Mengenal Sifat Material
Ikatan Atom dan Susunan Atom
Bilangan kuantum : prinsipal: n = 1, 2, 3, dst
azimuthal: l = 0, 1, 2, 3 : s, p, d, f
magnetik: ml = l sampai +l
spin elektron: ms = +1/2 dan 1/2
Pauli Exclusion Prinsiple : setiap status hanya dapat ditempati tidak lebih dari satu elektron
Bilangan Kuantum :
Konfigurasi Unsur
Konfigurasi Elektron Unsur pada Ground State1H1s1
2He1s2
3Li[He]2s1
4Be[He]2s2
5B[He]2s22p1
6C[He]2s22p2
7N[He]2s22p3
8O[He]2s22p4
9F[He]2s22p5
10Ne[He]2s22p6
11Na[Ne]3s1
12Mg[Ne]3s2
13Al[Ne]3s23p1
14Si[Ne]3s23p2
15P[Ne]3s23p3
16S[Ne]3s23p4
17Cl[Ne]3s23p5
18Ar[Ne]3s23p6
19K[Ar]4s1
20Ca[Ar]4s2
21Sc[Ar]3d14s2
22Ti[Ar]3d24s2
23V[Ar]3d34s2
24Cr[Ar]3d54s1
25Mn[Ar]3d54s2
26Fe[Ar]3d64s2
27Co[Ar]3d74s2
28Ni[Ar]3d84s2
29Cu[Ar]3d104s1
30Zn[Ar]3d104s2
31Ga[Ar]3d104s24p1
32Ge[Ar]3d104s24p2
33As[Ar]3d104s24p3
34Se[Ar]3d104s24p4
35Br[Ar]3d104s24p5
36Kr[Ar]3d104s24p6
37Rb[Kr]5s1
38Sr[Kr]5s2
39Y[Kr]4d15s2
40Zr[Kr]4d25s2
41Nb[Kr]4d45s1
42Mo[Kr]4d55s1
43Tc[Kr]4d65s1
44Ru[Kr]4d75s1
45Rh[Kr]4d85s1
46Pd[Kr]4d10
47Ag[Kr]4d105s1
48Cd[Kr]4d105s2
49In[Kr]4d105s25p1
50Sn[Kr]4d105s25p2
51Sb[Kr]4d105s25p3
52Te[Kr]4d105s25p4
53I[Kr]4d105s25p5
54Xe[Kr]4d105s25p6
55Cs[Xe]6s1
56Ba[Xe]6s2
57La[Xe]5d16s2
58Ce[Xe]4f15d16s2
59Pr[Xe]4f36s2
60Nd[Xe]4f46s2
61Pm[Xe]4f56s2
62Sm[Xe]4f66s2
63Eu[Xe]4f76s2
64Gd[Xe]4f75d16s2
65Tb[Xe]4f96s2
66Dy[Xe]4f106s2
67Ho[Xe]4f116s2
68Er[Xe]4f126s2
69Tm[Xe]4f136s2
70Yb[Xe]4f146s2
71Lu[Xe]4f145d16s2
72Hf[Xe]4f145d26s2
73Ta[Xe]4f145d36s2
74W[Xe]4f145d46s2
75Re[Xe]4f145d56s2
76Os[Xe]4f145d66s2
77Ir[Xe]4f145d76s2
78Pt[Xe]4f145d96s1
79Au[Xe]4f145d106s1
80Hg[Xe]4f145d106s2
81Tl[Xe]4f145d106s26p1
82Pb[Xe]4f145d106s26p2
83Bi[Xe]4f145d106s26p3
84Po[Xe]4f145d106s26p4
85At[Xe]4f145d106s26p5
86Rn[Xe]4f145d106s26p6
87Fr[Rn]7s1
88Ra[Rn]7s2
89Ac[Rn]6d17s2
90Th[Rn]6d27s2
91Pa[Rn]5f26d17s2
92U[Rn]5f36d17s2
93Np[Rn]5f46d17s2
94Pu[Rn]5f67s2
95Am[Rn]5f77s2
96Cm[Rn]5f76d17s2
97Bk[Rn]
98Cf[Rn]
99Es[Rn]
100Fm[Rn]
101Md[Rn]
102No[Rn]
103Lw[Rn]
Ikatan Kovalen
Gaya Ikat : gaya yang menyebabkan dua atom menjadi terikat; gaya ini terbentuk jika terjadi penurunan energi ketika dua atom saling mendekat
Ikatan Metal
Ikatan Ion
Ikatan Hidrogen
Ikatan van der Waals
Ikatan Primer : Kuat Ikatan Sekunder : Lemah
Ikatan Atom
Gaya Ikat
Ikatan berarah:kovalen
dipole permanen
Ikatan tak berarah:metalion
van der Waals
atom dengan ikatan berarah akan terkumpul sedemikian
rupa sehingga terpenuhi sudut ikatan
atom dengan ikatan tak berarah pada umumnya terkumpul secara rapat
(kompak) dan mengikuti aturan geometris yang ditentukan oleh
perbedaan ukuran atom
walaupun kita bedakan ikatan atom berarah dan ikatan tak berarah, namum dalam kenyataan material bisa terbentuk dari campuran dua
macam ikatan tersebut
terutama terjadi pada ikatan kovalen antara unsur non metal: Nitrogen; Oksigen; Carbon;
Fluor; Chlor
terutama pada Ikatan metal yang terjadi antara sejumlah besar
atom
Ikatan Atom
Ikatan Berarah dan Tak Berarah
Sifat ikatan : Jumlah diskrit
Arah tidak diskrit
Atom dengan ikatan tak berarah
Contoh : H2
namun ikatan 2 atom H tetap diskrit : setiap atom H hanya akan terikat dengan satu atom H yang lain
atom H memiliki 1 elektron di orbital 1s simetri bola
Ikatan Atom
Sifat ikatan : Jumlah diskrit
Arah diskrit
Elektron di orbital selain orbital s akan membentuk ikatan yang memiliki arah spasial tertentu dan juga diskrit; misal orbital p akan membentuk
ikatan dengan arah tegak lurus satu sama lain.
2pz2px
2py
xy
z
xy
z
xy
z
ditentukan oleh status kuantum dari elektron yang berperan dalam terbentuknya ikatan
Hanya orbital yang setengah terisi yang dapat berperan dalam pembentukan ikatan kovalen; oleh karena itu jumlah susunan ikatan ditentukan oleh jumlah
elektron dari orbital yang setengah terisi.
Atom dengan ikatan berarah
Ikatan Atom
1 H: 1s1
8 O: [He] 2s2 2p4
O
H H
104o
+
dipole
1 H: 1s1
9 F: [He] 2s2 2p5
F
H
+
dipole
Contoh :
Ikatan Atom
Hibrida dari fungsi gelombang s dan p
6 C: [He] 2s2 2p2Hibrida dari fungsi gelombang s dan p pada karbon membuat karbon memiliki 4 ikatan yang kuat mengarah ke susut-sudut tetrahedron
Intan dan methane (CH4) terbentuk dari ikatan hibrida ini.
14 Si [Ne] 3s2 3p2
32 Ge [Ar] 3d10 4s2 4p2
50 Sn [Kr] 4d10 5s2 5p2
juga membentuk orbital tetrahedral seperti karbon karena hibrida 3s-sp, 4s-4p, dan 5s-5p, sama dengan 2s-2p.
Ikatan Atom
Contoh: senyawa hidrokarbon yang terdiri hanya dari atom C dan H.
Methane : CH4. Ikatannya adalah tetrahedral CH
H |
HCH |
H
Karena ikatan kovalen adalah diskrit dalam jumlah maupun arah, maka terdapat banyak kemungkinan struktur ikatan tergantung dari ikatan mana yang digunakan oleh setiap atom.
C
H
H
H
H
Ikatan Atom
Ethane : C2H6. Memiliki satu ikatan CC
H H | |
HCCH | |
H H
Propane : C3H8. Memiliki dua ikatan CC
H H H | | |
HCCCH | | |
H H H
dst.
Ikatan Atom
Rantaian panjang bisa dibentuk oleh ribuan ikatan CC.
Simetri ikatan atom karbon dalam molekul ini adalah tetrahedral, dan satu ikatan CC dapat dibayangkan
sebagai dua tetrahedra yang berikatan sudut-ke-sudut.
Variasi ikatan bisa terjadi sebab tetrahedra pengikat, selain berikatan sudut-ke-sudut dapat pula berikatan sisi-ke-sisi (ikatan dobel)
dan juga berikatan bidang-ke-bidang (ikatan tripel).
Contoh: acetylene C2H2Contoh: ethylene C2H4,
H H | |
HCCHHCCH
Ikatan Atom
Peningkatan kekuatan ikatan sebagai hasil dari terjadinya ikatan multiple disertai penurunan jarak antar atom karbon.
1,54 Ä pada ikatan tunggal, 1,33 Ä pada ikatan dobel, 1,20 Ä pada ikatan tripel.
Ikatan CC juga bisa digabung dari ikatan tunggal dan ikatan dobel,
seperti yang terjadi pada benzena.
Ikatan Atom
Atom-atom material padat akan terkumpul secara ringkas / kompak menempati ruang sekecil mungkin.
Dengan cara ini jumlah ikatan per satuan volume menjadi maksimum yang berarti energi ikatan per satuan volume menjadi
minimum.
Sebagai pendekatan pertama kita memandang atom sebagai kelereng keras.
Secara geometris, ada 12 kelereng yang dapat berposisi mengelilingi 1 kelereng (terletak di pusat) dan mereka
saling menyentuh satu sama lain.
Ada 2 macam susunan kompak yang teramati pada banyak struktur metal dan elemen mulia, yaitu
hexagonal close-packed (HCP) dan
face-centered cubic (FCC).
Susunan Atom-atom yang Berikatan Tak Berarah
Susunan Atom, Atom Berikatan Tak Berarah dan Sama Besar
Atom berukuran sama
Face-Centered Cubic (FCC)
6 atom mengelilingi 1 atom di bidang tengah
3 atom di bidang atas, tepat di atas 3 atom yang berada di
bidang bawah,
Hexagonal Closed-Packed (HCP)
6 atom mengelilingi 1 atom di bidang tengah
3 atom di bidang atas, berselang-seling di atas 3 atom di bidang
bawah,
Susunan Atom, Atom Berikatan Tak Berarah dan Sama Besar
Semua elemen mulia membentuk struktur kompak jika membeku pada temperatur sangat rendah,
Sekitar 2/3 dari jenis metal membentuk struktur HCP atau FCC pada temperatur kamar.
1/3 dari jenis metal yang tidak membentuk struktur struktur kompak pada temperatur kamar adalah metal alkali (Na, K, dll) dan metal transisi (Fe, Cr, W, dsb). Mereka
cenderung membentuk struktur body-centered cubic (BCC).
Walaupun kurang kompak, susunan ini memiliki energi total relatif rendah.
Kebanyakan metal alkali berubah dari BCC ke FCC atau HCP pada temperatur yang sangat rendah. Hal ini menunjukkan bahwa susunan kurang kompak yang terjadi
pada temperatur kamar adalah akibat dari pengaruh energi thermal
Susunan BCC pada metal transisi diduga sebagai akibat dari ikatan metal ini yang sebagian berupa ikatan kovalen (yang merupakan ikatan berarah).
Susunan Atom, Atom Berikatan Tak Berarah dan Sama Besar
Ikatan ion membentuk struktur yang terdiri dari atom-atom yang berbeda ukuran karena anion dan kation pada umumnya sangat berbeda ukuran.
Perbedaan ini terjadi karena transfer elektron dari atom yang elektro-positif ke atom yang elektronegatif
Membuat ukuran anion > kation.
Anion :
ion negatif sebagai hasil dari atom elektronegatif yang
memperoleh tambahan elektron.
Kation :
ion positif sebagai hasil dari atom elektropositif yang kehilangan
satu atau lebih elektron.
Ikatan ini tak berarah dan juga tidak diskrit, namun pada skala besar kenetralan harus tetap terjaga.
Atom berukuran tidak sama
Susunan Atom-atom yang Berikatan Tak Berarah
Susunan Atom, Atom Berikatan Tak Berarah dan Tidak Sama Besar
Bilangan yang menunjukkan perbandingan jumlah ion elemen A yang mengelilingi ion elemen K yang lebih kecil disebut bilangan koordinasi
(Ligancy).
Bilangan Koordinasi tergantung dari perbedaan radius antara Kation dan Anion
makin besar perbedaannya, ligancy akan semakin kecil.
Bilangan Koordinasi
Rasio Radius Kation / Anion
Polyhedron Koordinasi
Packing
2 0 – 0,155 garis linier
3 0,155 – 0,225 segitiga triangular
4 0,225 – 0,414 tetrahedron Tetrahedral
6 0,414 – 0,732 oktahedron Octahedral
8 0,732 – 1,0 kubus cubic
12 1,0 HCP
12 1,0 FCC
[2]
Bilangan Koordinasi
Susunan Atom, Atom Berikatan Tak Berarah dan Tidak Sama Besar
Senyawa / Metal rK / rA Ligancy teramati
Ba2O3 0,14 3
BeS 0,17 4
BeO 0,23 4
SiO2 0,29 4
LiBr 0,31 6
MgO 0,47 6
MgF2 0,48 6
TiO2 0,49 6
NaCl 0,53 6
CaO 0,71 6
KCl 0,73 6
CaF2 0,73 8
CaCl 0,93 8
BCC Metal 1,0 8
FCC Metal 1,0 12
HCP Metal 1,0 12
Atom dengan ikatan tak terarah : Atom berukuran tidak sama
[2]
Susunan Atom, Atom Berikatan Tak Berarah dan Tidak Sama Besar
Rasio radius di mana anion saling menyentuh dan juga menyentuh kation sentral disebut rasio radius kritis, sebab di bawah rasio ini jarak kation-anion menjadi lebih
besar dibanding jarak keseimbangan antar ion.
Polyhedra yang terbentuk dengan menghubungkan pusat-pusat anion yang mengelilingi kation sentral disebut polihedra anion atau polihedra koordinasi.
HCP FCC
Susunan Atom, Atom Berikatan Tak Berarah dan Tidak Sama Besar
Polihedra ikatan dan polihedra koordinasi dapat dilihat sebagai sub-unit yang jika disusun akan membentuk struktur padatan tiga dimensi.
Cara bagaimana mereka tersusun akan menentukan apakah material berbentuk kristal atau nonkristal (gelas) dan jika berbentuk kristal struktur kristalnya akan
tertentu.
Polihedra ini bukan besaran fisis tetapi hanya merupakan sub-unit yang lebih mudah dibayangkan daripada atom, dan dengan menggunakan pengertian ini dapat
dilakukan pembahasan mengenai struktur lokal secara terpisah dari struktur besarnya (struktur makro).
Peran Ikatan Atom
C
H
H
H
H HCP
Polihedra koordinasi berperilaku sebagai suatu unit yang erat terikat jika valensi atom sentral lebih dari setengah dari total valensi atom yang terikat dengannya. Jika valensi atom sentral sama dengan valensi total atom yang
mengelilinginya maka sub-unit itu adalah molekul.
Titik leleh suatu material bergantung dari kekuatan ikatan atom. Ia makin rendah jika polihedra sub-unit terbangun dari kelompok atom yang diskrit,
yang terikat satu sama lain dengqan ikatan sekunder dibandingkan dengan bila ikatannya primer.
Contoh: methane, CH4, titik leleh 184oC;
ethane, C2H6, titik leleh 172oC;
polyethylene, titik leleh 125oC; polyethylene saling terikat dengan ikatan C-C dapat stabil sampai 300oC.
Peran Ikatan Atom
Course Ware
Mengenal Sifat Material
Ikatan Atom dan Susunan Atom
Sudaryatno Sudirham