STRUKTUR BAHAN J3022/ 1/1

1Unit

STRUKTUR BAHAN

OBJEKTIF AM

Memahami struktur bahan dan jadual perkalaan unsur

OBJEKTIF KHUSUS

Di akhir unit ini anda dapat :

Menjelaskan istilah atom, elemen, campuran dansebatian.

Menyatakan nombor atom, jisim atom dan factor yangmenentukan jumlah orbit atom

Menerangkan bagaimana unsur disusun pada JadualPerkalaan Unsur

Menerangkan istilah dan struktur hablur, kekisi ruang,ira sempadan ira dan jenis-jenis ikatan atom

STRUKTUR BAHAN J3022/ 1/2

PENGENALAN

Unit ini akan menjelaskan berkenaan struktur bahan yang merupakan asas pentingdalam pembentukan bahan. Dalam pembentukan logam, ianya terdiri daripadasusunan atom yang dinamakan hablur. Unit ini juga membincangkan mengenaisusunan atom, ketumpatan dan sifat-sifat yang berkaitan dapat ditentukan.Susunan hablur ini akan musnah apabila logam berada pada suhu yang melebihisuhu lebur. Begitu juga logam seperti besi akan mengubah susunan atomnya yangberupa pepejal tanpa dileburkan dengan disertai oleh perubahan pada sifatnya.Perubahan pada susunan atom ini perlu diketahui sekiranya kita hendak mengawalsifat-sifat bahan dalam kejuruteraan bahan. Jesteru itu mendalami mengenaistruktur atom, anda perlulah mengikuti unit ini dengan jayanya.

1.1 Struktur Bahan

Sesuatu bahan berasal daripada struktur dalaman bahan tersebut. Struktur dalamanbahan melibatkan atom-atom dan bagaimana atom-atom dihubungankan denganatom-atom bersebelahan untuk membentuk hablur, molekul dan struktur mikro.Hablur terdiri daripada atom-atom yang tersusun dalam keadaan 3 dimensimengikut corak berulang-ulang atau sekata. Manakala molekul pula terdiri duaatau lebih atom-atom bergabung secara kimia, samada dari jenis atom yang samaatau berlainan jenis. Struktur mikro adalah struktur yang dipisahkan olehsempadan ira (bijian). Struktur ini biasanya memerlukan pembesaran untukdilihat.

1.2 Atom

Merupakan satu zarah asas yang membentuk segala bahan samada dalam bentukpepejal, gas atau cecair. Saiz atom adalah sangat kecil, walaubagaimana pun iamempunyai berat dan sifat-sifat tersendiri. Atom terdiri daripada 3 zarah asasdengan merujuk pada Jadual 1.1

Jadual 1.1: Zarah, cas dan berat bagi atom.

Zarah CasProton PositifNeutron NeutralElektron Negatif

INPUT

STRUKTUR BAHAN J3022/ 1/3

Dari segi cas, atom adalah neutral kerana proton mempunyai cas yangbertentangan dengan elektron. Nukleus terdiri daripada proton dan neutron.Manakala elektron berputar mengelilinginya. Susunan elektron didalam atomditunjukkan pada Rajah 1.2

Rajah 1.2: Kedudukan electron, nukleus dan orbit bagi atom

1.3 Elemen/Unsur

Merupakan gabungan 2 atau lebih atom-atom sejenis. Ianya berada dalamkeadaan tulen. Contoh: logam yang kurang relatif seperti emas dan paltinium.Bukan logam seperti intan, grafit dan sulfur.

1.4 Campuran

Merupakan gabungan antara 2 atau lebih atom-atom yang berlainan jenis tetapitidak bergabung secara kimia.

1.5 Sebatian

Merupakan gabungan antara 2 atau lebih atom-atom yang berlainan jenisbergabung secara kimia. Contoh : Besi + Sulfida dan dipanaskan, menghasilkanbesi sulfida. Sebatian semulajadi sangat stabil kerana zarah-zarah didalamnyadipegang dengan kuat. Jadi ia tidak akan mudah terurai. Cth : Natrium Kloridahanya boleh diuraikan pada suhu 800C. Ikatan yang terjadi disebut ikatankimia.

Nukleus yang mengandungiproton dan neutron

Elektron

Petala / orbit / kelompang 1Petala 2

Petala 3

JOKE!!Two atoms were talking. One atom said to the other. “Why areyou crying?”The atom replied. “I’ve lost an electron.”The first atom said: “Are you sure?”“Yes,” replied the other. “I’m positive.”

STRUKTUR BAHAN J3022/ 1/4

1.6 Jadual Perkalaan Unsur

Alam ini terdiri daripada 109 unsur. Turus menegak di namakan kumpulan.Turus mengufuk di namakan kala. Jadual berkala mempunyai 8 kumpulan iaitudari kumpulan I hingga VIII. Empat kumpulan tersebut mempunyai nama khasseperti dalam Rajah 1.3a. Jadual ini mempunyai blok ditengah-tengah yangdikenali sebagai unsur-unsur peralihan. Cara membaca jadual perkalaan unsurmoden merujuk pada Rajah 1.3b

Rajah 1.3a : Jadual Perkalaan Unsur(Sumber: Kimia Am, Jilid 1)

N

Rajah 1.3b : Kedudukan bagi unsur dalam Jadual Perkalaan

7

Nitrogen

14

2:5

Berat Atom

Simbol

Nama Unsur

Konfigurasi Elektron

No. Atom

STRUKTUR BAHAN J3022/ 1/5

1.7 Ciri-ciri Jadual Perkalaan Unsur

Sifat-sifat kimia sesuatu atom bergantung kepada bilangan elektron dalampetala luar atom yang dinamakan atom valensi. Apabila elektron bertambah dari1 hingga 3, sifat-sifat logam unsur menjadi semakin kurang. Tetapi bilanganelektron akan bertambah dan ia akan menjadi sifat-sifat bukan logam. Dalamsusunan ini, unsur-unsur mempunyai bilangan elektron yang sama pada petalaluar akan termasuk dalam kumpulan yang sama. Inilah sebabnya unsur-unsurdalam kumpulan yang sama mempunyai sifat kimia yang sama. Unsur dalamkumpulan 1 mempunyai 1 elektron pada petala luar, unsur dalam kumpulan 2mempunyai 2 elektron pada petala luarnya. Begitulah yang selanjutnya. Setiapkalaan mempunyai bilangan petala yang sama

1.8 Kegunaan Jadual Perkalaan Unsur

Untuk memudahkan pengkelasan sesuatu unsur. Ia juga dapat memberikanmaklumat mengenai unsur-unsur tersebut terutamanya sifat-sifat unsur tersebutkerana ianya dikumpul mengikut susunan. Memudahkan menjangka sesuatu unsuryang masih dalam penemuan dan meramalkan sifat-sifat dan kegunaanya. Mudahuntuk menganalisis dan memahami sesuatu tindakbalas antara unsur-unsurtersebut.

1.9 Konfigurasi Elektron (tertib pengisian elektron dalam orbit)

Setiap petala hanya boleh diisi oleh sebilangan elektron sahaja. Jika sesuatu petalatelah penuh diisi, elektron lain perlu diisi ke dalam petala yang seterusnya.Amnya, elektron-elektron akan menempati petala yang paling dekat dengannukleus terlebih dahulu sebelum menempati petala lain. Konfigurasi bagi 18unsur pertama dalam Jadual Berkala dapat ditulis dengan petua dibawah:

Isi elektron pada petala yang paling dekat dengan nukleus terlebihdahulu. Petala ini mempunyai tenaga yang paling rendah. Selepas itu,elektron-elektron diisi pada petala-petala yang seterusnya yang lebihbertenaga.

Selepas unsur yang ke 18, pengecualian daripada petua ini akan berlaku.Dimana ia perlu mengikut tertib yang telah ditentukan

MARI BEREHATSEBENTAR

STRUKTUR BAHAN J3022/ 1/6

1.1 Sifat-sifat kimia sesuatu atom bergantung kepada bilangan elektron dalam petalaluar atom yang dinamakan ________________

1.2 Berikan EMPAT (4) cici-ciri Jadual Perkalaan Unsur

___________________

___________________

___________________

___________________

1.3 Nyatakan TIGA (3) kegunaan Jadual Perkalaan Unsur.

___________________

___________________

___________________

AKTIVITI 1A

Rajah 1.8: Menunjukkan Ikatan logam (ion positif dalam gas elektronSELAMAT MENCUBA SEMOGA BERJAYA

STRUKTUR BAHAN J3022/ 1/7

1.1

Sifat-sifat kimia sesuatu atom bergantung kepada bilangan elektron dalam petala

luar atom yang dinamakan atom valensi

1.2

i) bilangan elektron yang sama pada petala luar adalah termasuk dalamkumpulan yang sama.

ii) unsur-unsur dalam kumpulan yang sama mempunyai sifat kimia yangsama.

iii) Unsur dalam kumpulan 1 mempunyai 1 elektron pada petala luar, unsurdalam kumpulan 2 mempunyai 2 elektron pada petala luarnya.

iv) Setiap kalaan mempunyai bilangan petala yang sama

1.3

i) Untuk memudahkan pengkelasan sesuatu unsur.ii) Memberikan maklumat mengenai unsur-unsur tersebut terutamanya sifat-

sifat unsur tersebut kerana ianya dikumpul mengikut susunan.iii) Memudahkan menjangka sesuatu unsur yang masih dalam penemuan dan

meramalkan sifat-sifat dan kegunaanya.iv) Mudah untuk menganalisis dan memahami sesuatu tindakbalas antara

unsur-unsur tersebut.

MAKLUM BALAS 1A

STRUKTUR BAHAN J3022/ 1/8

1.4 Hablur

Pepejal boleh dikelaskan kepada pepejal berhablur dan pepejal amorfus. Pepejalberhablur atau hablur terdiri daripada atom-atom yang tersusun dalam 3 dimensimengikut corak berulang-ulang atau sekata. Hablur terdiri dari logam dan bukanlogam. Hablur tunggal ialah pepejal dengan sel unit tersusun sekata manakalahablur polihablur pula terdiri daripada banyak hablur tunggal dengan pada Rajah1.4 di bawah

Dalam proses pemejalan atom, logam cair akan bertindakbalas antara satu samalain dan menyusun kedudukan masing-masing dalam bentuk yang seragam danteratur. Penyusunan secara teratur ini dinamakan proses pembuatan ruangkekisi. Hablur dapat dilihat dengan menggunakan alat X – Ray defractometermanakala bijian dapat dilihat dengan jelas menggunakan mikroskop kajilogamsetelah dicanai (grinding), pengilapan (polishing), punaran (etching). Empat jenisstruktur hablur yang kerap kali ditemui ialah kiub mudah (simple cube), kiubberpusat jasad (BCC), kiub berpusat muka (FCC) dan heksagon padat (HCP)seperti Rajah 1.5 dan 1.6.

Butiran hablur tunggal

Sempadan ira (bijian)

Rajah 1.4 : Struktur dan sempada ira

Kiub Mudah (Simple Cube)8 atom pada bucu x 1/8 = 1 atom Kiub berpusat jasad (BCC)

8 atom pada bucu x 1/8 = 1 atom1 atom pusat = 1 atom Jumlah 2 atom

INPUT

STRUKTUR BAHAN J3022/ 1/9

Rajah 1.6 : Kekisi ruang bagi Kiub Berpusat Muka dan Heksagon Padat

Contoh bahan yang menghablur dalam bentuk ini ialah:- Kiub mudah = garam (Na Cl) BCC = kromium, molibdenum, titanium dan tungsten. FCC = aluminium, kuprum, emas dan nikel. HCP = berilium, magnesium dan zink.

1.5 Jenis-jenis Ikatan

Terdapat 3 cara bagaimana sesuatu atom itu diikat. Ikatan Ion / ionik / elektrovalen Ikatan Kovalen Ikatan Logam / metalik

1.11.1 Ikatan Ionik (Elektrovalen / Ion)

Ikatan ini terjadi apabila satu atau lebih elektron dipindahkan(didermakan) daripada satu atom ke satu atom yang alin. Atom yangkehilangan elektron menjadi ion +ve (kation) manakala atom yangmenerima elektron bercas –ve (anion). Ikatan ion terhasil akibat tarikanantara ion yang berlawanan cas ini. Seperti Rajah 1.7: Tindakbalas antaraatom natrium dan klorin. Bagi natrium klorida berion, elektrondipindahkan daripada atom natrium kepada atom klorin untuk membentuknatrium klorida. Ion-ion Na + Cl tersusun bersama dengan bilangan yangbanyak dalam hablur-hablur ion. Elekton dipindahkan daripada atom Nakepada Cl untuk membentuk Na Cl. Kebanyakkan bahan-bahan mineraldan seramik adalah daripada ikatan ionic.

Kiub berpusat muka (FCC)8 atom pada bucu x 1/8= 1 atom6 atom pada muka x ½ = 3 atomJumlah 4 atom

Heksagon padat (HCP)12 atom pada bucu x 1/6 = 2 atom2 atom pada muka x 1/2 = 1 atom6 atom pada sisi x 1/2 = 3 atomJumlah 6 atom

Rajah 1.5 : Kekisi ruang bagi FCC dan BCC

STRUKTUR BAHAN J3022/ 1/10

Rajah 1.7 : Ikatan Ionik bagi Natrium Klorida

1.11.2 Ikatan Kovalen

Perkongsian antara elektron supaya elektron luarnya (elektron valensi)sentiasa terisi penuh seperti Rajah 1.8. Terhasil daripada tarikan diantaraelektron yang dikongsi ini dengan nukleus positif bagi atom yang masukkedalam ikatan. Biasanya bahan (material) yang mempunyai ikatan iniadalah rapuh. Contohnya pada penebat elektrik ( polimer dan seramik)

Rajah 1.8: Ikatan Kovalen (a) Klorin, (b) Oksigen

1.11.3 Ikatan Logam (Metalik)

Atomnya tersusun sangat rapat antara satu sama lain. Setiap atommembekalkan satu @ lebih elektron yang bergerak keseluruh hablurlogam berkenaan seperti yang ditunjukkan pada Rajah 1.9. Elektronnyatidak hanya dikongsi oleh beberapa atom sahaja, tetapi menjadi miliksemua atom didalamnya. Pepejal ini diikat oleh daya tarikan antara ionlogam posiitif dan elektron yang bebas. Ia menghasilkan daya-daya ikatanyang kuat. Contohnya : Atom tungsten dipanaskan antara 3400C –5000oC.

Elektron berpindahdaripada natrium kepadaklorin

(a) Molekul Cl2. Sepasangelektron yang berkongsi

(b) Molekul oksigen O2. Duapasang elektron yangberkongsi

Cl Cl O O

Rajah 1.9: Ikatan logam (ion positif dalam gas elektron)

STRUKTUR BAHAN J3022/ 1/11

1.4 Empat jenis struktur hablur yang kerap kali ditemui ialah

i) __________________

ii) __________________

iii) __________________

iv) __________________

1.5 Nyatakan 3 ( TIGA ) jenis ikatan bagi suatu atom

a) __________________________

b) __________________________

c) __________________________

1.6 Terangkan secara ringkas mengenai ikatan kovalen.

BETUL KE .. NI !!! ?

AKTIVITI 1B

STRUKTUR BAHAN J3022/ 1/12

1.4

Empat jenis struktur hablur yang kerap kali ditemui ialah

i. kiub mudah (simple cube)

ii. kiub berpusat jasad (BCC)

iii. kiub berpusat muka (FCC)

iv. heksagon padat (HCP).

1.5

Tiga jenis ikatan bagi sesuatu atom

a. Ikatan Ion / ionik / elektrovalen

b. Ikatan Kovalen

c. Ikatan Logam / metalik

1.6

Perkongsian antara elektron supaya elektron luarnya (elektron valensi) sentiasaterisi penuh. Terhasil daripada tarikan diantara elektron yang dikongsi ini dengannukleus positif bagi atom yang masuk kedalam ikatan. Biasanya bahan (material)yang mempunyai ikatan ini adalah rapuh. Contohnya pada penebat elektrik(polimer dan seramik)

MAKLUM BALAS 1B

(a) Molekul Cl2. Sepasangelektron yang berkongsi

(b) Molekul oksigen O2. Duapasang elektron yangberkongsi

Cl Cl O O

STRUKTUR BAHAN J3022/ 1/13

1. Atom mengandungi nukleus dan ..................

A. Elektron B. Proton C. Neutron D. Nombor atom

2. Nukleus terdiri daripada ............... dan proton.

A. NeutronB. Nombor atom C. Elektron D. Proton

3. Nombor atom merupakan bilangan ............... sesuatu atom.

A. Proton B. Neutron C. Nombor atom D. Elektron

4. Nombor Jisim Atom adalah bilangan proton dicampur dengan bilangan ...........

A. Elektron B. Proton C. Neutron D. Nombor atom

5. Nombor Atom Ferum ialah 26, oleh itu Nombor Jisim Atom bagi Ferum ..........

A. 26 B. 52 C. 78 D. 104

6. Nombor Atom Magnesium ialah 12 maka bilangan petala elektronnya ...........

A. 1 B. 2 C. 3 D. 4

7. Jumlah bilangan elektron di petala yang ke-3 tidak melebihi ...........

A. 6 B. 12 C. 18 D. 24

8. Nombor Atom Aluminium ialah 13, oleh itu bilangan elektron yang berada di petalaakhir ialah .............

A. 1 B. 2 C. 3 D. 4

9. Salah satu jenis ikatan atom ialah ikatan ...............

A. Jisim B. Proton C. Elektron D. Logam

10.Larutan pepejal terdiri daripada jenis gantian dan ...................

A. Balikan B. Pulangan C. Celahan D. Tengahan

PENILAIAN KENDIRI

STRUKTUR BAHAN J3022/ 1/14

11. Apakah yang dimaksudkan dengan istilah-istilah berikut :-

i. Atom ii. Unsur iii. Sebatian

12. Berserta dengan gambarajah, jelaskan proses pertumbuhan hablur.

13. Terangkan mengenai ikatan logam (metalik) berserta gambarajah yang sesuai.

STRUKTUR BAHAN J3022/ 1/15

1. A. Elektron.

2. A. Neutron

3. A. Proton

4. C. Neutron

5. B. 52

6. C. 3

7. C. 18

8. C. 3

9. D. Logam

10. C. Celahan

11.i. Atom mempunyai nukleus terdiri daripada proton dan neutron. Manakala

elektron berputar mengelilinginya.

ii. Elemen/Unsur merupakan gabungan 2 atau lebih atom-atom sejenis. Ianyaberada dalam keadaan tulen.

iii. Sebatian merupakan gabungan antara 2 atau lebih atom-atom yang berlainanjenis bergabung secara kimia.

MAKLUM BALAS

STRUKTUR BAHAN J3022/ 1/16

12.

Hablur terdiri dari logam dan bukan logam. Dalam proses pemejalan atom, logamcair akan bertindakbalas antara satu sama lain dan menyusun kedudukan masing-masing dalam bentuk yang seragam dan teratur. Penyusunan secara teratur inidinamakan proses pembuatan ruang kekisi. Hablur dapat dilihat dengan jelassetelah dicanai (grinding), pengilapan (polishing), punaran (etching) dan akhirsekali dengan menggunakan mikroskop optik. Empat jenis struktur hablur yangkerap kali ditemui ialah kiub mudah (simple cube), kiub berpusat jasad (BCC),kiub berpusat muka (FCC) dan heksagon padat (HCP).

13.

Ikatan Logam (Metalik) mempunyai atom yang tersusun sangat rapat antara satu samalain. Setiap atom membekalkan satu @ lebih elektron yang bergerak keseluruh hablurlogam berkenaan seperti yang ditunjukkan pada Rajahdi bawah. Elektronnya tidak hanyadikongsi oleh beberapa atom sahaja, tetapi menjadi milik semua atom didalamnya.Pepejal ini diikat oleh daya tarikan antara ion logam posiitif dan elektron yang bebas. Iamenghasilkan daya-daya ikatan yang kuat. Contohnya : Atom tungsten dipanaskan antara3400C – 5000oC.

Butiran hablur tunggal

Sempadan ira (bijian)