BAB II
Gaya Antar Atom dan Ikatan Atomik Dalam Kristal
GAYA ANTAR ATOM DALAM KRISTAL
Zat padat merupakan zat yang memiliki struktur yang stabil. Kestabilan struktur zat padat disebabkan oleh adanya interaksi antara atom membentuk suatu iktan kristal. Sebagai contoh kristal natrium clorida (NaCl) memiliki struktur yang lebih stabil dibandingkan dengan sekumpulan atom-atom bebas dari Na dan Cl sehingga impilkasinya :
Atom-atom bebas Na dan Cl akan saling berinteraksi satu sama lain untuk membentuk struktur yang stabil
Terdapat gaya interaksi antar atom untuk mengikat atom satu sama lain
Besarnya energi atom-atom bebas penyusun kristal lebih besar daripada energi kristalnya
Pada dasarnya susunan atom dalam kristal menuju pada konfigurasi kedudukan dengan energi potensial sistem kristal yang berharga minimum. Hal ini sejalan dengan prinsip umum tentang energi sistem-sistem fisika.
Beda antara harga energi semua atom-atom itu dalam sistem kristal dibandingkan dengan harganya apabila semua atom-atom itu bebas satu dari yang lain (jarak antar-atom tidak berhingga besarnya) dinamakan energi ikatan.
Keterangan : U = Energi potensial R = Jarak antara atom
Kurva tersebut menggambarkan interaksi antara dua atom sebagai fungsi jaraknya. Dari kurva tersebut tamapak bahwa energi potensial minimum terjadi pada jarak Ro yang
Gaya interaksi antar atom ditentuka oleh gradien energi potensial :
Untuk R < Ro maka F(R) > 0 gaya bersifat repulsif
Untuk R > Ro maka F(R) < 0 gaya bersifat atraktif
Gaya repulsif dan atraktif akan saling menghilangkan pada kedudukan Ro yang merupakan
keadaan setimbang. Energi potensial :
Keterangan : N = Jumlah molekul
Z = jumlah tetanggga terdekat masing-masing ion R = jarak tetangga terdekat
λ , ρ = konstanta repulsif α = konstanta madelung Konstanta Madelung :
Keterangan : ± = untuk muatan positif (+) dan muatan negatif (-) Untuk menentukan konstanta madelung untuk kisi satu dimensi :
[
] atau
α = 2 [ ]
keterangan : 2 = karena terdiri dari dua ion
Dalam kristal alkali halida umpamanya, yang unsurnya tersusun sebagai ion dalam struktur kristal, gaya antar ion berasal dari dua sumber, yaitu :
1) Gaya Coulomb (fisika klasik) yang berjangkauan panjang
2) Gaya yang bersumber pada prinsip eksklusi pauli (gaya kuantum) yang berjangkauan pendek. Superposisi potensial gaya-gaya tadi memberi fungsi potensial yang memiliki minimum (lembah).
Jarak dimana harga minimum itu dicapai merupakan jarak kesetimbangan antara ion. Di sekitar jarak kesetimbangan ini potensial dapat dianggap merupakan fungsi kuadratik dari simpangan terhadap jarak kesetimbangan. Dalam potensial yang demikian itu gerak ion bersifat harmonik (apabila ada getaran termal)
Gaya atraktif tersebut menggambarkan adanya ikatan antara atom dalam zat padat. Gaya repulsifterjadi dikarenakan adanya prinsip larangan pauli yang menyatakan “Tidak
dibenarkan adanya dua elektron berada pada satu orbital yang memiliki bilangan kuantum yang sama”. Gaya antar atom-atom diturunkan dari fungsi energi ion terhadap jarak anta ion dalam kristal.
MACAM IKATAN KRISTAL
Ikatan kristal menyangkut interaksi ikatan antara atom, khususnya elektron terluar dari atom-atom kristal bersangkutan. Tidak ada gaya inti yang terlibat. Berkenaan dengan itu besar energi ikatan ada di daerah harga energi ikatan elekron terluar dari atom. Beberapa elektron volt. Syarat utama yang harus dipenuhi dalam membentuk padatan adalah terjadinya susunan yang rapat.
Susunan atom dalam kristal ditentukan oleh pembentukan sistem yang memiliki harga energi potensial yang minimum, melalui :
1) Penyesuaian konfigurasi elektron paling luar dari atom
2) Penempatan atom-atom pembentuk kristal menurut susunan obyek matematika yang memiliki keberkalaan dan kesatangkupan dalam ruang tiga dimensi yang berukuran tidak berhingga (kisi).
Ikatan kristal terbagi dua kategori. Kategori utama terdiri dari tiga macam ikatan : 1) Ikatan ionik
2) Ikatan kovalen, dan 3) Ikatan logam
Serta kategori sekunder yang terdiri dari : 4) Ikatan hidrogen
5) Ikatan van der waals
Ikatan kategori utama memilliki ikatan lebih kuat dan lebih lazim diketahui sedangkan kategori sekunder lebih lemah dan tidak lazim. Konfigurasi yang mantap dari gas mulia menjadi konfigurasi yang cenderung untuk dicapai oleh unsur-unsur lain dalam membentuk ikatan atom.
IKATAN KATEGORI UTAMA
Ikatan ionik
Ikatan ionik terbentuk dari hasil interaksi elektrostatik (gaya coulomb) antara ion positif dan negatif. Contoh ikatan ionik yaitu kristal NaCl yang terbentuk dari interaksi elektrostatik antara ion Na+ dengan Cl- , atom-atom natrium kehilangan elektron, membentuk kation (Na+) sedangkan atom-atom klor menerima elektron untuk membentuk anion (Cl-). Ion-ion ini kemudian saling tarik-menarik dalam rasio 1:1 untuk membentuk natrium klorida sehingga kofigurasi elektron dari kedua atom itu akan lebih stabil.
Na + Cl → Na+
Ikatan ion biasanya terjadi antara atom-atom yang mudah melepaskan elektron (logam-logam golongan utama) dengan atom-atom yang mudah menerima elektron (terutama golongan VIA den VIIA). Makin besar perbedaan elektronegativitas antara atom-atom yang membentuk ikatan, maka ikatan yang terbentuk makin bersifat ionik. Contoh: NaCl, CaCl2 , MgBr2, BaO , FeS dan sebagainya.
Kristal ionik memiliki titik leleh tinggi dan hantaran listrik yang rendah. Namun jika dilelehkan menjadi penghantar listrik yang baik, karena ion-ion dapat bergerak bebas. Contoh dari kristal ionik adalah NaCl. Kristal ionik tidak memiliki arah khusus seperti kristal kovalen sehingga pada kristal NaCl misalnya, ion natrium akan berinteraksi dengan semua ion klorida dengan intensitas interaksi yang beragam dan ion klorida akan berinteraksi dengan seluruh ion natriumnya.
Ikatan kovalen
Ikatan kovalen terjadi pada atom-atom yang memiliki perbedaan nilai elektronegatifitas kecil. Ikatan kovalen terbentuk karena adanya pemakaian bersama pasangan elektron. Terbentuknya ikatan kovalen karena adanya kecenderungan dari ato-atom untuk memiliki konfigurasi elektron gas mulia (orbital terluarnya terisi penuh elektron).
Contohnya : 14Si 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2. Untuk membentukk ikatan yang
stabil maka konfigurasi elektronya akan berubah menjadi 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3.
Atom-atom penyusun kristal kovalen secara berulang terikat melalui suatu ikatan kovalen membentuk suatu kristal dengan struktur yang mirip dengan polimer atau molekul raksasa. Contoh kristal kovalen adalah intan dan silikon dioksida (SiO2) atau kuarsa. Intan memiliki sifat kekerasan yang berasal dari terbentuknya ikatan kovalen orbital atom karbon hibrida sp3.
Dalam kristal kovalen, atom satu dengan tetangga berikatan kovalen membentuk struktur jaringan (network) sehingga membentuk molekul tunggal. Oleh karena membentuk struktur jaringan yang berikatan kovalen, padatannya keras dan titik lelehnya sangat tinggi.
Ikatan logam
Ikatan logam terbentuk akibat terikatnya ion-ion logam oleh elektron bebas. Elektron bebas terbentuk akibat elektron valensi tidak terikat pada salah satu atom tapi terdelokalisasi terhadap semua ion logam sehingga elektron valensi tersebut bebas bergerak keseluruh bagian kristal logam.
Dan ketidakpastian Heisenberg yaitu Δx .Δp ~
Untuk atom bebas, elektron akan bergerak mengitari atom terbatas pada volume kecil sehingga Δp relatif besar yang akan membuat energi kinetik elektron valensi dalam atom bebas menjadi besar.
Untuk elektron yang bergerak mengitari ruang kristal logam akan terbatas pada volume besar sehingga Δp relatif kecil yang akan membuat energi kinetik elektron valensi dalam logam menjadi kecil yang akan mengurangi energi sistem dalam kristal logam.
Sebagian energi dipergunakan untuk mengikat ion positif logam.
Kristal dengan kisi yang terdiri atas atom logam yang terikat melalui ikatan logam. Atom logam merupakan atom yang memiliki energi ionisasi kecil sehingga elektron valensinya mudah lepas dan menyebabkan atom membentuk kation. Bila dua atom logam saling mendekat, maka akan terjadi tumpah tindih antara orbital-orbitalnya sehingga membentuk suatu orbital molekul. Semakin banyak atom logam yang saling berinteraksi, maka akan semakin banyak terjadi tumpang tindih orbital sehingga membentuk suatu orbital molekul baru. Terjadinya tumpang tindih orbital yang berulang-ulang menyebabkan elektron-elektron pada kulit terluar setiap atom dipengaruhi oleh atom lain sehingga dapat bergerak bebas di dalam kisi.
Pada kristal log, ion positif terletak pada titik-titik kisi krisatal yang dikelilingi oleh elektron valensi dari semua atom logam dalam kisi itu. Atraksi elektrostik terjadi anatar ion0ion positif dan lautan elektron. Jadi kristal logam elektron berada dalam keadaan terdelokalisasi pada seluruh kisi kristal, akibatnya logam merupakan penghantar listrik yang baik.
Salah satu sifat kristal logam adalah dapat ditempa. Sifat ini diperoleh dari ikatan
logam yang membentuknya. Dalam ikatan logam, terjadi interaksi antara atom/ion dengan elektron bebas di sekitarnya sehingga dapat membuat logam mempertahankan strukturnya bila diberikan suatu gaya yang kuat.
Ikatan Hidrogen
Ikatan hidrogen terjadi ketika sebuah molekul memiliki atom N, O, atau F yang mempunyai pasangan elektron bebas. Hidrogen dari molekul lain akan berinteraksi dengan pasangan elektron bebas ini membentuk suatu ikatan hidrogen dengan besar ikatan bervariasi mulai dari yang lemah (1-2 kJ mol-1) hingga tinggi (>155 kJ mol-1).Kekuatan ikatan hidrogen ini dipengaruhi oleh perbedaan elektronegativitas antara atom-atom dalam molekul tersebut. Semakin besar perbedaannya, semakin besar ikatan hidrogen yang terbentuk.
Ikatan hidrogen memengaruhi titik didih suatu senyawa. Semakin besar ikatan hidrogennya, semakin tinggi titik didihnya. Namun, khusus pada air (H2O), terjadi dua ikatan
hidrogen pada tiap molekulnya. Akibatnya jumlah total ikatan hidrogennya lebih besar daripada asam florida (HF) yang seharusnya memiliki ikatan hidrogen terbesar (karena paling tinggi perbedaan elektronegativitasnya) sehingga titik didih air lebih tinggi daripada asam florida.
Kristal air
Ikatan van der waals
Atom-atom gas mulia dapat membentuk suatu ikatan kristal lemah. Ikatan kristal tersebut terjadi akibat adanya interaksi elektrostatis anatara dipole-momen dipole atom gas mulia. Momen dipole atom gas mulia (P1) akan menghasilkan medan listrik yang akan
menginduksi momen dipole pada atom gas mulia lain (P2) yang berjarak R.
Momen dipole induksi tersebut sebanding dengan P2 ~ E ~
Momen dipole dua atom akan saling berinteraksi satu sama lain menghasilkan energi interaksi yang sebanding dengan perkalian dari kedua momen dipole tersebut dan berbanding terbalik dengan R3. Energi interaksi ~ - .
Selain interaksi elektrostatis terdapat pula interaksi repulsif sehingga energi potensial dua atom gas mulia yang terpisah pada jarak R :
Potensial tersebut dinamakan potensial Lennard-jones. Ikatan van der waals bekerja pada kondisi dimana interaksi elektrostatis dan repulsif saling menghilangkan yaitu pada kedudukan setimbang Ro.
GAYA-GAYA ANTAR ATOM
Penyebaran atom-atom menjadi struktur spasial yang periodik dalam kristal terbangun oleh gaya-gaya atomik antara atom dalam kristal. Dari jarak anatar atom dalam kristal yang berkisar sekitar 1 angstom dapat dipastikan bahwa gaya-gaya atomik tersebut bersifat listrik magnet, karen pada jarak sedemikian itu gaya-gaya inti sangat kecil dan dapat diabaikan. Gaya listrik magnet yang bekerja antara atom-atom kristal bersifat :
a. Tarik menarik dalam bentuk gaya coulomb anatar ion-ion yang berlawanan sifat muatannya atau interaksi multipol listrik (terutama dipol)
b. Tolak menolak antara awan elektron dari atom atau ion yang bertetangga karena asas larangan pauli.
Pada prinsipnya semua ikatan kimia berasal dari gaya tarik menarik inti (nucleus) yang bermuatan + terhadap e yang bermuatan negatif, Gaya tarik menarik ini ditentukan oleh Hukum Coulomb.
F =
F : Gaya tarik menarik atau tolak menolak Q1 dan Q2 : Muatan partikel 1 dan 2
r : Jarak antara partikel 1 dan 2 k : Konstante dielektrik
Bila Q1 dan Q2 bermuatan sama, maka keduanya akan tolak-menolak, sebaliknya bila Q1 dan Q2 bermuatan berlawanan akan terjadi tarik menarik.
CONTOH ZAT PADAT
Mengetahui struktur benda padat melalui pendekatan model-model yang ada akan memudahkan seseorang untuk memprediksi sifat-sifat dari suatu jenis benda padat, bahkan dengan memodifikasi komponen-komponen penyusun suatu zat padat sesuai dengan yang diinginkan akan menghasilkan bahah-bahan yang dapat dimanfaatkan dalam berbagai bidang kehidupan di antaranya adalah:
1. Semikonduktor
Semikonduktor adalah salah satu modifikasi dari zat padat yang dimanfaatkan pada dunia elektronika, dimana bahan ini dapat berfungsi sebagai isolator pada suhu rendah dan dapat berfungsi sebagai konduktor pada suhu kamar dan ini banyak digunakan pada barang elektronik berteknologi tinggi, seperti transistor, diode, mikroprocessor, thermistor, sel surya. Bahan yang sering digunakan untuk membuat bahan semikonduktor adalah silikon, germanium, gallium arsenide. Keistimewaan bahan ini adalah konduktivitasnya dapat dirubah-rubah dengan mengatur jumlah bahan pengotornya sesuai dengan konduktivitas yang diinginkan.
Alloy adalah bahan hasil kombinasi antara dua unsur atau lebih, dimana salah satu unsurnya harus logam. Pengkombinasian dua unsur atau lebih ini bertujuan untuk memperoleh bahan yang lebih unggul sifatnya dibandingkan dengan bahan yang hanya tersusun dari satu elemen. Contohnya adalah baja, tersusun dari besi dan karbon dimana baja jauh lebih kuat dibandingkan besi. Selain itu sifat yang dimilikinyapun berbeda seperti massa jenis, daya hantar listrik, daya hantar panas dan kereaktifan.
3. Keramik
Keramik merupakan hasil seni dan merupakan kristal, sifat keramik ditentukan oleh struktur kristalnya. Secara umum strukturnya sangat rumit dengan sedikit elektron-elektron bebas. Sedikitnya elektron-elektron bebas membuat keramik bukan termasuk konduktor, di samping itu keramik mempunyai sifat rapuh.
Kesimpulan :
“Ikatan atomik sangat ditentukan oleh kecenderungan atom-atom dalam kristal untuk memperoleh konfigurasi elektron seperti yang dipunyai oleh gas mulia dan mempengaruhi sifat-sifat dari suatu jenis zat padat”
