MAKALAH
MAKALAH PENGANTAR FISIKA ZAT PADAPENGANTAR FISIKA ZAT PADATT
GAYA IKAT DAN IKATAN ATOM GAYA IKAT DAN IKATAN ATOM
DALAM KRISTAL DALAM KRISTAL
Makalah Ini Makalah Ini
Disusun Untuk Memenuhi salah satu Disusun Untuk Memenuhi salah satu tugastugas
Mata Kuliah Pengantar F
Mata Kuliah Pengantar Fisika Zat Padat isika Zat Padat
Disusun oleh Disusun oleh
Ramdani
Ramdani :: 140310140021403101400244 Esti
Esti AyAyu u Rahayu Rahayu :: 140310140021403101400266
Program Studi Fisika Program Studi Fisika
Fakultas Matmatika da! Ilmu P!gta"ua! Alam Fakultas Matmatika da! Ilmu P!gta"ua! Alam
#!i$rsitas Pad%ad%ara! #!i$rsitas Pad%ad%ara!
&'() &'()
PENDAH#L#AN PENDAH#L#AN
Kata “kristal” berasal dari bahasa unani !rystallon yan" berarti tetesan Kata “kristal” berasal dari bahasa unani !rystallon yan" berarti tetesan ya
yan" n" dindin"in "in ataatau u bekbeku# u# $en$enuruurut t %en%en"e"ertiartian n komkom%il%ilasi asi yayan" n" diadiambimbil l untuntuk uk menyera"amkan %enda%at %ara ahli& maka kristal adalah bahan %adat homo"en& menyera"amkan %enda%at %ara ahli& maka kristal adalah bahan %adat homo"en& biasanya anisotro% dan tembus !ahaya serta men"ikuti hukum'hukum ilmu %asti biasanya anisotro% dan tembus !ahaya serta men"ikuti hukum'hukum ilmu %asti sehin""a susunan bidan"'bidan"nya memenuhi hukum "eometri( )umlah dan sehin""a susunan bidan"'bidan"nya memenuhi hukum "eometri( )umlah dan kedudukan bidan" kristalnya selalu tertentu dan teratur# Kristal'kristal tersebut kedudukan bidan" kristalnya selalu tertentu dan teratur# Kristal'kristal tersebut sel
selalu alu dibdibataatasi si oleoleh h bebeberbera%a a%a bidbidanan" " datdatar ar yanyan" " *um*umlah lah dan dan kedkeduduudukakannynnyaa tertentu# Keteraturannya ter!ermin dalam %ermukaan kristal
tertentu# Keteraturannya ter!ermin dalam %ermukaan kristal yan" beru%a bidan"'yan" beru%a bidan"' bidan"
bidan" datar datar dan dan rata rata yan" yan" men"ikuti men"ikuti %ola'%ola %ola'%ola tertentu# tertentu# +idan"'bidan" +idan"'bidan" iniini disebut seba"ai bidan" muka kristal# ,udut antara bidan"'bidan" muka kristal disebut seba"ai bidan" muka kristal# ,udut antara bidan"'bidan" muka kristal yan" salin" ber%oton"an besarnya selalu teta% %ada suatu kristal#
yan" salin" ber%oton"an besarnya selalu teta% %ada suatu kristal# +i
+iddaan" n" mmukuka a ititu u bbaaik ik leletatak k mmauau%u%un n aararahhnynya a diditetenntutukkaan n ololeehh %er%oton"anny
%er%oton"annya a den"an den"an sumbu'sumbu sumbu'sumbu kristal# kristal# Dalam Dalam sebuah sebuah kristal& kristal& sumbusumbu kristal beru%a "aris bayan"an yan" lurus yan" menembus kristal melalui %usat kristal beru%a "aris bayan"an yan" lurus yan" menembus kristal melalui %usat kristal# ,umbu kristal tersebut mem%unyai satuan %an*an" yan" disebut seba"ai kristal# ,umbu kristal tersebut mem%unyai satuan %an*an" yan" disebut seba"ai %arameter
%arameter#-ada #-ada kristal kristal ada ada bebera%a bebera%a %roses %roses atau atau taha%an taha%an dalam dalam %embentukan%embentukan kristal# -roses yan" di alami oleh suatu kristal akan mem%en"aruhi si.at'si.at kristal# -roses yan" di alami oleh suatu kristal akan mem%en"aruhi si.at'si.at dari kristal tersebut# -roses ini *u"a ber"antun" %ada bahan dasar serta kondisi dari kristal tersebut# -roses ini *u"a ber"antun" %ada bahan dasar serta kondisi lin"kun"an tem%at dimana kristal tersebut terbentuk#
lin"kun"an tem%at dimana kristal tersebut terbentuk#
Kristal da%at terbentuk dari %roses %en"enda%an# Enda%an adalah /at yan" Kristal da%at terbentuk dari %roses %en"enda%an# Enda%an adalah /at yan" memisahkan diri seba"ai suatu .ase %adat keluar dari larutan dan terbentuklah memisahkan diri seba"ai suatu .ase %adat keluar dari larutan dan terbentuklah kristal# kuran kristal yan" terbentuk selama %en"enda%an ter"antun" %ada dua kristal# kuran kristal yan" terbentuk selama %en"enda%an ter"antun" %ada dua .aktor %entin"& yaitu la*u %embentukan inti dan la*u %ertumbuhan kristal# a*u .aktor %entin"& yaitu la*u %embentukan inti dan la*u %ertumbuhan kristal# a*u %embentukan
%embentukan inti inti da%at da%at dinyatakan dinyatakan den"an den"an *umlah *umlah inti inti yan" yan" terbentuk terbentuk dalamdalam satuan aktu# )ika la*u %embentukan inti tin""i& banyak sekali kristal yan" akan satuan aktu# )ika la*u %embentukan inti tin""i& banyak sekali kristal yan" akan terbentuk teta%i den"an ukuran yan" ke!il# ,edan"kan *ika la*u %ertumbuhan terbentuk teta%i den"an ukuran yan" ke!il# ,edan"kan *ika la*u %ertumbuhan kristal tin""i& maka akan dida%atkan kristal den"an ukuran yan" tin""i o"el& kristal tin""i& maka akan dida%atkan kristal den"an ukuran yan" tin""i o"el& 1557#
A* Ga+a Ikat Da! E!rgi Ikat
8katan elektrostatik antara muatan ne"ati. dari elektron dan muatan %ositi. dari %roton se!ara keseluruhan bertan""un" *aab dalam %roses ikatan dalam kristal# 9aya ma"net hanya memiliki %en"aruh yan" sedikit %ada ikatan kristal& sedan"kan "aya "raitasi da%at diabaikan#8katan antar atom san"at berhubun"an erat den"an *arak antar atom dan besarnya ener"i yan" di%erlukan untuk men"ikat atom'atom tersebut# Ener"i yan" di%erlukan untuk men"ikat dua atau lebih atom dinamakan ener"i ikat# Ener"i ikat ini sebenarnya adalah %endekatan untuk men""ambarkan "aya ikat antar atom# ,e%erti halnya dalam bahasan .isika klasik& dua atom akan salin" men"ikat *ika "aya tarik'menarik antar dua atom tesebut# ,elain itu adanya "aya tolak antar atom karena *enis muatan dan adanya laran"an %auli& berkontribusi %ada ener"i %otensial yan" terbentuk dalam kristal %ada saat ter*adi ikatan atom#
9aya ikat adalah resultan dari "aya tarik elektrostatik antar %roton; elektron7 dan "aya tolak elektrostatik %roton;%roton7# Adanya "aya ikat ini disebabkan oleh karena adanya <kebutuhan= atau ke!enderun"an a"ar da%at men*adi stabil# +esar "aya tarik dan tolak yaitu :
• r > r o "aya tarik lebih besar
• r ? r o "aya tolak lebih besar
• r @ "aya tarik dan "aya tolak @ 0
• r @ r o "aya tarik @ "aya tolak& sehin""a ro disebut *arak keseimban"an atau *arak ikatan#
Rumus "aya ikat:
f =
−kq1q2
r2 #######################################################
1#17
Den"an . @ +esarnya "aya ikatan 7 k @ Konstanta
B1 dan B2 @ $uatan masin"'masin" molekulCatom 7 r @ )arak anta molekulCatom m7
Dalam ikatan kristal ada %ula yan" disebut ener"i ikat# Ener"i ikat kristal dide.inisikan seba"ai ener"i yan" %erlu diberikan %ada kristal untuk memisahkan
kom%onen'kom%onennya men*adi atom'atom bebas yan" netral# Ketika atom didekatkan dari suatu *arak yan" tak terbatas# -ada *arak *auh& interaksi bisa diabaikan& teta%i ketika atom salin" mendekati& masin"'masin" memberikan "aya ke yan" lainnya# 9aya ini ada dua ma!am& yaitu "aya tarik atau "aya tolak& dan besarnya meru%akan .un"si *arak antar atom# ,umber "aya tarik A ter"antun" %ada *enis ikatan yan" ada antara dua atom# +esarnya berubah den"an *arak& se%erti halnya %ada "ambar 1#1a Akhirnya& kulit elektron terluar dari kedua atom mulai tum%an" tindih& dan "aya tolak yan" kuat R mulai timbul# 9aya netto antar dua atom adalah *umlah kedua kom%onen tarik dan tolak& dinyatakan den"an %ersamaan berikut :
F N = F A+ F R ##############################################################################################
1#27
an" *u"a meru%akan .un"si *arak antar atom seba"aimana di %lot %ada "ambar 1#1a# )ika A dan R sama besar& maka tidak ada "aya netto& sehin""a:
F A+ F R=0
###############################################################################################
1#37
-ada umumnya /at %adat meru%akan /at yan" memiliki struktur yan" stabil# Kestabilan struktur /at %adat ini disebabkan oleh susunan atom'atom dalam kristal berada %ada kedudukan den"an ener"i %otensial sistem minimum# -ada banyak atom& nilai ener"i %otensial minimum da%at den"an !e%at ter%enuhi den"an !ara berikatan den"an atom lain#+esarnya ener"i %otensial yan" berasal dari "aya tarik dan "aya tolak antar atom dituliskan den"an %ersamaan:
V r=−a
rm + b
rn ###########################################################################################1#47
Keteran"an:
V r @ Ener"i %otensial total
a @ Konstanta tarik ' menarik b @ Konstanta tolak ; menolak
r @ )arak antar atom
ilai m @ 1 untuk *enis ion dan m @ 6 untuk *enis molekul# Konstanta n ter"antun" dari kon.i"urasi elektron# Konstanta ini disebut *u"a eks%onen +orn#
V tarik =−a
rm disebut *u"a V tarik yaitu ener"i %otensial yan" terkait den"an
"aya tarik antar atom#
V tolak = b
rn disebut *u"a V tolak yaitu ener"i %otensial yan" terkait den"an
"aya tolak antar atom#
Kemudian kondisi kesetimban"an mun!ul# -usat kedua atom teta% ter%isah %ada *arak keseimban"an r o se%erti ditun*ukkan "ambar 1#1a# -ada seba"ian besar atom& r o kira'kira 0&3 nm 3F7# Ketika sudah berada %ada %osisi ini& kedua atom akan melaan semua usaha untuk memisahkannya den"an "aya tarik& atau untuk mendoron"nya den"an "aya tolak# Kadan"'kadan" lebih di"unakan ener"i %otensial antara dua atom dari%ada "aya# ,e!ara matematik& ener"i E7 dan "aya
7 dihubun"kan den"an:
E=
∫
F dr ################################################################################################1#G7
Atau untuk sistem atom&
E N =
∫
∞ r F N dr E N =∫
∞ r F Adr+∫
∞ r F RdrE N = E A+ E R ##########################################################################################1#67
Dimana E & EA dan ER masin"'masin" adalah ener"i netto& ener"i tarik dan ener"i tolak ba"i dua atom yan" terisolasi dan berdekatan#
9ambar 1#1b men""ambarkan ener"i %otensial tarik& tolak dan ener"i %otensial netto seba"ai .un"si *arak antar atom untuk dua atom# ntuk kura netto& yaitu *umlah kedua ener"i mem%unyai ener"i %otensial di titik minimum# -ada %osisi ini s%asi kesetimban"an yan" sama& r o& bersesuaian den"an *arak atom %ada kura ener"i %otensial minimum# 8katan yan" %alin" stabil antar atom ter*adi %ada saat ener"i %otensial minimum %ada %osisi r o Ener"i 8kat untuk kedua atom ini& Eo& bersesuaian den"an ener"i %ada titik minimum ini *u"a
di%erlihatkan %ada "ambar 1#1b7& dimana menyatakan ener"i yan" di%erlukan untuk memisahkan kedua atom ini ke *arak yan" tak terbatas# -ada saat r lebih besar dari r o& kedua atom salin" tarik# ,edan"kan %ada saat r lebih ke!il dari r o&
kedua atom akan salin" menolak# )arak r o dikenal %ula den"an istilah *arak interatomik setimban"# 9aya tarik dan "aya tolak akan salin" men"hilan"kan %ada kedudukan r o yan" meru%akan keadaan setimban"#
a7
b7
Gambar 1.1 a) Gaya repulsive, attractive dan Net sebagai ungsi dari !arak at"m#, b) $nergi repulsive, attractive dan net sebagai ungsi !arak at"m
9aya atrakti. men""ambarkan adanya ikatan antara atom dalam /at %adat# 9aya re%ulsi. ter*adi dikarenakan adanya %rinsi% laran"an %auli yan" menyatakan “%idak dibenarkan adanya dua elektr"n berada pada satu "rbital yang memiliki bilangan kuantum yang sama”# 9aya antar atom'atom diturunkan
dari .un"si ener"i ion terhada% *arak antar ion dalam kristal# +esar ener"i ikat ini dan bentuk ener"i s kura *arak antar atom berbeda dari satu material ke material lainnya& kedua ariabel ini ber"antun" ke%ada *enis ikatan atom# Hat
%adat dibentuk den"an ener"i ikat yan" besar& sedan"kan ener"i ikat yan" ke!il lebih disukai oleh "as& kondisi !air berlaku ba"i ener"i yan" besarnya menen"ah# -ada umumnya untuk material %adat& tem%eratur leleh dan si.at ikatannya men!erminkan besarnya ener"i ikat#
Ener"i ikat kristal dide.inisikan seba"ai ener"i yan" %erlu diberikan %ada kristal untuk memisahkan kom%onen'kom%onennya men*adi atom'atom bebas yan" netral# 8stilah ener"i kisi di"unakan %ada diskusi tentan" kristal ionik dan di*elaskan seba"ai ener"i yan" harus diberikan %ada kristal untuk memisahkan kom%onen ionnya men*adi ion bebas#+esar ener"i ikat dari berba"ai unsur %ada kristal berariasi# kristal "as mulia memiliki ikatan yan" lemah den"an ener"i ikat yan" lebih ke!il *ika dibandin"kan den"an unsur %ada "olon"an 8A# Kristal dari lo"am alkali memiliki nilai ener"i ikat yan" relati. %erten"ahan dari semua unsur#
8katan antar atom ada yan" kuat ada yan" lemah# -ada ikatan atom yan" kuat& elektron %ada orbital %alin" luarlah yan" ber%eran besar dalam %embentukan ikatan dan mereka disebut elektron alensi# Elektron %ada orbital yan" lebih dalam lebih erat terikat %ada inti atom dan disebut elektron inti# Dua atom akan salin" terikat *ika ada "aya ikat antara keduanya# Dalam membahas ikatan atom& kita tidak men""unakan %en"ertian "aya ikat ini melainkan ener"i ikat# 8katan antar atom terbentuk *ika dalam %embentukan ikatan tersebut ter*adi %enurunan ener"i total#
9ambar 1#1 mem%erlihatkan bentuk kura %erubahan ener"i seba"ai .un"si dari *arak antar ion# )arak r 0 adalah *arak yan" bersesuaian den"an ener"i
minimum dan disebut !arak ikat # Karena ion selalu berosilasi maka %osisi ion
adalah sekitar *arak ikat r 0# Ileh karena itu energi ikat da%at dide.inisikan
seba"ai ener"i yan" di%erlukan untuk memisahkan ion dari *arak r 0 ke *arak tak
hin""a# $nergi dis"siasi sama den"an ener"i ikat teta%i den"an tanda
Gambar 1.2 Kurva perubahan energi p"tensial
• )ika r µ ener"i %otensial sistem nol#
• )ika nilai r makin ke!il& nilai ne"ati. ener"i %otensial semakin bertambah
besar#
• )ika *arak %isah r sama den"an *arak ikat r @ ro7& maka ener"i %otensial
men!a%ai minimum#
Tabel 1.1 $nergi ikat pada masing&masing ikatan
8katan Ener"i 8kat Kate"ori
DJ 0#01 e emah
8onik 1 ; 10e Kuat
o"am 1 '10 e Kuat
Koalen 1'10 e Kuat
Lidro"en K bM emah
Ener"i Kohesi Dalam kristal adalah Ener"i yan" harus diberikan ke%ada kristal untuk memisahkan kom%onen ; kom%onennya men*adi atom'atom bebas yan" netral %ada keadaan diam dan %ada *arak tak hin""a#ntuk kristal yan" bersi.at ionik& ener"i kohesi ini disebut seba"ai ener"i kisi# akni ener"i yan" harus diberikan ke%ada kristal untuk memisahkan kom%onen'kom%onennya men*adi ion'ion bebas %ada keadaan diam dan %ada *arak tak hin""a#
,* Ikata! Atom dalam Kristal
8katan kristal meru%akan ikatan hasil interaksi antara atom& khususnya elektron terluar dari atom'atom bersan"kutan# Merbentuknya ikatan atom antar dua atau lebih atom ditentukan oleh keadaan yan" da%at men"hasilkan nilai
ener"i %otensial yan" minimum# +ebera%a !ara untuk menda%atkan nilai ener"i %otensial minimum adalah seba"ai berikut:
17 -enyesuaian *enis muatan total yan" dimiliki masin"'masin" atom 27 -enyesuaian kon.i"urasi elektron %alin" luar dari masin"'masin" atom
37 -enem%atan atom'atom %embentuk kristal menurut susunan orbital atom yan" memiliki keberkalaan dan kesatan"ku%an dalam ruan" ti"a dimensi yan" berukuran tidak berhin""a#
8katan kristal terba"i dua kate"ori yaitu kate"ori ikatan utama atau ikatan %rimer dan kata"ori ikatan sekunder# Kate"ori ikatan utama adalah *enis ikatan yan" san"at kuat# 8katan utama ini terdiri dari ti"a ma!am ikatan yaitu ikatan ionik& ikatan koalen& dan ikatan lo"am# Kate"ori ikatan sekunder yaitu ikatan
hydr"gen dan ikatan van der 'aals# Kon.i"urasi yan" stabil dari "as mulia
men*adi kon.i"urasi yan" !enderun" untuk di!a%ai oleh unsur'unsur lain dalam membentuk ikatan atom#
8katan kate"ori utama memilliki ikatan lebih kuat dan lebih la/im diketahui sedan"kan kate"ori sekunder lebih lemah dan tidak la/im# Kon.i"urasi yan" manta% dari "as mulia men*adi kon.i"urasi yan" !enderun" untuk di!a%ai oleh unsur'unsur lain dalam membentuk ikatan atom#
&*( Ikata! #tama atau Ikata! Primr a* Ikata! Io!
8katan ini ter*adi karena adanya tarik'menarik antara dua ion yan" berlaanan tanda# 8on itu sendiri terbentuk karena salah satu atom yan" akan membentuk ikatan memberikan elektron ke%ada atom %asan"annya yan" meman" memiliki kemam%uan untuk menerima elektron# Den"an demikian ter*adilah %asan"an ion %ositi. dan ne"ati.& dan mereka salin" terikat#
Atom dari unsur non lo"am memiliki hanya sedikit orbital p yan"
seten"ah terisi dan ia mam%u menarik elektron luar ke dalam salah satu orbital yan" seten"ah koson" tersebut# Atom misalnya den"an kon.i"urasi 1 s2 2 s2 2 pG
hanya memiliki satu dari ti"a orbital p yan" terisi satu elektron# Atom ini mam%u
menarik satu elektron luar untuk memenuhi orbital p sehin""a men*adi ion '
den"an orbital p yan" terisi %enuh# ,ebaliknya& atom dari unsur lo"am memiliki
satu atau lebih elektron yan" terikat lon""ar yan" berada di tin"kat ener"i yan" terletak di atas tin"kat ener"i yan" terisi %enuh( misalnya i den"an kon.i"urasi
1 s2 2 s1 mudah mele%askan satu elektron dan men*adi ion iN den"an orbital 1 s
terisi %enuh# i dan membentuk ikatan ion men*adi i#
8katan ion terbentuk oleh adanya "aya tarik elektrostatik antara ion %ositi. dan ion ne"ati.# Ener"i %otensial ( dari %asan"an ion akan men*adi lebih
ne"ati. *ika *arak radial r semakin ke!il# Den"an m @ 1& ener"i yan" terkait
den"an "aya tarik antar ion adalah
V tarik =
−a
r #############################################################################################1#7
Jalau%un demikian& *ika *arak semakin %endek aan elektron di kedua ion akan mulai tum%an"'tindih# -ada taha% ini& sesuai den"an %rinsi% -auli& bebera%a elektron harus ter%romosi ke tin"kat yan" lebih tin""i# Ker*a harus
dilakukan %ada ion'ion ini a"ar mereka salin" mendekat( ker*a ini berbandin" terbalik den"an %an"kat tertentu dari *arak antara %usat ion# Den"an demikian ener"i %otensial total dari kedua ion da%at dinyatakan seba"ai berikut#
V r=−a
r + b
rn+∆ E ##############################################################################1#O7
Den"an PE adalah ener"i yan" di%erlukan untuk men"ubah kedua atom yan" semula netral men*adi ion# 8katan ion terbentuk antara atom A dan + da%at diuraikan seba"ai berikut# )ika Q $ ) adalah ener"i elektron s terluar dari atom A&
di%erlukan ener"i sebesar 0 Q Q $ )7 @ $ )untuk mele%askan elektron dari atom A
sehin""a atom A men*adi ion( $) disebut p"tensial i"nisasi# ,etelah le%as dari
atom A elektron tersebut men*adi elektron'bebas den"an %otensial 0# )ika elektron ini kemudian masuk ke atom +& ener"inya akan menurun dari 0 men*adi ; $ *( $ * disebut ainitas elektr"n# )adi %erubahan ener"i netto adalah P $ @ Q $ * Q
Q $ )7 @ $ ) Q $ * yan" akan bernilai %ositi. *ika %otensial ionisasi atom A lebih
besar dari a.initas elektron atom +# 9ambar 1#3 mem%erlihatkan %erubahan ener"i dalam %embentukan ikatan ion#
= Na+ = Cl
-Gambar 1#3 Perubahan energi dalam pembentukan ikatan i"n
-ada "ambar ini terlihat baha *ika ener"i yan" men"ikat !uku% besar
( tarik 7& maka akan ter*adi *umlah ener"i minimum dan ener"i minimum ini
ter*adi %ada *arak antar ionr 0# -ada *arak inilah ter*adi keseimban"an antara "aya tarik dan "aya tolak antar ion# -enyim%an"an *arak antar ion dari r 0& baik men"e!il mau%un membesar& akan menin"katkan ener"i %otensial sehin""a selalu ter*adi "aya yan" men"arah ke %osisi keseimban"an# Kristal ikatan ion da%at terbentuk saat %emadatan "aram& baik dari lelehan !airan mau%un kondensasi larutan# )enis struktur kristal ionik yan" biasa ditemukan yaitu kristal al& sl& $"I& ,iI2& i# +erikut !ontoh dari kristal al :
Gambar +# -truktur kristal Na.l
9ambar 1#4 menun*ukkan baha masin"'masin" ion memiliki enam tetan""a terdekat dari ion *enis yan" lain& yan" menyatakan struktur kristal %usat muka 7# Dalam kristal al *arak antara ion'ion terdekat tersebut adalah G&62 A# ,truktur yan" berbeda ditemukan %ada kristal esium'lorida# ,alah satu ion terletak %ada %usat kubus sedan"kan ion *enis lainnya berada %ada %osisi di titik'titik sudut kubus# ,truktur tersebut meru%akan struktur kristal %usat badan 87#
ntuk al& elektron %ada atom a ditrans.er ke%ada atom l :
,elan*utnya& ion aN dan ion l yan" dalam keadaan "as berikatan satu sama lain dan membentuk kristal den"an mele%askan ener"i kisi kohesi7 sebesar &5 e :
)enis ikatan al di"ambarkan se!ara skematik %ada 9ambar 1#G
Gambar 1.5 -kema ikatan i"n dari -"dium Kl"rida /Na.l0
A%abila ion aN dan ion l berdekatan %ada *arak r& besarnya ener"i %otensial7 tarik'menarik oulomb adalah :
E p=−α
e2
4π ε0r #########################################################################################
1#57
α : konstanta $adelun"
+ernilai 1&4O untuk struktur kristal .!! ace centered cubic7 dan
bernilai 1&63 untuk struktur kristal b!! base centered cubic7 akibat %rinsi%
Erep=B
rn ########################################################################################
1#107
Manda dari $ repadalah %ositi% yan" berhubun"an den"an sebuah interaksi
tolakan re%ulsie7 dan keber"antun".an %ada r 'n dimana n adalah sebuah bilan"an besar7 berkaitan den"an sebuah "aya dalam interal san"at dekat yan" berubah se!ara !e%at terhada% %enurunan *arak antar inti r #,ehin""a *umlah keseluruhan ener"i %otensial ion karena interaksinya den"an ion'ion yan" lainnya adalah(
$ 1 $ c"ul 2 ( rep# Maka
n " r ) r e $
=
−
+
# # 4 # 2 ε π α ...(1.11)-ada keadaan kesetimban"an *arak terdekat ion dinyatakan r o& ener"i %otensial adalah minimum dan selan*utnya dCdr7 @ 0 %ada r @ r o#
0 # # 4 # 1 2 2
=
−
=
+ = n " " " r r r n) r e dr d( " ε π α -ehingga 1 2 # # 4 # −=
n " " r n e ) ε π α ...(1.12)Den"an memasukkan %ersamaan 2#O ke %ersamaan 2#6 di%eroleh ener"i %ortensial ion dalam keadaan kesetimban"an adalah(
−
−
=
n r e $" " " 1 1 # # 4 # 2 ε π α ... (1.13)n %ada %ersamaan 1#13 da%at di%eroleh dari %en"amatan kom%resibilitas dari kristal ionik#8katan ionik memiliki %ersamaan ener"i kohersi. se%erti berikut
U = N
(
zλ e − R − α q2 R)
#################################################################################1#147Dimana adalah *umlah molekul& H adalah *umlah tetan""a terdekat masin" ; masin" ion& R adalah *arak tetan""a terdekat& dan S adalah konstanta
re%ulsie sedan"kan T adalah konstanta madelun"# Konstanta madelun" da%at dinyatakan kedalam bentuk %ersmaan matematika se%erti berikut :
λ=
∑
(
!1)
p" # r"$ p" R ################################################################1#1G7
9aya ikat tarik menarik adalah !oloumbik& yaitu ion %ositi. dan ne"ati. tarik menarik satu sama lain karena adanya muatan listrik netto# +ebera%a !ontoh Kristal ionik ditun*ukkan %ada tabel se%erti berikut
Tabel 1.2 ."nt"h kristal I"nik
,i.at kristal ionik antara lain adalah seba"ai berikut# 1# Keras dan stabil
2# $eru%akan konduktor yan" buruk& karena tidak ada elektron bebas 3# ,uhu %en"ua%annya tin""i sekitar 1000 sam%ai 2000 K
4# Midak tembus !ahaya
G# $udah larut dalam !airan %olar air7 6# $enyera% radiasi in.ra merah
-* Ikata! Ko$al!
8katan koalen adalah ikatan yan" ter*adi karena %en""unaan bersama %asan"an elektron oleh dua atom yan" berikatan# 8katan koalen ter*adi a%abila
dua atom atau lebih salin" memberikan elektronnya dan akan membentuk elektron urunan sharin" ele!tron7# 8katan koalen biasanya ter*adi antara atom
dari unsur non lo"am den"an non lo"am# -en""unaan bersama %asan"an elektron biasanya men""unakan notasi titik elektron atau dikenal den"an struktur eis# 8katan koalen da%at dibedakan men*adi ikatan koalen tun""al& ikatan koalen ran"ka% dua& ikatan koalen ran"ka% ti"a& dan ikatan koalen koordinasi# 8katan koalen tun""al& ran"ka% dua& dan ran"ka% ti"a dibedakan dari banyaknya ikatan antar atomnya# ,edan"kan ikatan koalen koordinasi adalah ikatan yan" ter*adi a%abila elektron ikatan hanya berasal dari salah satu atom yan" berikatan#
Merbentuknya ikatan koalen karena adanya ke!enderun"an dari berba"ai atom untuk men!ari keadaan stabil dimana ener"i %otensialnya %alin" minimum# Kon.i"urasi yan" %alin" stabil itu adalah kon.i"urasi elektron "as mulia# Ileh sebab itu bebera%a atom salin" berikatan untuk membentuk kon.i"urasi elektron "as mulia# ontoh %alin" sederhana adalah ikatan antara dua atom L# Atom L memiliki kon.i"urasi elektron 1s1# ,atu elektron dari masin"'masin" atom L salin" berba"i untuk menda%atkan kon.i"urasi %alin" stabil 1s2 se%erti di%erlihatkan %ada 9ambar 1#6
Gambar 1.6 ikatan k"valen pada m"lekul hidr"gen /3 4 0#
Kon.i"urasi elektron yan" dihasilkan setelah terbentuknya ikatan menyebabkan ikatan koalen %ada suatu molekul atau kristal san"at kuat# ontoh kristal yan" terbentuk dari ikatan koalen adalah Hn,& 9a,h& 8nAs dan ,i#,etia% elektron beredar men"elilin"i intinya maka %ada elektron urunan beredar bersama'sama di antara atom'atom dan men"hasilkan "aya tarikan antara elektron den"an atom induknya# -ada molekul hidro"en L2& elektron' elektron urunannya men*adi milik kedua %roton#
Dalam hal ini "aya tarik yan" dilakukan oleh elektron urunan dan %roton lebih besar dari "aya tolak di antara elektron mau%un %roton# Akan teta%i bila
kedua %roton salin" mendekat maka "aya tolak akan menin"kat#Di sam%in" itu "aya tolak antara dua atom da%at mun!ul dari %rinsi% laran"an -auli# Dalam hal ini& suatu sistem tidak boleh dua elektron dalam tin"kat kuantum yan" sama sehin""a bebera%a elektron di%aksa ke tin"kat ener"i yan" lebih tin""i dari %ada yan" ditem%atinya semula# Akibatnya& sistem tersebut akan memiliki ener"i yan" lebih besar dari%ada sebelumnya dan men*adi tidak stabil# Den"an kata lain elektron'elektron akan lari men*auh satu den"an yan" lainnya untuk men"hindari %embentukan sistem tun""al# Keadaan .isis ikatan koalen dalam /at %adat sama se%erti dalam molekul# Melah diuraikan di atas "aya tariknya berasal dari konsentrasi muatan elektron se%an*an" "aris yan" men"hubun"kan
inti berurutan& sedan"kan "aya tolaknya berasal dari %rinsi% laran"an -auli# +ebera%a kristal yan" memiliki ikatan koalen adalah intan& silikon& "ermanium dan timah %utih
+ebera%a !ontoh Kristal Koalen ditun*ukkan %ada tabel berikut ini#
Tabel 1.3 ."nt"h kristal k"valen
,i.at'si.at Kristal koalen antara lain adalah: 1# Midak larut dalam /at !air biasa
2# -en"hantar yan" buruk
3# Membus !ahaya !ontoh : intan7
4# +ebera%a kristal koalen san"at keras intan& silikon karbid utk am%elas7& karena ener"i kohesi. kristal ini besar
.* Ikata! Logam
8katan lo"am ham%ir miri% den"an ikatan alensi# 8katan lo"am terbentuk akibat adanya elektron alensi yan" meru%akan elektron bebas yan" da%at ber"erak di seluruh kristal# Elektron bebas ini da%at bertindak seba"ai %en"ikat antar kation yan" berada berdekatan %ada suatu kristal# amun demikian& ikatan lo"am ini bukanlah ikatan yan" berarah se%erti halnya ikatan koalen# 8katan lo"am meru%akan ikatan yan" tidak berarah# Lal ini disebabkan elektron bebas yan" ber"erak da%at menem%ati %osisi dimana%un %ada kristal# nsur'unsur %ada tabel %eriodik %ada umumnya adalah lo"am yan" da%at men*adi molekul
yan" besar beru%a %adatan# +ila dua atom lo"am salin" mendekat& maka akan ter*adi tum%ah tindih antara orbital'orbitalnya sehin""a membentuk suatu orbital molekul# ,emakin banyak atom lo"am yan" salin" berinteraksi& maka semakin banyak tum%an" tindih orbital yan" akan ter*adi#
$aterial lo"am mem%unyai satu& dua atau %alin" banyak ti"a elektron alensi# Den"an model ini& elektron alensi tidak terikat ke%ada atom tertentu %ada bahan %adat namun lebih kuran" ia akan bebas hanyutCber"erak meleati keseluruhan lo"am# Elektron ini bisa dian""a% dimiliki oleh lo"am se!ara keseluruhan& atau membentuk “lautan elektron” atau “aan elektron# 9ambar 1# mem%erlihatkan ilustrasi skematik ikatan lo"am#
&*& Ikata! Sku!dr a* Ikata! Hydrogen
8katan hidro"en ter*adi ketika sebuah atom hidro"en yan" memiliki satu buah elektron berikatan den"an atom lain se%erti atom & I& atau yan" mem%unyai %asan"an elektron bebas# Lidro"en dan atom atau I atau akan berinteraksi membentuk suatu ikatan hidro"en den"an besar ener"i ikatan sekitar
0&1 e# Kekuatan ikatan hidro"en ini di%en"aruhi oleh %erbedaan elektrone"atiitas antara atom'atom dalam molekul tersebut# ,emakin besar %erbedaannya& semakin besar ikatan hidro"en yan" terbentuk# -ada air L2I7&
ter*adi dua ikatan hidro"en %ada tia% molekulnya# Akibatnya *umlah total ikatan hidro"ennya lebih besar dari%ada asam .lorida L7 yan" seharusnya memiliki ikatan hidro"en terbesar karena %alin" tin""i %erbedaan elektrone"atiitasnya7 sehin""a titik didih air lebih tin""i dari%ada asam .lorida#
Gambar 1.8 Kristal air
-* Ikata! /a! Dr 0aals
Atom'atom "as mulia Le& e& Ar& Kr& Ue7 da%at membentuk suatu ikatan kristal lemah# 8katan kristal tersebut ter*adi akibat adanya interaksi elektrostatis antara di%ol'di%ol listrik yan" mun!ul karena adanya distorsi yan" san"at ke!il %ada distribusi elektronnya# 8nteraksi antar di%ol inilah yan" men"hasilkan "aya tarik'menarik antar atom "as mulia yan" disebut "aya an der aals# 9aya ini san"at lemah& namun demikian& keberadaan "aya ini menyebabkan mun!ulnya ikatan atom yan" disebut ikatan an der aals# ,elain
%ada "as mulia& ikatan ini *u"a ditemukan %ada bebera%a ikatan molekul or"anik# 8katan sekunder timbul antara semua atom atau molekul& ta%i keberadaannya tidak *elas *ika salah satu dari keti"a *enis ikatan %rimer ada# 8katan sekunder dibuktikan oleh "as mulia& yan" mem%unyai struktur elektron yan" stabil& dan *u"a diantara molekul yan" strukturnya berikatan koalen# 9aya ikatan sekunder timbul dari di%ol atom atau molekul# -ada dasarnya sebuah di%ol listrik timbul *ika ada *arak %isah antara ba"ian %ositi. dan ne"ati. dari sebuah atom atau molekul# 8nteraksi di%ol ter*adi antara di%ol'di%ol terimbas& antara di%ol terimbas den"an molekul %olar yan" mem%unyai di%ol %ermanen7& dan antara molekul'molekul %olar# 8katan hidro"en& *enis khusus dari ikatan sekunder& ditemukan %ada bebera%a molekul dimana hidro"en seba"ai salah satu kom%onen# $ekanisme ikatan ini akan dibi!arakan se!ara sin"kat berikut ini#
Gambar 1.9 -kema ikatan van der 'alls dua dip"l
Tabel 1.4 $nergi ikat untuk padatan gas mulia dan m"lekul lainnya#
-adatan ,imbul Ener"i Kohesi. Mitik lebur
eon e 0&026 eCatom 24 K
Ar"on Ar 0&0OO eCatom O4 K
Kry%ton Kr 0&12 eCatom 11 K
Uenon Ue 0&1 eCatom 161 K
Lidro"en L2 0&01 eCatom 14 K Iksi"en I2 0&05 eCatom G4 K itro"en 2 0&0O1 eCatom 63 K
lorine l2 0&32 eCatom 12 K
Lidro"en lorida
Ll 0&22 eCatom 1GO K
Ener"i kohesi. dari bebera%a %adatan yan" di!antumkan tabel 1#4 bila dibandin"kan den"an ener"i kohesi. %ada ikatan ionik tam%ak san"at ke!il sekali& yan" menun*ukkan baha ikatan an der Jalls adalah san"at lemah
sekali# 9aya an der Jalls di rumuskan den"an %ersamaan %otensial ennard' )ones# U =4ε
[
(
% R)
12 −(
% R)
6]
################################################################################# 1#167Ikata! Di1ol Trim-as +a!g ,r2luktuasi
,ebuah di%ol bisa dihasilkan atau diimbaskan ke sebuah atom atau molekul yan" simetris se!ara listrik& yaitu distribusi ruan" keseluruhan elektron simetris terhada% inti bermuatan %ositi.& seba"aimana di%erlihatkan 9ambar 1#10a# ,emua atom men"alami "erak ibrasi konstan& yan" akan menyebabkan distorsi seketika dan berumur %endek& terhada% simetri listrik %ada bebera%a atom atau molekul& dan menimbulkan di%ol listrik ke!il& se%erti yan" di"ambarkan oleh 9ambar 1#10b
a7 b7
Gambar 1.10. a) -kema ikatan elektr"n simetris#, b) at"m dip"l listrik kecil
,alah satu di%ol ini %ada "ilirannya bisa menimbulkan sebuah %er"erakan %ada distribusi elektron dari molekul atau atom yan" berdekatan& yan" membuat atom atau molekul kedua ini men*adi di%ol yan" kemudian den"an lemah ditarik atau diikat ke atom atau molekul yan" %ertama( ini adalah satu *enis ikatan an der Jaals# 9aya'"aya tarik ini bisa timbul diantara se*umlah besar atom atau molekul& dimana "aya'"aya ini bersi.at sementara dan ber.luktuasi terhada% aktu#-roses %en!airan dan& dalam bebara%a hal& %roses %embekuan dari "as mulia dan molekul lain yan" simetris dan netral se!ara listrik se%erti L2 dan l2 di%er!aya disebabkan oleh ikatan *enis ini# Mem%eratur leleh dan didih adalah san"at rendah %ada material dimana ikatan di%ol terimbas dominan& dan dari semua ikatan antar molekul yan" mun"kin ter*adi& ikatan ini %alin" lemah#
$omen di%ol %ermanen timbul %ada bebera%a molekul karena susunan yan" tidak simetris dari daerah yan" bermuatan %ositi. dan ne"ati.( molekul ini disebut molekul %olar# 9ambar 1#11 adalah %en""ambaran skematik dari molekul hidro"en klorida& momen di%ol %ermanen timbul dari muatan netto dari muatan %ositi. dan ne"ati. yan" masin"'masin" berkaitan den"an u*un"'u*un" hidro"en dan klorin dari molekul Ll#
Gambar 1.11 -kema m"lekul p"lar hydr"gen chl"ride
$olekul %olar bisa *u"a men"imbaskan di%ol %ada molekul non %olar didekatnya& dan sebuah ikatan akan terbentuk seba"ai hasil "aya tarik menarik antara dua molekul ini# ebih *auh& besar ikatan ini akan lebih besar dari %ada di%ol terimbas yan" ber.luktuasi#
Ikata! Di1ol Prma!!
9aya an der Jaals *u"a akan timbul diantara molekul %olar yan" berdekatan# Ener"i ikat yan" terkait lebih besar se!ara si"ni.ikan dari %ada ener"i ikat yan" ada %ada di%ol terimbas#)enis ikatan sekunder yan" %alin" kuat& ikatan hidro"en& adalah kasus khusus dari ikatan molekul %olar# 8katan ini ter*adi antara molekul dimana hidro"en berikatan koalen den"an .luorin seba"ai L7& den"an oksi"en seba"ai L2I7& dan den"an nitro"en seba"ai L37# ntuk setia% ikatan L'& L'I atau L'& elektron hidro"en tun""al diba"i bersama den"an atom lainnya# $aka& u*un" hidro"en dari ikatan %ada dasarnya adalah %roton terbuka yan" bermuatan %ositi.& yan" tak terlindun"i oleh elektron# *un" molekul yan" bermuatan %ositi. san"at tin""i ini mem%unyai "aya tarik yan" kuat terhada% u*un" ne"ati. dari molekul yan" berdekatan& se%erti ditun*ukan %ada 9ambar 1#12 untuk L# +esar ikatan hidro"en umumnya lebih
besar dari ikatan sekunder *enis lainnya& dan bisa men!a%ai G1 k)Cmol 0&G2 eCmolekul7#
Gambar 1.12 -kema ikatan hydr"gen dalam hydr"gen lul"ride#
1# 9aya 8kat adalah Resultan dari "aya tarik elektrostatik antar %roton;elektron7 dan "aya tolak elektrostatik %roton;%roton7& Adanya "aya ikat ini disebabkan oleh karena adanya kebutuhan atau ke!enderun"an a"ar da%at men*adi stabil# 2# 8katan atom dalam Kristal di bedakan men*adi dua kate"ori yaitu kate"ori
ikatan utama atau ikatan %rimer dan kata"ori ikatan sekunder& Kate"ori ikatan utama adalah *enis ikatan yan" san"at kuat& 8katan utama ini terdiri dari ti"a ma!am ikatan yaitu ikatan ionik& ikatan koalen& dan ikatan lo"am& Kate"ori ikatan sekunder yaitu ikatanhydr"gen dan ikatan van der 'aals#
V1W ,oe%an"kat&Lariadi -# 15O2# Fisika Zat Padat # +andun": isika $8-A
-AD
V2W +udihartana&8an# 2016# DIK%)% Pengantar Fisika Zat Padat
Diakses melalui eb htt%s:CC#s!ribd#!omCdo!C304GG2402C1'D8KMAM' -en"antar'isika'Hat '-adat'23'4'2014 %ada tan""al 21 ebruari 201 %ukul 0O#0 J8+7
V3W Mim Dosen# +uku A*ar “$aterial Meknik 1”# ,urabaya: akultas Meknik niersitas Ji*aya -utra ,urabaya#
Diakses melalui eb htt%:CCdi"ilib#u%#a!#idCdi"ilibC.ilesCdisk1C1C''tim%en"a*a' 4'1'material'1#%d. %ada tan""al G $aret 201 %ukul 14#13 J8+7
V4W Kardiaarman#&-h#D#”8katan Kristal”# niersitas Merbuka#
Diakses melalui eb htt%:CCre%ository#ut#a!#idC4G10C1C-E84420'$1#%d. %ada tan""al G $aret 201 %ukul 14#33 J8+7
VGW &8r.an $uhammad#& Hendi A%rio#& dan Rahayu A"ustia# 2013# “9aya 8kat dan 8katan Kristal”# ,umedan": isika $8-A niersitas -ad*ad*aran# Diakses melalui eb htt%s:CC#s!ribd#!omCdo!umentC13O4G1460C+ab'2' 9aya'8kat'Kristal'Hat'%adat %ada tan""al G $aret 201 %ukul 14#4 J8+7
V6W Miarabib# 201G# +ab 88 “9aya antar atom dan 8katan atomik dalam kristal”# Diakses melalui eb htt%:CCdokumen#ti%sCdo!umentsC511G12O2'bab'ii' .isika'/at'%adat#html %ada tan""al G $aret 201 %ukul 1G#00 J8+7
