Ion logam sangat kecil dan diameternya hanya beberapa kaliu 10-10 mm, atau kurang dari nanometer. Dengan demikian satu millimeter kubik logam diperkirakan mengandung 1022. Di atas telah dibahas bahwa ion-ion dalam logam padat tidak tersusun secara acak, namun seolah-olah dipak secara beraturan. Pada kebanyakan logam, ion-ion mengelompok sedemikian rupa sehingga volume yang dibutuhkan sedikit mungkin. Pada semua logam, termasuk yang ion-ionnya agak renggang, penataan ion-ion ternyata mengikuti mengikuti suatu pola tertentu, dan karena struktur logam dicirikan menurut satuan (unit) pola sederhana yang disebut sel struktur, yang kalau diulang-ulang secara beraturan di seluruh bagian badan logam akan menentukan posisi semua ion dalam kristal logam bersangkutan.
Kita mengenal dua cara penataan bola-bola berukuran sama yang memungkinkan volume minimum. Kedua cara itu adalah penataan kubus pusat sisi atau face-centerd cubic arragement (f.c.c) dan penataan heksagonal susunan rapat atau closed-paccked hexagonal arragement (c.p.h). Sel-sel struktur pada kedua cara penataan diatas dapat dilihat dalam Gambar 2.2(a) dan 2.2(b). Sel struktur lain lagi yang tampak pada Gambar 2.2(c) adalah cara pengepakan. Cara pengepakan bola ini dikenal sebagai penataan kubus pusat ruang atau body-centered cubic arragement (b.c.c).
38 Gambar 2.2 Susunan atom dalam (a) struktur kubik pusat muka, (b) struktur
closedpackedheksagonal, dan (c) struktur body-centred cubic
Untuk menetapkan secara lengkap struktur suatu logam, kita perlu mempelajari struktur kristal dan ukuran (dimensi) sel strukturnya. Banyaknya besaran yang dibutuhkan untuk menentukan suatu sel struktur bergantung pada derajat keteraturan geometrik yang ditunjukan oleh sel. Jadi, dalam sel-sel struktur kubus kita hanya perlu mengukur panjang salah satu rusuk, sementara pada sel heksagonal kita perlu mengetahui panjang a dan c seperti dalam Gambar 2.2(b). bagaimanapun, jika struktur yang ideal adalah susunan rapat, kedua
39 besaran a dan c harus memiliki perbandingan c/a = 1,633. Dalam struktur logam,
perbandingan c/a, yang sering disebut nisbah menyumbu (axial ratio), tidak pernah tepat 1,633, dan karena itu struktur logam tidak betul-betul tersusun secara rapat; untuk seng misalnya, c/a = 1,86 dan untuk titanium, c/a = 1,58. Besaran yang menunjukan ukuran sel struktur itu disebut parameter kisi (lattice parameter).
Pengetahuan tentang penetapan kisi memungkinkan kita menghitung jari-jari atom (r) logam berdasrkan asumsi bahw atom-atom itu berbentuk bola dan masingmasing salling kontak. Perlu di ketahui bahwa dalam struktur kubus pusat sisi (f.c.c) r = (a 2)/ 4 , dan dalam struktur kubus pusat ruang (b.c.c) r = (a 3)/ 4, denga a parameter kisi. Karena besaran-besaran a dan r sangat kecil, sudah menjadi kelaziman untuk mengukurnya dalam nanometer (10-9 m). Sebuah konsep yang penting sehubungan denga struktur kristal ini adalah bilangan koordinasi, yang didefinisikan sebagai banyaknya atom berjarak terdekat sama dari sebuah atom mana pun dalam struktur kristal. Jadi, dalam struktur kubus pusat ruang seperti pada Gambar 2.2(c), dengan mudah dapat dilihat bahwa atom di pusat kubus dikekilingi oleh delapan buah atom yang berjarak sama yang terletak di sudut-sudut kubus, dan bilangan koordinasi disini adalah 8. Lain halnya dengan Gambar 2.2(a), mungkin anda tidak langsung menyadari bahwa bilangan koordinasi di struktur kubus pusat sisi seperti ini adalah 12.
Agaknya cara yang paling mudah untuk membayangkan ini adlah denga menempatkan dua sel kubus pusat sisi berdampingan dan memperhatikan atom-atom disekeliling atom yang menjadi pusat sisi bersama. Pada struktur heksagonal susunan rapat dengan perbandingan ideal c/a = 1,633, bilangan koordinasi juga 12 seperti yang mudah terlihat bila kita menumpukan dua sel dan memilih atom di pusat bidang bersama sebagai titik acuan. Bidang ini sering disebut bidang basal. Bidang dengan susunan atom paling padat dalam struktur heksagonal susunan rapat yang paling ideal adalah bidang basal, dan mamiliki tatanan atom yang sama seperti pada bidang paling padat dalam struktur kubus pusat sisi*. Baik struktur heksagoanl susunan rapat maupun kubus pusat sisi merupakan dua metode pengepakan bola yangsama bagusnya; perbedaan di antara keduanya hanyalah pada cara penumpukan bidang susunan rapat masing-masing. Gambar 2.3 memperlihatkan cara atom-atom dalam suatu bidang susunan rapat.
40 Gambar 2.3 Susunan atom dalam bidang close-packed, (b) posisi dua bidang close-packed, dan (c) stacking bidang seksutif
Ketika menumpukan atau mengandengkan bidang atom yang kedua, bidang atom pertama mungkin ditempatkan entah dengan posisi B atau C, yang betul-betul merupakan kedudukan setara. Bagaimanapun, begitu atom pertama ditempatkan di salah satu dari
duakedudukan, semua atom lain di bidang kedua harus berada di kedudukan serupa. Ini tidak lain karena kedudukan-kedudukan bersebelahan untuk tipe-tipe B dan C terlalu dekat untuk ditempati keduanya dalam lapisan yang sama. Sampai di sini kita belum menjumpai
perbedaan antara struktur heksagonal susunan rapat dan kubus pusat sisi. Perbedaan baru timbul ketika lapisan ketiga diletakan.
Dalam peletakan lapisan ketiga, dengan mengandaikan bahwa kedudukankedudukan tipe B telah digunakan untuk membentuk lapisan kedua, seperti dalam Gambar 2.3, atom-atom dapat menempati kedudukan- kedudukan A atau C. kalau kedudukan A yang dipilih, maka atom-atom di lapisan ketiga akan langsung di atas lapisan pertama, dan struktur yang terbentuk adalah heksagonal susunan rapat, sedangkan jika kedudukan C yang dipilih, kejadiannya tidak demikian dan struktur yang berbentuk adalah kubus pusat sisi. Jadi, struktur heksagonal susunan rapat terdiri atas lapisan-lapisan atom tersusun rapat yang ditumpuk dengan urutan ABABAB atau ACACAC. Struktur kubus pusat sisi memiliki cara penumpukan dengan urutan ABCABCABC sehingga atom-atom di lapisan keempat terletak langsung di atas atom-atom lapisan pertama.
41 Tabel 2.3. memperlihatkan struktur kristal yang dianut oleh sejumlah logamlogam pada temperatur kamar. Beberapa logam ternyata menganut lebih dari satu struktur kristal, yang masing-masing hanya stabil pada temperatur tertentu. Contoh paling baik untuk gejala yang disebut polimorfisme ini adalah seperti yang ditunjukan oleh besi, yang berstruktur kubus pusat ruang pada temperatur-temperatur di bawah 910o C serta di atas 1400o C, namun berstruktur kubus pusat sisi bila di antara 910o C dan 1400o C. contoh lain yang umum antara lain adalah titanium dan zirconium yang berubah dari kubus susunan rapat ke kubus pusat ruang berturut-turut pada temperatur 882o C dan 815o C. timah putih berubah dari struktur kubus (kelabu) menjadi tetragonal (putih) pada suhu 13,2o C. uranium dan plutonium juga menganut beberapa struktur kristal. Plutonium, khususnya, tergolong kompleks karena memiliki enam struktur kristal di antara suhu kamar dan titik leburnya pada 640o C.