IKATAN ATOM PADA ZAT PADAT

by Lusiana Sandra 05:28 0 comments FISIKA

 Zat padat adalah sebuah objek yang cenderung mempertahankan bentuknya ketika gaya luar mempengaruhinya. Karena kepadatannya itu, bahan padat digunakan dalam bangunan yang semua strukturnya komplek yang berbentuk. Susunan zat padat merupakan kumpulan dari atom, electron, dan inti atom, proton dan neutron dan quark.

 Bahan padat dapat diklasifikasikan berdasarkan keteraturan susunan atom-atom atau ion-ion penyusunnya. Bahan yang tersusun oleh deretan atom-atom yang teratur letaknya dan berulang (periodik) disebut bahan kristal. Dikatakan bahwa bahan kristal mempunyai keteraturan atom berjangkauan panjang. Sebaliknya, zat padat yang tidak memiliki keteraturan demikian disebut bahan amorf atau bukan-kristal. Perbedaan susunan Kristal dan amorf dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Bahan kristal, untuk yang selanjutnya cukup disebut kristal (saja), dapat dibentuk dari larutan, lelehan, uap, atau gabungan dari ketiganya. Bila proses pertumbuhannya lambat, atom-atom atau pertikel penyusun zat padat dapat menata diri selama proses tersebut untuk mrenempati posisi yang sedemikian sehingga energi potensialnya minimum. Keadaan ini cenderung membentuk susunan yang teratur dan juga berulang pada arah tiga dimensi, sehingga terbentuklah keteraturan susunan atom dalam jangkauan yang jauh, inilah yang mencirikan keadaan kristal.

Sebaliknya, dalam proses pembentukan yang berlangsung cepat, atom-atom tidak mempunyai cukup waktu untuk menata diri dengan teratur. Hasilnya terbentuklah susunan yang memiliki tingkat energi yang lebih tinggi. Susunan atom ini umumnya hanya mempunyai keteraturan yang berjangkauan terbatas, dan keadaan inilah yang mencerminkan keadaan amorf. Dalam bahan amorf, jangkauan keteraturan atom biasanya sampai tetangga kedua.

Di antara kedua kristal sempurna (tunggal) di satu pihak, dan keadaan omorf di pihak lain, terdapat keadaan yang disebut polikristal (kristal jamak). Zat padat pada keadaan ini tersusun oleh kristal-kistal kecil. Bila ukuran kristalnya dalam ukuran orde mikrometer, bahan yang bersangkutan termasuk kristal mikro (microcrystalline); dan bila ukuran kristalnya dalam orde nanometer, maka bahannya digolongkan sebagai kristal nano (nanocrystalline).

Secara umum, perbedaan Kristal dan amorf dapat dilihat pada tabel di bawah ini:

Partikel-partikel zat padat begitu erat terikat satu sama lain karena adanya suatu gaya tarik menarik yang terjadi antara partikel-partikel tersebut. Jenis ikatan atom pada zat padat antara lain :

1.1.1 Ikatan Ionik

Ikatan ionik terbentuk karena adanya gaya tarik-menarik elektrostatik (Coulomb) antara ion positif dan ion negatif. Terbentuknya ion-ion tersebut disebabkan oleh terjadinya transfer elektron antar atom-atom yang membentuk ikatan. Beberapa contoh kristal ionik antara lian : NaCl, CsCl, KBr, NaI, dst. Untuk NaCl, elektron pada atom Na ditransfer kepada atom Cl :

Selanjutnya, ion Na⁺ dan ion Cl yang dalam keadaan gas berikatan satu sama lain dan membentuk kristal dengan melepaskan energi kisi (kohesi) sebesar 7,9 eV :

                                           (1.1.)

Apabila ion Na⁺ dan ion Cl berdekatan pada jarak r, besarnya energi (potensial) tarik-menarik Coulomb adalah :

Εcoul = −e² / 4επ_or                                                                 (1.2.)

dengan e muatan listrik ion dan ε_o permitivitas hampa. Gaya tarik-menarik ini tidak mengakibatkan kedua ion terus mendekat, sampai jarak yang sedekat-dekatnya, karena orbital-tertutup yang terisi penuh elektron pada masing-masing atom juga saling berdekatan. Sebagai akibatnya, timbul gaya tolak antar elektron pada orbital atom, sebagai konsekuensi larangan Pauli. Besarnya energi tolak-menolak (repulsif) dapat diungkapkan sebagai berikut :

E_rop = A/rⁿ

atau

: E_rop = B exp (-r/ρ)                                                     (1.3.)

A, B dan ρ adalah tetapan, sedangkan n = 12. Dalam persamaan (1.3) terlihat bahwa energi tolak-menolak menurun dengan cepat dengan bertambahnya jarak antar ion. Hal ini menunjukkan bahwa interaksi tolak-menolak tersebut adalah berjangkauan pendek, terutama bila dibandingkan dengan interaksi elektrostatik Coulomb. Dengan demikian, setiap ion hanya “merasakan” interaksi tolak-menolak dengan ion tetangga terdekatnya saja.

Di pihak lain, dalam interaksi elektrostatik setiap ion akan berinteraksi baik dengan ion tetangga terdekatnya maupun dengan ion tetangga berikutnya, karena interaksi ini berjangkauan lebih jauh. Dengan ini kita perlu memperhitungkan pengaruh tetangga yang lebih jauh tersebut dalam perhitungan energi interaksinya. Perhatikan kembali gambar 1.1a. Anggap bahwa ion di pusat kisi (di pusat ruang kubus) adalah ion Na⁺ , sebagai ion acuan yang ditinjau. Ion-ion yang mengelilingi ion Na⁺ tersebut adalah seperti ditunjukkan pada tabel 1.1.

Dengan mengggunakan data tersebut, besarnya energi elektrostatik setiap pasangan ion dapat dituliskan sebagai berikut :

                                                 (1.4.)

α disebut tetapan Madelung. Untuk selanjutnya, α merupakan karakteristik kisi terutama untuk kristal ionik, karena nilainya bergantung pada struktur kristal yang bersangkutan. Berikut ini dapat dibandingkan nilai α untuk beberapa kristal ionik :

NaCl : α = 1,748

ZnS : α = 1,638

CsCl : α = 1,736

Gambar 1.1 Empat tampilan kisi sel satuan garam meja (NaCl) : a. Sel satuan secara umum,

b. Konfigurasi oktahedral, setiap atom dikelilingi 6 atom tetangga terdekat,

c. Susunan mampat, dan d. Susunan atom pada salah satu bidang sisi kubus.

Gambar 1.2.

Berdasarkan persamaan (1.2) dan (1.3) di atas selanjutnya dapat dibahas lebih lanjut perumusan energi kisi. Untuk itu diambil contoh kristal NaCl, lihat gambar 1.1. Ion-ion Na⁺ dan Cl berada pada keadaan seimbang pada jarak keseimbangan r_o, yaitu jarak terdekat antara ion Na⁺ dan Cl pada gambar 1.1 a dan d. Besarnya energi total sebagai fungsi jarak antar ion :

E(r) = E_coul + E_rep = -αe²/4πε_or + B exp (-r/ρ)                                                    (1.4.)

Energi kisi adalah energi total pada r = r_o. Dalam grafik pada gambar 1.2, E (r_o ) adalah nilai energi keseimbangan pada titik minimum dari kurva E(r). Hal ini berarti turunan pertama dari E(r) terhadap r pada r = r_o adalah sama dengan nol. Jadi,                                                                                                   dE(r)/drrr = 0= (αe²/4πε_or_o²) -B/ρ) exp (-r₀/ρ)

menghasilkan :

B = (αρe²/4πε_or_o²) exp (r_o /ρ)                                                    (1.5.)

Masukkan nilai ini ke pers. (1.4), diperoleh :

E = -(αe²/4πε_or²) [1 - (rρ/r_o²) exp {(r_o-r)/ρ}]                                          (1.6.)

pada keadaan seimbang, r = r_o, didapatkan ungkapan bagi energi kisi :

E_kisi = -(αe²/4πε_or_o) [1 - (ρ/r_o)]                                       (1.7.)

                 Terlihat pada persamaan terakhir ini bahwa nilai energi kisi bergantung pada tetapan Madelung, sementara itu nilai tetapan ρ biasanya hanya beberapa persen dari nilai r_o. Mott dan Gurney melaporkan bahwa ρ = 0,345 angstrom untuk 20 macam kristal ionik alkali-halida. Distribusi elektron di sekitar ion pada kristal NaCl ditunjukkan pada gambar 1.3. Angka-angka yang tersaji pada kontur menunjukkan konsentrasi relatif elektron di lokasi yang bersangkutan.

Gambar 1.3. Distribusi rapat elektron pada bidang dasar kristal NaCl. Konsentrasi relatif elektron ditunjukkan oleh angka-angka yang tercantum.

Gambar 1.4. Energi molekul hidrogen (H₂) sebagai fungsi jarak antar atom.

1.1.2. Ikatan Kovalen

                 Ikatan kovalen, sering disebut ikatan valensi atau homopolar, dibangun oleh sepasang elektron dari dua atom yang berikatan. Setiap atom menyumbang sebuah elektron untuk membentuk sebuah ikatan kovalen. Elektron-elektron yang membentuk ikatan tersebut bersifat lokal (hanya terdapat) di daerah antara dua atom, menempati orbital ikatan (σ) dengan spin yang berlawanan arahnya (anti-paralel). Untuk membahas secara lebih rinci tentang mekanisme pembentukan ikatan ini diperlukan teori kuantum yang lebih lanjut, sehingga tidak di sajikan dalam catatan ini demi penyederhanaan. Karena memerlukan teori kuantum inilah, maka ikatan kovalen sering juga disebut ikatan kuantum.

Molekul hidrogen (H₂) merupakan contoh molekul dengan ikatan kovalen yang paling sederhana, perhatikan gambar 1.4. Keadaan ikatan paling kuat terjadi bilamana spin kedua elektron saling anti-paralel (state S). Sewdangkan apabila keadaan spinnya parelel (state A), kedua atom hidrogen berada pada keadaan anti-ikatan; atom-atom saling menolak, karena elektron-elektronnya saling menjauhi (ingat prinsip larangan Pauli).

                      Gambar 1.5 Distribusi konsentrasi elektron valensi di sekitar atom Ge dalam kristal germanium

Ikatan kovalen termasuk ikatan yang kuat. Ikatan pada dua atom karbon dalam kristal inti membentuk struktur tetrahedral, artinya setiap atom karbon dikelilingi oleh 4 buah atom karbon tetangga terdekat. Kristal lain yang temasuk dalam struktur intan adalah kristal silikon dan germanium. Arah ikatan kovalen nampak jelas dalam ruang tetrahedral, misalnya untuk kristal germanium, lihat gambar 1.5. Dalam gambar ini, distribusi elektron pada daerah di skitar atom-atom yang berikatan kovalen diwakili oleh angka-angka pada kontur yang bersangkutan.

1.1.3. Ikatan logam

Logam dicirikan oleh tingginya konduktivitas listrik dan termal, banyak mengandung elektron bebas yang dapat bergerak diseluruh kristal. Elektron valensi yang dimiliki oleh setiap atom logam, akan menjadi elektron bebas bila atom-atom tersebut membentuk Kristal logam. Sebagai contoh, perhatikan atom natrium (₁₁Na) dengan konfigurasi elektron dalam orbital atom sebagai berikut :

₁₁Na : 1s²-2s²-2p⁶-3s¹

Gambar 1.6 Struktur ikatan logam. Ikatan antar teras atom yang dikelilingi oleh elektron-elektron bebas

Orbital atom yang terisi penuh elektron bersama-sama inti atom membentuk teras atom (core). Dalam kristal logam, teras-teras atom saling berkaitan, dan elektron valensi menjadi elektron bebas (satu elektron untuk setiap teras Na). Dalam gambar ini, ikatan logam dapat dipandang sebagai kumpulan teras atom dalam “lautan” elektron bebas. Lihat gambar 1.6.

1.1.4. Ikatan Van der Waals

Gas-gas inert (He, Ne, Ar, dst) dapat membentuk kristal-kristal sederhana. Kristal tersebut umumnya transparan, bersifat isolator, berikatan lemah dan memiliki titik leleh yang sangat rendah. Bila diperhatikan, atom-atom gas ini memiliki orbital valensi yann terisi penuh elektron, sehingga elektron-elektron valensi tidak lagi memungkinkan untuk membentuk ikatan. Lalu, gaya apakah yang membuat atom-atom tersebut dapat bertahan dalam menyusun kristal ?

Atom-atom gas inert dapat mengalami distorsi yang sangat kecil pada distribusi elektronnya dalam orbital kulit penuh yang berbentuk simetri bola. Meskipun kecil, penyimpangan ini cukup mengubah atom-atom menjadi dipol-dipol listrik. Interaksi antar dipol inilah yang menghasilkan gaya tarik-menarik yang disebut gaya Van der Waals. Gaya ini sangat lemah, dan energi interaksinya memiliki bentuk :

        E_VDW = -A/r⁶ (1.8.)                                                            (1.8.)

A tetapan dan r jarak antar atom. Untuk menjaga agar atom-atom berada dalam keseimbangan, pada jarak yang sangat dekat akan terjadi gaya tolak-menolak sebagai akibat berlakunya prinsip larangan pauli (lihat gambar ikatan ionik) yang menghasilkan energi tolak-menolak :

                                                            E_rep = B/r¹² (1.9.)                                                          (1.9.)

Dengan demikian bentuk lengkap energi interaksi dalam ikatan Van der Waals adalah :

                    E(r) = -A/r⁶ + B/r¹² (1.10.)                                                (1.10.)

Persamaan (1.10) dirumuskan lebih lanjut oleh Lennard-Jones dalam bentuk :

                                        E(r) = 4ε[(σ/r)¹² - (σ/r⁶]                                                       (1.11.)

dan disebut energi potensial Lennard-Jones. Besaran ε dan σ adalah parameter yang dapat ditentukan dari eksperimen. Selain pada gas-gas inert/mulia, ikatan Van der Waals juga ditentukan pada kristal molekul-molekul organik.

1.1.5. Ikatan Hidrogen

Karena hanya memiliki sebuah elektron, atom hidrogen hanya dapat berikatan dengan sebuah atom lain. Akan tetapi, keadaan tertentu, sering dijumpai bahwa atom hidrogen dapat pula berikatan cukup kuat dengan dua buah atom lain. Pada keadaan demikian terbentuklah ikatan hidrogen di antara atom-atom tersebut dan atom H dengan energi ikat 0,1 eV. Dalam ikatan hidrogen, atom H bersifat sebagai ion positif terutama bila berikatan dengan atom-atom yang elektronegatif, seperti F, O dan N.

Gambar 1.7.   Susunan kristal es (H₂O padat), setiap atom oksigen dikelilingi oleh 4 atom H. Jarak antar atom 0-0 terdekat 2,76 angstrom dan antara atom-atom H-O 1,75 angstrom dan H-H 1,01 angstrom. Bandingkan dengan jarak antar atom H-O dalam molekul air 0,96 angstrom.

Ikatan hidrogen berperanan penting dalam interaksi antar molekul H₂O, dan bersama-sama interaksi elektrostatik dari dipol-dipol listrik (H₂O molekul polar) berperanan dalam pembentukan molekul air dan kristal es; perhatikan gambar 1.7.

1.1.6. Ikatan Campuran

a. Ionik-kovalen

Ikatan ionik yang sempurna dapat terbentuk pada suatu molekul bilamana atom-atom yang terlibat dapat membentuk ion-ion yang elektropositif dan elektronegatif kuat. Syarat ini terpenuhi oleh molekul ionik alkali-halida, oleh karena atom-atom alkali dan halida memiliki kecenderungan yang kuat untuk melepaskan dan menerima elektron. Bagi atom-atom yang kurang keelektropositifan dan keelektronegatifannya, transfer elektron kation ke anion kurang dari 100%. Sebagai contoh, logam-logam transisi (golongan B) memiliki energi ionisasi yang lebih besar daripada logam alkali, sehingga perak-halida (AgX) kurang ionik dibandingkan alkali-halida. Dapat didefinisikan :

                                                                         (1.12.)

λ adalah parameter derajad keionikan yang di ungkapkan menurut persamaan :

                                                                                         (1.13.)

ψψψ,,koviondan berturut-turut menyatakan fungsi gelombang elektron terikat, fungsi gelombang ikatan kovalen dan fungsi gelombang ikatan ionik.

b. Kovalen - Van der Waals

                 Ikatan campuran antara kovalen dan Van der Waals banyak ditemmukan pada kristal molekul. Pada gambar 1.8 ditunjukkan kristal telurium (Te) dan grafit (C), yang masing-masing mengandung ikatan kovalen dan ikatan Van der waals. Ikatan kovalen terjadi antara atom-atom Te yang membentuk spiral, sedangkan pada kristal grafit, ikatan kovalen terjadi antar atom-atom C pada satu lapis tertentu, serta ikatan Van der Waals terjadi antar lapisan (gambar 1.8b).

Gambar 1.8. Kristal dengan ikatan campur kovalen-Van der Waals; a. Krsital telurium, ikatan antar atom di sepanjang rantai kovalen dan ikatan antar rantai Van der Waals, b. Kristal grafik c. Ikatan antar atom di setiap lapisan adalah kovalen, sedangkan ikatan antar lapisan adalah Van der Waals.

DAFTAR PUSTAKA

[files.indowebster.com]-bab1-1-.pdf

MklhZatPdt-1.pdf (application/pdf Object)

Zat Padat dan Semikonduktor

SusunanAtomdalamBendaPadat.pdf (application/pdf Object)