KEKUATAN BAHAN DITINJAU DARI STRUKTUR MOLEKUL

KEKUATAN BAHAN DITINJAU DARI STRUKTUR MOLEKUL M. HENDRA S. GINTING, ST

Ir. NETTI HERLINA, MT Fakultas Teknik Jurusan Teknik Kimia Universitas Sumatera Utara

PENDAHULUAN

Pengertian bahan dalam teknik adalah benda dengan sifat-sifatnya yang lekas dimanfaatkan dalam bangunan, mesin, peralatan ataupun produk. Contoh : logam, keramik, semi konduktor, polimer (plastik), serat, kayu pasir, batu, dll.

Adapun beberapa pengelompokan bahan meliputi :

1. Bahan logam, terdiri dari : besi, baja dan paduannya (ferrous); bahan bukan besi dan paduannya (nonferous) seperti aluminiun, tembaga, nikel, dll.

2. Bahan bukan logam

- Bahan bukan logam inorganik, seperti mineral, semen, keramik, dan grafit. - Bahan bukan logam organik, seperti plastik, kayu, kertas, karet.

Kekuatan ikatan diantara atom-atom dalam molekul, bergantung pada jenis atom dan jumlah ikatan. Juga karena distorsi dapat terjadi pada unit yang terpolarisasi tinggi yang berdekatan, maka akan ada variasi dalam energi dan panjang ikatan.

Ada beberapa kriteria yang mungkin berpengaruh terhadap kekuatan suatu bahan, yaitu :

1. Sifat mekanik, meliputi : modulus elastis, batas mundur, kekuatan tarik, keuletan, daya tahan terhadap tekuk, torsi, geser, dll.

2. Sifat-sifat yang diperlikan selama proses pembentukan, meliputi : mampu mesin, mampu las, mampu tempa, karakteristik pengerjaan panas dan dingin.

3. Sifat-sifat penting sehubung pengaruh lingkungan, meliputi : daya tahan terhadap korosi, panas, aus, pelapukan, dll.

BAB II

IKATAN MOLEKUL

Ikatan antar atom ada dalam semua benda padat. Ikatan ini menyediakan kekuatan dan sifat listrik dan panas yang terkait. Sebagai contoh, ikatan kuat mengarah pada titik lebur yang tinggi, modulus elastisitas yang tinggi , jarak antar atom yang dekat dan koefisien eksponen thermal yang rendah, juga terdistribusi pada kekerasan dan kekuatan yang tinggi.

Pola ikatan yang berbeda mengarah pada struktur molekular atau lebih luasnya struktur tiga dimensi. Untuk mengamati struktur ini, diperlukan pengujian peran elektron valensi pada ikatan primer – ionik, kovalen dan logam – dari detail

yang cukup kita dapat mengantipasi pengaruh elektron pada jarak antaratom dan koordinasi atomik.

Ikatan Ionik

Gaya interatomik merupakan konsekuensi langsung dari struktur elektron dari atom . gaya ini dapat dibagi atas ikatan kuat atau primer, dan ikatan lemah skunder. Gaya interatom ikatan primer paling sederhana adalah ikatan ionik, dihasilkan dari interaksi antara muatan positf dan negatif. Pada kenyataannya, suatu muatan positif memiliki interaksi terhadap semua partikel muatan negatif dan suatu muatan negatif terhadap semua partikel muatan positif.

Gaya tarik dan tolak antara partikel bermuatan dikenal dengan gaya Coulomb. Gaya tarik adan tolak Coulomb dapat dinyatakan sebagai berikut:

2 2 1

.

)

(

.

)

(

x

q

Z

q

Z

Ko

Fc

=

Dimana : Fc = Gaya Coulomb Ko = 9. 109 _{Vm / As} q = muatan atom Z = valensi ionik

Ikatan Kovalen

Gaya primer kedua adalah ikatan kovalen. Seperti yang telah diketahui, struktur elektron dari suatu atom relatif stabil jika memiliki delapan elektron pada kulit terluar (kecuali untuk kulit K yang telah stabil dengan dua elektron). Bilangan ini dapat dicapai apabila atom-atom yang berdekatan berbagai elektron.

Ikatan kovalen memberikan gaya tarik yang kuat diantara atom-atom dapat dibuktikan oleh intan, materi terkeras yang ditemukan di alam, yang seluruhnya tersusun dari karbon. Setiap atom karbon memiliki empat elektron pada kulit terluar, yang terbagi dengan empat atom berdekatan, membentuk pola-pola geometris tiga dimensi yang seluruhnya terikat oleh pasangan kovalen.

C : C : C : C . . . . . . . . C : C : C : C . . . . . . . . C : C : C : C . . . . . . . . C : C : C : C Gambar1.1 Struktur Intan

Kekuatan ikatan kovalen dalam karbon ditunjukkan tidak hanya oleh tingginya kekerasan intan, namun ekstrimnya suhu yang mampu diberikan sebelum strukturnya diganggu oleh energi thermal (>60000_{F). Walaupun ikatan kovalen kuat,} tidak semua materi dengan ikatan kovalen memiliki titik lebur dan titik didih yang tinggi atau kekuatan yang besar.

Ikatan Logam

Sebagai tambahan ikatan ionik dan kovalen, jenis ketiga dari gaya interatomik primer, ikatan logam memiliki pngaruh dalam mempertahankan kebersamaan atom-atom. Tetapi struktur untuk ikatan tidak sesederhana seperti

pada ikatan ionik dan kovalen. Walaupun demikian konsep yang sederhana telah mencukupi keperluan kita.

Kombinasi Ikatan Primer

Walaupun kita memperlakukan ketiga gaya interaksi interatomik primer secara terpisah, banyak materi dapat berikatan lebih dari satu cara, seperti elektron valensi. HCl dapat didistribusi dalam dua konfigurasi yaitu ikatan ionik dan kovalen seperti terlihat pada gambar brikut.

Cl

-H

Cl

-H

+

(a) (b)

gambar 2.2 : (a) Ikatan Ionik (b) Ikatan Kovalen

BAB III

STRUKTUR MOLEKUL

Sifat materi bergantung pada penyusunan atom-atomnya. Penyusunan demikian dapat diklasifikasikan sebagai :

1. Struktur molekuler, yaitu pembagian atom-atom. 2. Struktur kristal, yaitu pola atom berulang.

3. Struktur amorf, yaitu tanpa bentuk spesifik.

Suatu molekul dapat didefinisikan sebagai sejumlah terbatas atom-atom yang terikat kuat namun ikatan dengan grup atom lain yang sama adalah relatif lemah. Grup atom ini bereaksi sebagai sebuah unit karena interaksi intramolekuler yang kuat. Sebaliknya ikatan intermolekular yang dihasilkan dari suatu ikatan primer lemah.

Jumlah Ikatan

Jumlah ikatan di sekitar sebuah atom seluruhnya bergantung pada jumlah elektron pada kulit terluar. Demikian golongan halida, yang terdapat dalam grup VII dalam tabel periodik, membentuk hanya stu ikatan dalam sebuah molekul. Anggota famili oksigen dalam grup VI, ditahan dalam molekul dengan dua ikatan. Elemen nitrogen memiliki tiga ikatan,karen aterdapat dalam grup V. Akhirnya, karbon dan silikon dalam grup IV memiliki empat ikatan dengan atom lainnya. Aturan umum untuk jumlah ikatan adalah :

Hidrogen adalah kasus spesial karena kulit K lebih stabil dengan dua elektron dibandingkan dengan delapan elektron.

Jaraj Antar Atom

Meskipun pada molekul diatomik terdapat ikatan koordinasi dari dua atom saja, kebanyakan bahan menyangkut koordinasi dari beberapa atom menjadi suatu struktur yang terintegrasi. Dua faktor utama, jarak interatomik adn sela merupakan faktor penting, oleh karena itu perlu dibahas secara terperinci Gaya tarik-menarik antar-atom, yang telah dibahas dalam pasal sbelumnya, mengikat atom-atom tersebut, tetapi apakah sebetulnya yang menghalangi lebih merapatnya atom-atom tersebut. Kita telah mengetahui bahwa disekitar inti atom terdapat “ruang kosong”. Hal ini dapat dibuktikan oleh kenyataan bahwa neutron dapat bergerak melintasi bahan bakar padat dan bahan lainnya dalam suatu reaktor nuklir, bergerak diantarajumlahatomsebelumakhirnyaterhenti.

Ruang diantara atom-atom ditimbulkan oleh gaya tolak-menolak antar atom disamping gaya tarik-menarik antar atom. Gaya tolak-menolak disebabkan oleh jarak yang sangat dekat antara dua atom sehingga terlalu banyak elektron menempati lokasi interaksi. Jarak seimbang tercapai bila gaya tarik-menarik dan tolak-menolak sama besar.

BAB IV

KEKUATAN BAHAN

Sifat mekanik struktur bahan ditentukansecara normal dengan tes dimana membicarakan spesimen terhadap kondisi-kondisi tegangan sederhana. Kekuatan bahan dari kondisi-kondisi tegangan yang rumit hanya diperiksa dalam beberapa kejadian istimewa, seperti kondisi-kondisi yang dibicarakan dalam tulisan terdahulu.

Guna memastikan kesesuaian tegangan-tegangan yang ada untuk kondisi tegangan rumit yang terjadi dalam rencana pelaksanaan, berbagai teori ini adalah untuk menduga kegagalan kondisi di bawah tegangan gabungan, asumsikan bahwa tindakan dalam tes tegangan dan tarikan diketahui. Dengan kegagalan bahan berarti bisa luluh ataupun pemecahan aktual, yang mana saja terjadi pertama.

Pernyataan tegangan yang paling umum yang banyak terdapat dalam tubuh selalu ditentukan secara lengkap dengan memerincikan prinsip-prinsip tegangan

σ

1

, σ

2,

dan σ

3

(gambar 1.3.).

G a m b a r 1 .3 D a l a m h a l i n i t e g a n g a n d i p e r h i t u n g k a n p o s i t i f , d a n p e m a m p a t a n a d a l a h n e g a t i f , d a n p o r o s d i p i l i h s e h i n g g a h u b u n g a n a n t a r a n i l a i a l j a b a r d a n t e g a n g a n p r i n s i p a l σ1 < σ2 < σ3

σ

₁

σ

₂

σ

₃

Teori tegangan maksimal mempertimbangkan prinsip tegangan maksimal atau minimum sebagai kriteria kekuatan. Untuk bahan “ductile” berarti hasilnya dimulai dalam sebuah unsur dari tubuh tegangan ketika baik tegangan maksimum mencapai titik luluh dalam pemampatan sederhana. Oleh karena itu, kondis-kondisi pada saat luluh adalah :

( y.p = y.p atau I ( )y.p = ’y..p

dimana ( y.p dan ’y..p merupakan titik luluh tegangan dalam tekanan sederhana dan pema,patan secara berturut- turut.

Ada banyak contoh yang menyangkal bahwa skala tekanan sederhana berlangsung di sepanjang bidang miring pada 450 _{ke poros spesimen. Untuk} bidang-bidang ini tidak tarikan maupun tegangan kompresif merupakan maksimum dan kegagalan disebabkan tegangan shear. Telah ditunjukkan juga bahwa bahan bersifat homopgen dan isotropik, walaupun lemah dalam pemampatan sederhana, bisa menahan tekanan hidrostatik yang sangat besar tanpa meluluh. Ini mengindikasikan bahwa tingkatan tegangan maksimum tidak sesuai untuk menentukan kondisi bagi bahan jadi atau kepatahannya.

Teori Kekuatan II adalah teori Strain di bubur. Dalam teori ini, diasumsikan bahwa bahan ‘ductile’ berawal ke luluh baik ketika strain (perpanjangan) maksimum sebanding dengan titik luluh strain dalam tekanan sederhana atau ketika sebanding dngan titik luluh strain dalam pemampatan.

Teori Shear maksimum memberikan persetujuan yang lebih baik dengan adanya percobaan-percobaan, paling tidak untuk bahan ‘ductile’ dimana mempunyai persamaan y.p = ’y..p . teori ini mengasumsikan bahwa peluluhan dimulai ketika tegangan Shear maksimal dalam bahan sama dengan tegangan Shear maksimal titik luluh dalam tes tekanan sederhana.

Faktor lain yang mempengaruhi kekuatan bahan adalah jumlah ikatan dan jarak antaratom. Semakin kompleks suatu ikatan, maka suatu bahan memiliki kekuatan yang makin meningkat. Sedangkan jaraj antaratom yang diperoleh dari jari-jari atom, menentukan besarnya energi ikat pada bahan. Energi ikat yang besarnya “ruang kosong” yang terbentuk dalam suatu bahan.

DAFTAR PUSTAKA

Timoshenko, S. Dan D.H. Young. 1961. Elements of Strength of Materials. Canada : Van Nostrand Company, Inc

Vlack, Lawrence H. Var. 1960. Elements of Materials ScienceI. USA : Addison Wesley