5/26/2018 138451460 Bab 2 Gaya Ikat Kristal Zat Padat (1)
1/10
GAYA IKAT DAN IKATAN KRISTAL
Disusun untuk memenuhi tugaspapermata kuliah pengantar fisika zat padat
Disusun Oleh:
Irfan Muhammad F 140310100029
Zendi Aprio 140310100031
Rahayu Agustia 140310100041
PROGRAM STUDI FISIKA
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS PADJADJARAN
2013
5/26/2018 138451460 Bab 2 Gaya Ikat Kristal Zat Padat (1)
2/10
Dalam pembahasan ikatan dalam kristal, tentunya kita akan fokus pada
satu pertanyaan: apa yang menyebabkan kristal berikatan? Ikatan elektrostatik
antara muatan negatif dari elektron dan muatan positif dari proton secara
keseluruhan bertanggung jawab dalam proses ikatan dalam kristal. Gaya magnet
hanya memiliki pengaruh yang sedikit pada ikatan kristal, sedangkan gaya
gravitasi dapat diabaikan. Beberapa istilah yang dapat digunakan untuk
menjelaskan peristiwa ikatan pada kristal adalah gaya ikat, energi ikat, pertukaran
energi, gaya van der Waals, dan ikatan kovalen.
Gaya ikat adalah resultan dari gaya tarik elektrostatik (antar proton
elektron) dan gaya tolak elektrostatik (protonproton). Adanya gaya ikat ini
disebabkan oleh karena adanya kebutuhan atau kecenderungan agar dapat
menjadi stabil. Besar gaya tarik dan tolak yaitu :
r > ro gaya tarik lebih besar r < ro gaya tolak lebih besar r = gaya tarik dan gaya tolak = 0 r = ro gaya tarik = gaya tolak, sehingga ro disebut jarak
keseimbangan atau jarak ikatan
Rumus gaya ikat:
dimana: F = besarnya gaya ikatan (N)
k = konstanta
q1 dan q2 = muatan masing2 molekul/atom (Coloumb)
r = jarak anta molekul/atom (m)
Dalam ikatan kristal ada pula yang disebut energi ikat. Energi ikat kristal
didefinisikan sebagai energi yang perlu diberikan pada kristal untuk memisahkan
komponen-komponennya menjadi atom-atom bebas yang netral. Istilah energi kisi
digunakan pada diskusi tentang kristal ionik dan dijelaskan sebagai energi yang
harus diberikan pada kristal untuk memisahkan komponen ionnya menjadi ion
bebas.
5/26/2018 138451460 Bab 2 Gaya Ikat Kristal Zat Padat (1)
3/10
Besar energi ikat dari berbagai unsur pada kristal bervariasi. kristal gas
mulia memiliki ikatan yang lemah dengan energi ikat yang lebih kecil jika
dibandingkan dengan unsur pada golongan IVA. Kristal dari logam alkali
memiliki nilai energi ikat yang relatif pertengahan dari semua unsur.
Ikatan antar atom ada yang kuat ada yang lemah. Pada ikatan atom yang
kuat, elektron pada orbital paling luarlah yang berperan besar dalam pembentukan
ikatan dan mereka disebut elektron valensi. Elektron pada orbital yang lebih
dalam lebih erat terikat pada inti atom dan disebut elektron inti. Dua atom akan
saling terikat jika ada gaya ikat antara keduanya. Dalam membahas ikatan atom,
kita tidak menggunakan pengertian gaya ikat ini melainkan energi ikat. Ikatan
antar atom terbentuk jika dalam pembentukan ikatan tersebut terjadi penurunan
energi total. Perubahan energi potensial terhadap perubahan jarak antar dua ion
atau dua molekul dapat dinyatakan dengan persamaan
(1.2)
dengan Vr = energi potensial total; r = jarak antar atom [nm];
a, b = konstanta tarik-menarik, konstanta tolak-menolak
m, n = konstanta karakteristik jenis ikatan dan tipe struktur;
-a/rm= Vtarikadalah energi yang terkait dengan gaya tarik antar partikel;
b/rn= Vtolakadalah energi yang terkait dengan gaya tolak.
Untuk ion m = 1, sedangkan untuk molekul m = 6. Konstanta n disebut
eksponen Born yang nilainya tergantung dari konfigurasi elektron, seperti
tercamtum pada Tabel 1.
Tabel 1. Eksponen Born
Gambar 1 memperlihatkan bentuk kurva perubahan energi sebagai fungsi
dari jarak antar ion. Jarak r0 adalah jarak yang bersesuaian dengan energi
5/26/2018 138451460 Bab 2 Gaya Ikat Kristal Zat Padat (1)
4/10
minimum dan disebut jarak ikat. Karena ion selalu berosilasi maka posisi ion
adalah sekitar jarak ikat r0. Oleh karena itu energi ikat dapat didefinisikan sebagai
energi yang diperlukan untuk memisahkan ion dari jarak r0ke jarak tak hingga.
Energi disosiasi sama dengan energi ikat tetapi dengan tanda berlawanan.
Gambar 1. Kurva perubahan energi potensial
Macam-macam ikatan
1. Ikatan PrimerAda tiga macam ikatan yang dikelompokkan sebagai ikatan primer yaitu
ikatan ion, ikatan kovalen, dan ikatan logam. Ketiga macam ikatan ini disebutsebagai ikatanprimer karena ikatan ini bersifat kuat.
a. Ikatan IonSesuai dengan namanya, ikatan ini terjadi karena adanya tarik-menarik
antara dua ion yang berlawanan tanda. Ion itu sendiri terbentuk karena salah
satu atom yang akan membentuk ikatan memberikan elektron kepada atom
pasangannya yang memang memiliki kemampuan untuk menerima elektron.
Dengan demikian terjadilah pasangan ion positif dan negatif, dan mereka
saling terikat.
Atom dari unsur non logam memiliki hanya sedikit orbital p yang
setengah terisi dan ia mampu menarik elektron luar ke dalam salah satu orbital
yang setengah kosong tersebut. Atom F misalnya dengan konfigurasi 1s22s2
2p5hanya memiliki satu dari tiga orbitalp yang terisi satu elektron. Atom ini
mampu menarik satu elektron luar untuk memenuhi orbital p sehingga
menjadi ion F-dengan orbitalp yang terisi penuh. Sebaliknya, atom dari unsur
logam memiliki satu atau lebih elektron yang terikat longgar yang berada di
5/26/2018 138451460 Bab 2 Gaya Ikat Kristal Zat Padat (1)
5/10
tingkat energi yang terletak di atas tingkat energi yang terisi penuh; misalnya
Li dengan konfigurasi 1s2 2s1mudah melepaskan satu elektron dan menjadi
ion Li+dengan orbital 1s terisi penuh. Li dan F membentuk ikatan ion menjadi
LiF. Ikatan ion terbentuk oleh adanya gaya tarik elektrostatik antara ion
positif dan ion negatif. Energi potensial V dari pasangan ion akan menjadi
lebih negatif jika jarak radial r semakin kecil. Dengan m = 1, energi yang
terkait dengan gaya tarik antar ion adalah
(1.2)
Walaupun demikian, jika jarak semakin pendek awan elektron dikedua ion akan mulai tumpang-tindih. Pada tahap ini, sesuai dengan prinsip
Pauli, beberapa elektron harus terpromosi ke tingkat yang lebih tinggi. Kerja
harus dilakukan pada ion-ion ini agar mereka saling mendekat; kerja ini
berbanding terbalik dengan pangkat tertentu dari jarak antara pusat ion.
Dengan demikian energi potensial total dari kedua ion dapat dinyatakan
sebagai
(1.3)
dengan E adalah energi yang diperlukan untuk mengubah kedua atom yang
semula netral menjadi ion.
Bagaimana ikatan ion terbentuk antara atom A dan B dapat diuraikan
secara singkat sebagai berikut. Jika EAadalah energi elektron s terluar dari
atom A, diperlukan energi sebesar 0 (EA) =EAuntuk melepaskan elektron
dari atom A sehingga atom A menjadi ion; EA disebut potensial ionisasi.
Setelah lepas dari atom A elektron tersebut menjadi elektron-bebas denganpotensial 0. Jika elektron ini kemudian masuk ke atom B, energinya akan
menurun dari 0 menjadi EB; EB disebut afinitas elektron. Jadi perubahan
energi netto adalah E = EB(EA) =EAEByang akan bernilai positif jika
potensial ionisasi atom A lebih besar dari afinitas elektron atom B. Gambar 2
memperlihatkan perubahan energi dalam pembentukan ikatan ion.
5/26/2018 138451460 Bab 2 Gaya Ikat Kristal Zat Padat (1)
6/10
Gambar 2. Perubahan energi dalam pembentukan ikatan ion
Pada gambar ini terlihat bahwa jika energi yang mengikat cukup besar
(Vtarik), maka akan terjadi jumlah energi minimum dan energi minimum ini
terjadi pada jarak antar ion r0. Pada jarak inilah terjadi keseimbangan antara
gaya tarik dan gaya tolak antar ion. Penyimpangan jarak antar ion dari r0, baik
mengecil maupun membesar, akan meningkatkan energi potensial sehinggaselalu terjadi gaya yang mengarah ke posisi keseimbangan. Pada ikatan ini,
ion-ion terikat satu sama lain karena ada energi kohesif yang berasal dari
energi potensial listrik.
= -
: konstanta Madelung
bernilai 1,748 untuk struktur kristal fcc (face centered cubic)
bernilai 1,763 untuk struktur kristal bcc (base centered cubic)
Akibat prinsip ekslusi timbul gaya tolak=
Beberapa contoh Kristal ionik
5/26/2018 138451460 Bab 2 Gaya Ikat Kristal Zat Padat (1)
7/10
Tabel 2. Contoh Kristal ionik
Sifat kristal ionik
1. Keras dan stabil2. Merupakan konduktor yang buruk, karena tidak ada elektron bebas3. Suhu penguapannya tinggi sekitar 1000 sampai 2000 K4. Tidak tembus cahaya5. Mudah larut dalam cairan polar (air)6. Menyerap radiasi infra merah
b. Ikatan KovalenIkatan kovalen adalah ikatan yang terjadi karena penggunaan bersama
pasangan elektron oleh dua atom yang berikatan. Ikatan kovalen biasanya
terjadi antara atom dari unsur non logam dengan non logam. Penggunaan
bersama pasangan elektron biasanya menggunakan notasi titik elektron atau
dikenal dengan struktur Lewis. Ikatan kovalen dapat dibedakan menjadi ikatan
kovalen tunggal, ikatan kovalen rangkap dua, ikatan kovalen rangkap tiga, dan
ikatan kovalen koordinasi. Ikatan kovalen tunggal, rangkap dua, dan rangkap
tiga dibedakan dari banyaknya ikatan antar atomnya. Sedangkan ikatan
kovalen koordinasi adalah ikatan yang terjadi apabila elektron ikatan hanya
berasal dari salah satu atom yang berikatan.
Gambar 3. Contoh ikatan kovalen pada molekul air
Beberapa contoh Kristal Kovalen
5/26/2018 138451460 Bab 2 Gaya Ikat Kristal Zat Padat (1)
8/10
Tabel 3. Contoh kristal kovalen
Sifat-sifat Kristal kovalen
1. Tidak larut dalam zat cair biasa2. Penghantar yang buruk3. Tembus cahaya (contoh : intan)4. Beberapa kristal kovalen sangat keras (intan, silikon karbid utk
ampelas), karena energi kohesif kristal ini besar
5. Sebagian kristal, titik lelehnya sangat tinggi (intan = 4000 K)c. Ikatan Logam
Dalam interaksi antar atom logam, ikatan kimia dibentuk oleh gaya
tarik menarik-menarik elektron oleh inti (nucleus) yang berbeda. Asalnya
elektron milik satu atom yang ditarik oleh inti atom tetangganya yang
bermuatan +, dan elektron ini di-sharing dengan gaya tarik yang sama oleh
inti lain yang mengitarinya. Akibat jumlah elektron valensi yang rendah dan
terdapat jumlah ruang kososng yang besar, maka e-memiliki banyak tempat
untuk berpindah. Keadaan demikian menyebabkan e-dapat berpindah secara
bebas antar kation- kation tersebut. Elektron ini disebut delocalized elektron
dan ikatannya juga disebut delocalized bonding.Elektron bebas dalam orbit
ini bertindak sebagai perekat atau lem. Kation yang tinggal berdekatan satu
sama lain saling tarik menarik dengan elektron sebagai semennya. Pada
umumnya unsur dalam sistem periodik adalah logam. Atom logam dapat
berikatan kesegala arah sehingga dapat menjadi molekul yang besar.
Akibatnya ikatanya kuat dan menjadikan logam berbentuk padat.
5/26/2018 138451460 Bab 2 Gaya Ikat Kristal Zat Padat (1)
9/10
2. Ikatan SekunderAda dua macam ikatan yang dikelompokkan sebagai ikatan sekunder yaitu
ikatan van der waals dan ikatan hidrogen. Kedua macam ikatan ini disebut sebagai
ikatansekunder karena ikatan ini bersifat lemah.
a. Ikatan Van der WaalsMekanisme ikatan Van der Walls terjadi pada semua padatan, akan
tetapi ikatan ini lebih dominan tampak pada gas mulia. Energi ikat untuk
padatan gas mulia dan molekul lainnya ditunjukkan pada tabel 4.
Tabel 4. Energi ikat untuk padatan gas mulia
Padatan Simbul Energi Kohesif Titik
lebur
Neon Ne 0,026 ev/atom 24 K
Argon Ar 0,088 ev/atom 84 K
Krypton Kr 0,12 ev/atom 117 K
Xenon Xe 0,17 ev/atom 161 K
Hidrogen H2 0,01 ev/atom 14 K
Oksigen O2 0,09 ev/atom 54 KNitrogen N2 0,081 ev/atom 63 K
Clorine Cl2 0,32 ev/atom 172 K
Hidrogen Clorida HCl 0,22 ev/atom 158 K
Energi kohesif dari beberapa padatan yang dicantumkan tabel 4 bila
dibandingkan dengan energi kohesif pada ikatan ionik tampak sangat kecil
sekali, yang menunjukkan bahwa ikatan Van der Walls adalah sangat lemah
sekali.
Untuk menjelaskan energi ikat pada ilatan Van der Walls, tinjaulah
kristal dari golongan gas mulia. Pertama tinjaulah komponen energi
repulsifnya. Konfigurasi elektronik dari golongan gas mulia adalah simetri
bola dan penurunan jarak atomik akan menghasilkan meningkatkan terjadinya
tumpang-tindih dari sel-sel elektron atom yang berdekatan. Pembatasan
terhadap jarak keberadaan dari fungsi gelombang elektron memberi
mendorong elektron ke keadaan energi lebih tinggi, karena prinsip Larangan
5/26/2018 138451460 Bab 2 Gaya Ikat Kristal Zat Padat (1)
10/10
Pauli mencegah dari dua banyak menempati keadaan-keadaan energi lebih
rendah. Peristiwa ini sama dengan gaya repulsive inter-elektronik dan gaya ini
menghasilkan energi potensial. Data eksperimen menunjukkan bahwa energi
repulsif dalam gas mulia sebanding dengan 1/r12.
Selanjutnya untuk menentukan energi ikatan dari gas mulia , maka
faktor enrgi dari gaya tarikan (attractive force) antara dua atom netral yang
menyusun kristal tersebut. Energi ini dikontribusi oleh adanya momen dipole
yang berflukstuasi antara atom-atom tetangga. Dari teori elektrostatik medan
listrik pada sumbu dipol dengan momen p pada jarak r dari dipol adalah
3.4
2
r
p
o
. Dengan demikian pasangan dari atom-atom terdekat akan memiliki
energi interaksi yang bergantung pada(p/r3)2.
Kedua energi yang dijelaskan di atas akan berkontribusi energi kristal
yang terikat oleh gaya van der Walls yang dinyatakan dengan;
E =126 r
B
r
AE (1.4)
yang dikenal dengan potensial Lennard-Jones.
b. Ikatan HidrogenKarena hidrogen hanya mempunyai satu elektron, maka hidrogen akan
membentuk sebuah ikatan kovalen hanya dengan satu atom lainnya. Hal itu
telah diketahui, sekalipun kondisi dari atom hidrogen yang belum pasti diikat
dengan gaya yang cukup kuat oleh dua atom, dan itu merupakan pembentukan
dari ikatan hidrogen diantara atom-atom tersebut, dengan energi ikat 0,1 eV.
Hal tersebut dipastikan bahwa ikatan hidrogen memiliki karakter ion yang
besar, keadaan dibentuk hanya antara atom-atom yang paling elektronegatif,
terutama F, O, dan N.