GAYA IKAT DAN IKATAN KRISTAL

Diajukan sebagai syarat untuk memenuhi tugas fisika zat padatOleh :ARVIN EKOPUTRANTO: 140310100055

FADHLI HADI SURYA: 140310100089

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS PADJADJARAN2014BAB I

PENDAHULUANPada pembahasan sebelumnya kita telah mengetahui bahwa Kristal merupakan padatan yang memiliki ikatan atom yang bersatu dengan struktur yang periodik, namun gaya apakah yang mempertahankan atom-atom dalam kristal agar tetap bersatu ? Adanya gaya elektrostatik tarik-menarik antara muatan negatif elektron dan muatan positif inti atom adalah yang menjadi penyebab timbulnya gaya pemersatu (kohesi) dalam zat padat. Gaya magnet sangat kecil pengaruhnya pada kohesi, dan gaya gravitasi bahkan dapat diabaikan efeknya. Di pihak lain, adanya interaksi pertukaran, sepeti gaya van der waals dan lkatan kovalen memberikan sumbangan yang berarti pada kohesi kristal.

Berdasarkan cara atom-atom berikatan satu sama lain dalam membentuk kristal, dapat dibedakan : ikatan ionik, ikatan kovalen, ikatan logam, ikatan van der Waals, dan ikatan hidrogen.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKAA. Gaya ikatGaya ikat adalah resultan dari gaya tarik elektrostatik (antar protonelektron) dan gaya tolak elektrostatik (protonproton). Adanya gaya ikat ini disebabkan oleh karena adanya kebutuhan atau kecenderungan agar dapat menjadi stabil.

Besar gaya tarik dan tolak yaitu : r > ro gaya tarik lebih besar

r < ro gaya tolak lebih besar

r = ( gaya tarik dan gaya tolak = 0

r = ro gaya tarik = gaya tolak, sehingga ro disebut jarak keseimbangan atau jarak ikatan

Rumus gaya ikat:

(1.1)

Dimana: f = besarnya gaya ikatan (N)

k = konstanta

q1 dan q2 = muatan masing2 molekul/atom (Coloumb)

r = jarak anta molekul/atom tsm (m)

Ikatan antar atom ada yang kuat ada yang lemah. Pada ikatan atom yang kuat, elektron pada orbital paling luarlah yang berperan besar dalam pembentukan ikatan dan mereka disebut elektron valensi. Elektron pada orbital yang lebih dalam lebih erat terikat pada inti atom dan disebut elektron inti. Dua atom akan saling terikat jika ada gaya ikat antara keduanya. Dalam membahas ikatan atom, kita tidak menggunakan pengertian gaya ikat ini melainkan energi ikat. Energi ikat kristal didefinisikan sebagai energi yang perlu diberikan pada kristal untuk memisahkan komponen-komponennya menjadi atom-atom bebas yang netral. Istilah energi kisi digunakan pada diskusi tentang kristal ionik dan dijelaskan sebagai energi yang harus diberikan pada kristal untuk memisahkan komponen ionnya menjadi ion bebas.

Ikatan antar atom terbentuk jika dalam pembentukan ikatan tersebut terjadi penurunan energi total. Perubahan energi potensial terhadap perubahan jarak antar dua ion atau dua molekul dapat dinyatakan dengan persamaan

(1.2)

Dimana: a,b = konstanta tarik menarik/tolak menolak

m,n = konstanta karakteristik jenis ikatan, tipe stuktur

Vr = Energi ikatan

Untuk ion m = 1, sedangkan untuk molekul m = 6. Konstanta n disebut eksponen Born yang nilainya tergantung dari konfigurasi elektron, seperti tercantum pada Tabel 1.

Tabel 1. Eksponen Born

Pada energi ikat berlaku hal hal seperti ini:

Jika r ( energi potensial sistem nol.

Jika nilai r makin kecil, nilai negatif energi potensial semakin bertambah besar.

Jika jarak pisah r sama dengan jarak ikat (r = ro), maka energi potensial mencapai minimum.Untuk lebih jelasnya kita lihat gambar dibawah ini:

Gambar 1. Kurva perubahan energi potensial

Gambar 1 memperlihatkan bentuk kurva perubahan energi sebagai fungsi dari jarak antar ion. Jarak r0 adalah jarak yang bersesuaian dengan energi minimum dan disebut jarak ikat. Karena ion selalu berosilasi maka posisi ion adalah sekitar jarak ikat r0. Oleh karena itu energi ikat dapat didefinisikan sebagai energi yang diperlukan untuk memisahkan ion dari jarak r0 ke jarak tak hingga. Energi disosiasi sama dengan energi ikat tetapi dengan tanda berlawanan.

B. Ikatan kristalAda 5 jenis ikatan ion yang di bagi kedalam 2 jenis ikatan yaitu:1. Ikatan ionic

Ada tiga macam ikatan yang dikelompokkan sebagai ikatan primer yaitu ikatan ion, ikatan kovalen, dan ikatan logam. Ketiga macam ikatan ini disebut sebagai ikatan primer karena ikatan ini bersifat kuat.a. Ikatan Ion

Sesuai dengan namanya, ikatan ini terjadi karena adanya tarik-menarik antara dua ion yang berlawanan tanda. Terbentuknya ion-ion tersebut disebabkan oleh terjadinya transfer elektron antar atom-atom yang membentuk ikatan. Dengan demikian terjadilah pasangan ion positif dan negatif, dan mereka saling terikat. contoh kristal ionik antara lian : NaCl, CsCl, KBr, NaI, dst. Untuk NaCl, elektron pada atom Na ditransfer kepada atom Cl :

Atom dari unsur non logam memiliki hanya sedikit orbital p yang setengah terisi dan ia mampu menarik elektron luar ke dalam salah satu orbital yang setengah kosong tersebut. Sebaliknya, atom dari unsur logam memiliki satu atau lebih elektron yang terikat longgar yang berada di tingkat energi yang terletak di atas tingkat energi yang terisi penuh akan mudah melepaskan electron. Ikatan ion terbentuk oleh adanya gaya tarik elektrostatik antara ion positif dan ion negatif. Energi potensial V dari pasangan ion akan menjadi lebih negatif jika jarak radial r semakin kecil. Dengan m = 1, energi yang terkait dengan gaya tarik antar ion adalah

Walaupun demikian, jika jarak semakin pendek awan elektron di kedua ion akan mulai tumpang-tindih. Pada tahap ini, sesuai dengan prinsip Pauli, beberapa elektron harus terpromosi ke tingkat yang lebih tinggi. Kerja harus dilakukan pada ion-ion ini agar mereka saling mendekat; kerja ini berbanding terbalik dengan pangkat tertentu dari jarak antara pusat ion. Dengan demikian energi potensial total dari kedua ion dapat dinyatakan sebagai (1.4)

dengan E adalah energi yang diperlukan untuk mengubah kedua atom yang semula netral menjadi ion.

Bagaimana ikatan ion terbentuk antara atom A dan B dapat diuraikan secara singkat sebagai berikut. Jika EA adalah energi elektron s terluar dari atom A, diperlukan energi sebesar 0 (EA ) = EA untuk melepaskan elektron dari atom A sehingga atom A menjadi ion; EA disebut potensial ionisasi. Setelah lepas dari atom A elektron tersebut menjadi elektron-bebas dengan potensial 0. Jika elektron ini kemudian masuk ke atom B, energinya akan menurun dari 0 menjadi EB; EB disebut afinitas elektron. Jadi perubahan energi netto adalah E = EB (EA) = EA EB yang akan bernilai positif jika potensial ionisasi atom A lebih besar dari afinitas elektron atom B. Gambar 2 memperlihatkan perubahan energi dalam pembentukan ikatan ion.

Gambar 2. Perubahan energi dalam pembentukan ikatan ion

Pada gambar 2 terlihat bahwa jika energi yang mengikat cukup besar (Vtarik), maka akan terjadi jumlah energi minimum dan energi minimum ini terjadi pada jarak antar ion r0. Pada jarak inilah terjadi keseimbangan antara gaya tarik dan gaya tolak antar ion. Penyimpangan jarak antar ion dari r0, baik mengecil maupun membesar, akan meningkatkan energi potensial sehingga selalu terjadi gaya yang mengarah ke posisi keseimbangan. Pada ikatan ini, ion-ion terikat satu sama lain karena ada energi kohesif yang berasal dari energi potensial listrik.= - : konstanta Madelung

bernilai 1,748 untuk struktur kristal fcc (face centered cubic)

bernilai 1,763 untuk struktur kristal bcc (base centered cubic)

Akibat prinsip ekslusi timbul gaya tolak = Beberapa contoh Kristal ionik

Tabel 2. Contoh Kristal ionik

Sifat kristal ionik1. Keras dan stabil

2. Merupakan konduktor yang buruk, karena tidak ada elektron bebas

3. Suhu penguapannya tinggi sekitar 1000 sampai 2000 K

4. Tidak tembus cahaya

5. Mudah larut dalam cairan polar (air)

6. Menyerap radiasi infra merahb. Ikatan Kovalen

Ikatan kovalen, sering disebut ikatan valensi atau homopolar, dibangun oleh sepasang elektron dari dua atom yang berikatan. Setiap atom menyumbang sebuah elektron untuk membentuk sebuah ikatan kovalen. Ikatan kovalen termasuk ikatan yang kuat. Ikatan kovalen biasanya terjadi antara atom dari unsur non logam dengan non logam. Penggunaan bersama pasangan elektron biasanya menggunakan notasi titik elektron atau dikenal dengan struktur Lewis. Ikatan kovalen dapat dibedakan menjadi ikatan kovalen tunggal, ikatan kovalen rangkap dua, ikatan kovalen rangkap tiga, dan ikatan kovalen koordinasi. Ikatan kovalen tunggal, rangkap dua, dan rangkap tiga dibedakan dari banyaknya ikatan antar atomnya. Sedangkan ikatan kovalen koordinasi adalah ikatan yang terjadi apabila elektron ikatan hanya berasal dari salah satu atom yang berikatan.

Gambar 3. Contoh ikatan kovalen pada molekul air

Beberapa contoh Kristal Kovalen

Tabel 3. Contoh kristal kovalenSifat-sifat Kristal kovalen

1. Tidak larut dalam zat cair biasa

2. Penghantar yang buruk

3. Tembus cahaya (contoh : intan)

4. Beberapa kristal kovalen sangat keras (intan, silikon karbid utk ampelas), karena energi kohesif kristal ini besar

5. Sebagian kristal, titik lelehnya sangat tinggi (intan = 4000 K)c. Ikatan Logam

Logam dicirikan oleh tingginya konduktivitas listrik dan termal, banyak mengandung elektron bebas yang dapat bergerak diseluruh kristal. Elektron valensi yang dimiliki oleh setiap atom logam, akan menjadi elektron bebas bila atom-atom tersebut membentuk Kristal logam. Sebagai contoh, perhatikan atom natrium (11Na) dengan konfigurasi elektron dalam orbital atom sebagai berikut :

Gambar 4. Struktur ikatan logam. Ikatan antar teras atom yang dikelilingi oleh elektron- elektron bebasOrbital atom yang terisi penuh elektron bersama-sama inti atom membentuk teras atom (core). Dalam kristal logam, teras-teras atom saling berkaitan, dan elektron valensi menjadi elektron bebas (satu elektron untuk setiap teras Na). Dalam gambar ini, ikatan logam dapat dipandang sebagai kumpulan teras atom dalam lautan elektron bebas.2. Ikatan sekunderAda dua macam ikatan yang dikelompokkan sebagai ikatan sekunder yaitu ikatan van der waals dan ikatan hidrogen. Kedua macam ikatan ini disebut sebagai ikatan sekunder karena ikatan ini bersifat lemah.a. Ikatan Van der Waals

Mekanisme Gas-gas inert (He, Ne, Ar, dst) dapat membentuk kristal-kristal sederhana. Kristal tersebut umumnya transparan, bersifat isolator, berikatan lemah dan memiliki titik leleh yang sangat rendah. Bila diperhatikan, atom-atom gas ini memiliki orbital valensi yang terisi penuh elektron, sehingga elektron-elektron valensi tidak lagi memungkinkan untuk membentuk ikatan.

Atom-atom gas inert dapat mengalami distorsi yang sangat kecil pada distribusi elektronnya dalam orbital kulit penuh yang berbentuk simetri bola. Meskipun kecil, penyimpangan ini cukup mengubah atom-atom menjadi dipol-dipol listrik. Interaksi antar dipol inilah yang menghasilkan gaya tarik-menarik yang disebut gaya Van der Waals. Gaya ini sangat lemah, dan energi interaksinya memiliki bentuk :

EVDW = -A/r6 (1.4)A tetapan dan r jarak antar atom. Untuk menjaga agar atom-atom berada dalam keseimbangan, pada jarak yang sangat dekat akan terjadi gaya tolak-menolak sebagai akibat berlakunya prinsip larangan pauli (lihat gambar ikatan ionik) yang menghasilkan energi tolak-menolak :

Erep = B/r12 (1.5) Dengan demikian bentuk lengkap energi interaksi dalam ikatan Van der Waals adalah :

E(r) = -A/r6 + B/r12 (1.6) Persamaan (1.6) dirumuskan lebih lanjut oleh Lennard-Jones dalam bentuk :

(1.7)dan disebut energi potensial Lennard-Jones. Besaran dan adalah parameter yang dapat ditentukan dari eksperimen. Selain pada gas-gas inert/mulia, ikatan Van der Waals juga ditentukan pada kristal molekul-molekul organik.

Energi ikat untuk padatan gas mulia dan molekul lainnya ditunjukkan pada tabel 4.

PadatanSimbulEnergi KohesifTitik lebur

NeonNe0,026 ev/atom24 K

ArgonAr0,088 ev/atom84 K

KryptonKr0,12 ev/atom117 K

XenonXe0,17 ev/atom161 K

HidrogenH20,01 ev/atom14 K

OksigenO20,09 ev/atom54 K

NitrogenN20,081 ev/atom63 K

ClorineCl20,32 ev/atom172 K

Hidrogen CloridaHCl0,22 ev/atom158 K

Tabel 4. Energi ikat untuk padatan gas muliab. Ikatan Hidrogen

Karena hidrogen hanya mempunyai satu elektron, maka hidrogen akan membentuk sebuah ikatan kovalen hanya dengan satu atom lainnya. Hal itu telah diketahui, sekalipun kondisi dari atom hidrogen yang belum pasti diikat dengan gaya yang cukup kuat oleh dua atom, dan itu merupakan pembentukan dari ikatan hidrogen diantara atom-atom tersebut, dengan energi ikat 0,1 eV. Hal tersebut dipastikan bahwa ikatan hidrogen memiliki karakter ion yang besar, keadaan dibentuk hanya antara atom-atom yang paling elektronegatif, terutama F, O, dan N.

Gambar 4 Susunan kristal es (H2O padat)

C. Ikatan campuranSelain ke 5 ikatan diatas terdapat ikatan yang merupakan ikatan campuran antara ke 5 ikatan diatas yaitu:

1. Ikatan ionic kovalen

Ikatan ionik yang sempurna dapat terbentuk pada suatu molekul bilamana atom-atom yang terlibat dapat membentuk ion-ion yang elektropositif dan elektronegatif kuat. Syarat ini terpenuhi oleh molekul ionik alkali-halida, oleh karena atom-atom alkali dan halida memiliki kecenderungan yang kuat untuk melepaskan dan menerima elektron.2. Ikatan kovalen van der wels

Ikatan campuran antara kovalen dan Van der Waals banyak ditemukan pada kristal molekul. Pada gambar 5 ditunjukkan kristal telurium (Te) dan grafit (C), yang masing- masing mengandung ikatan kovalen dan ikatan Van der waals. Ikatan kovalen terjadi antara atom-atom Te yang membentuk spiral, sedangkan pada kristal grafit, ikatan kovalen terjadi antar atom-atom C pada satu lapis tertentu, serta ikatan Van der Waals terjadi antar lapisan. Gambar 5 Kristal dengan ikatan campur kovalen-Van der Waals

Mari kita lihat penjelasan gambar 5 seperti berikut:

a. Kristal telurium, ikatan antar atom di sepanjang rantai kovalen dan ikatan antar rantai Van der Waals

b. Kristal grafik c. Ikatan antar atom di setiap lapisan adalah kovalen, sedangkan ikatan antar lapisan adalah Van der Waals.DAFTAR PUSTAKAhttp://file.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._FISIKA/195708071982112-WIENDARTUN/3.Ikatan_Kristal.pdf Diakses tanggal 7 maret 2014

http://pend-geografi.ums.ac.id/files/KRISTALOGRAFI. Diakses tanggal 7 maret 2014DRS. Parno. M.Si. Ebook Fisika Zat Padat,Universitas Negeri Malang. Diakses tanggal 7 februari 2014

Kittel, C. 1991. Introduction to Solid State Physics. Singapura: John Wiley &Sons, Inc

Quinn, John J. Yi, Kyung-So. Solid State Physics: Principles and modern applications. Springer 2009