununhexium N / A

Ununseptium N / A

Ununoctium N / A