BAB III IKATAN KRISTAL

BAB III IKATAN KRISTAL

MATERI : IKATAN KRISTAL 3.1.Ikatan Van der Walls-London. 3.1.1. energi kohesi 3.1.2. energi potensial Lenard-Jones. 3.1.3. konstanta kisi 3.2. Ikatan ion 3.2.1. energi kisi 3.2.2. energi Madelung 3.2.3. tetapan Madelung. 3.3. Ikatan kovalen 3.4. Ikatan logam 3.5. Ikatan Hidrogen.

INDIKATOR

Mahasiswa harus dapat :  mendefinisikan energi kohesi.  menghitung energi kohesi dengan menggunakan potensial Lenard-Jones.  menghitung tetapan kisi pada keadaan setimbang.  mendefinisikan energi kisi.  menghitung energi kisi.  menghitung energi Madelung.  menghitung tetapan Madelung.  menjelaskan ikatan kovalen.  menjelaskan ikatan logam.  menjelaskan ikatan hidrogen

Apa yang menyebabkan Sebuah KRISTAL Tetap BERSATU ??

Apa yaaa….

Jawab: Gaya Elektrostatik tarik menarik antara muatan negatif elektron dan muatan positif inti atom. menyebabkan

Energi Kohesif yaitu energi yang harus diberikan pada kristal untuk memisahkan komponen-komponennya menjadi atom-atom bebas yang netral pada keadaan diam dan pada jarak tak hingga

IKATAN KRISTAL

I.GAS INERT

II.IONIK

III.LOGAM

IV.HIDROGEN

V.KOVALEN

VI.CAMPURAN

I. IKATAN KRISTAL GAS INERT Gas-gas inert (He, Ne, Ar, dst) dapat membentuk kristal-kristal sederhana 1. Interaksi Van der Waals-London. 2. Interaksi Refulsif 3. Konstanta Kesetimbangan kisi 4. Energi Kohesif

1. INTERAKSI VAN DER WAALS-LONDON Osilator Harmonis I

H

0



P1

2

2 m

Osilator Harmonis II

1  C 2

e2 e2  H1  R R  X1  X

2

X



2

1

e2  R X



2

P 22 2 m



1 C 2

X

2

2

e2 e2 X 1X    2 R  X1 R3

2

Xs =

1

Xa =

2 1

(X1  X2)

2

X1 =

(X1  X2 )

X2 

1 Ps  ( P1  P2 ) 2 1

P a=

2

( P1  P2 )

P 1= P 2=

1 2 1 2

(Xs  Xa ) ... (1)

(Xs  Xa )

1 ( Ps  Pa ) 2 1 2

... (2)

( Ps  Pa )

H  H 0  H1 P1

2

1 H   CX 2m 2

2 1

P 22 1   CX 2m 2

2 2

e2X 1X  2 R3

2

2 e2  2 Pa2 1  e2  2 Ps 1    C  2 3  X s    C  2 3  X a H 2m 2  R  2m 2  R 

e2 (C  2 3 ) R s  m

a 

(C  2

e2 ) R3

m

C  sa    m

1

2

 2e 2  1   3  CR  

1

2

2

 1  e 2  1  2e 2     3   ... = 0 1   2 3  2 CR   8  CR  

dengan H

0

 

T  0K 

0

1  2  2

1  X 

0

1 2

 X 1   1   X 2  ...  2 8 

0 

C m

1   s   a  2

 0  2e 2 A  U   6  A  8  C R

  

2

U  U akhir

 1  2e 2  2     U 0   0   3   8  CR  

0  2e 2  A   U   6  A  8  C  R

Posisi Inti

Posisi Inti

Sumbu Posisi

Elektron-elektron saling tumpang tindih. (semakin dekat,semakin banyak elektronnya)

2

2.GAYA REPULSIF

He E = - 58,3 eV Total Spin 1 

1S Spin 1  2

1S Spin

1S

2S

1  2

E = - 78,98 eV Total Spin 0 

1S

1S

1 Spin 2 

Spin -

1S 1  2

1S

t

Energi dari interaksi tolak-menolak ( tolak-menolak hanya terjadi pada atom-atom yang berdekatan) 6     12       4          R   R  

B U  12 R

Energi Tarik-menarik

Energi tolak-menolak

U t R  Energi Potensial Lennard - Jones

i

R

R ij

U

j

R

R

.A  4  6 , B  4  12





exp

  R   

  

6     12 1     U (R) =   N 4       2   R   R  

R Pij   Pij R j

3. Konstanta kesetimbangan kisi U (N)

=

12 6            1        ...( 2) N  4     j   R     j   ij R  2    ij     

Untuk FCC

  ij

12

ij

Untuk hCP

  ij ij

 12.13188 ;   ij

6

 14, 45392

ij

12

 12.13229 ;   ij

6

 14, 45481

ij

Untuk keadaan equilibrium: R = R

dU t R  0 dR

   12   6 dU t R   - 2N  12 12,13 13   6 14,45 7 R  R dR   0   0

   

    R0

6

   14,45     24,26  R0 

 1    R  R0  1,09

R0  1, 09  Untuk keadaan 

R 0  jarak terdekat

equilibriu m

4.ENERGI KOHESIF Energi Kohesi pada 0 K

   U t R   2 N   12 ,13    R0

R0  1,09 

  

12

   14 , 45   R0

  

6

  



U t ( R0 )2 N  12,131,09 2,15 4 N   Energi

12

 14,451,09

Kohesi pada 0 K

6



II.IKATAN KRISTAL IONIK Interaksi antar atom i (atom acuan) dengan atom-atom j yang lain (ij) biasa dinyatakan dengan energi interaksi  U i U i   U ij j R

ij

U ij  e

q2  Rij



Energi tolak menolak hanya terjadi antr ion acuan dengan ion tetangga terdekat R ij   ij R

Untuk interaksi tolak-menolak

Jarak antara dua ion yang berdekatan.

R ij  R

R 

q2 U ij  e  R R  q2   U total  NU i  N  U ij  N  e      R j j  j  ij

U total  NU i  N  U ij j

U i  Ze

R 

q2    ij R j

U i  Ze

R 

q2    ij R j

Z adalah jumlah atom terdekat i     ij j U i  Ze 0

U total

R 

q2    ij R j

2 R   q     NU i  N  Ze   R 

Pada jarak seimbang (equilibrium) ( R = Rij) dU total dR  R0 2 

R0 e

 0  N

dU dR

q   Ze Z 2

2   Z  R q e   2  denganR  R 0 0  N   R  

i

R 

T=0 K

q 2  2 R0

Pada T = 0 K

U total

2 R   q    NU i  N  Z  e   R  

  q 2  q 2 U t  N   2 R0  R0

  q 2   N  R   0 

      1    R 0

Nilai energi ionik:

Nq 2 U t  2n2 R0

   1    R0 

T=0K

Nq 2 Energi Madelung :  R0

Konstanta Madelung

   j

Rij   ij R    ij

R Rij

i  ij  ij 

Rij R

 1  R j Rij

1 1  1 1   2     ...  R  R 2 R 3R 4 R  1 1 1     21     ...  2 3 4  

n2   X2 X2 X2 X2     ... n1  X    X  2 3 4 5  

Untuk x=2

 1 1 1 1  n2   1      ........................  2 3 4 5 

  2n2 Nq 2 U t  2n2 R0

   1    R0 

T=0K

1. IKATAN

KRISTAL KOVALEN

Pengertian Karakteristik

Proses Contoh

Pengertian Ikatan kovalen terjadi karena adanya pemakaian sebuah elektron secara bersama-sama oleh kedua atom yang berikatan satu sama lain, misalnya ikatan antara dua buah atom hidrogen. Dalam pembentukan ikatan kovalen tidak berlaku pemindahan elektron.

Karakteristik Memiliki energi ikat yang besar sehingga sangat keras dan tembus cahaya Titik leleh tinggi Tidak larut dalam zat cair biasa dan dalam hampir semua pelarut. Energi kohesif 16 sampai 12 eV

Proses

Fluorin (F)

+ Ikatan kovalen

Melukis struktur Lewis bagi ion karbonat CO321.Jumlahkan elektron valensi 1 atom karbon ( 2s2 2p2 ) 3 atom oksigen ( 2s2 2p4 ) Bilangan cas ion (2-) Jumlah elektron valensi

2.Gambar struktur rangka

C

= 1 x 4 = 4 = 3 x 6 = 18 = +2= 24

3. Letakkan pasangan elektron ikatan antara atom pusat dengan setiap atom penghujung.

Contoh

Atom hidrogen (H) Karbon (Grafit) Intan Diamond

Contoh: ikatan kovalen pada atom hidrogen -e

-e

=

+ H

-e

H

-e H2

Gambar Ikatan kovalen 2 atom H

Dua buah atom hidrogen yang berinteraksi akan membentuk sebuah ikatan kovalen sehingga kedua atom tersebut secara bersama-sama memiliki dua buah elektron dari keduanya (saling melengkapi). Kedua elektron itu akan mengorbit kedua inti hidrogen, sehingga setiap inti seolah-olah memiliki dua buah elektron.

+

-e

-e

+

Struktur tetrahedral dari karbon mengilustrasikan bagaimana struktur zat padat yang tersusun dari ikatan-ikatan seperti itu. Setiap karbon memiiki empat tetangga terdekat yang dengannya dapat membagi rata elektron-elektron dalam ikatan kovalen.

Kristal

Jarak antara Tetangga

Energi

terdekat (nm)

kohesif (eV)

ZnS

0.235

6.32

C (intan)

0.154

7037

Si

0.234

4.63

Ge

0.244

3.85

Sn

0.280

3.14

CuCl

0.236

9.24

GaSb

0.265

6.02

InAs

0.262

5. 70

SiC

0.189

12.30

Gambar di bawah ini menunjukkan struktur kristal intan. Susunan limas merupakan akibat dari kemampuan masing-masing atom karbon untuk membentuk ikatan kovalen dengan empat atom lain.

Gambar struktur kristal intan

Gambar: Grafit yang terdiri dari lapisan karbon dalam deret heksagonal dengan masing-masing atom terikat dengan tiga atom lainnya. Masing-masing deret saling berikatan dengn gaya van der waals lemah.

Manfaat grafit yang lunak yaitu: Sebagai mata pensil untuk menulis Karbon dapat diolah menjadi serat Karbon digunakan dalam berbagai struktur yang ringan seperti raket badminton (Carbonex) atau raket tennis, stick golf, stick pancingan sampai pada struktur mobil Formula One yang sangat ringan, hingga Struktur pesawat tempur siluman dan satelit yang bersandar pada penggunaan karbon komposit.

Diamond Ciri dan karaktristik: Sebuah material permata putih yang memiliki sinar cemerlang dan menarik Material yang paling keras Suatu material yang memiliki elektron negatif Terkompressi paling sedikit Paling kaku Konduktor panas paling baik Memiliki koefisien expansi panas terkecil Inert terhadap asam dan alkali

Bagaimanakah sesungguhnya pembentukan kristal ?

Pembentukan kristal dipengaruhi oleh: Proses thermal Energi kinetik yang diterima oleh sekumpulan karbon

2. IKATAN LOGAM gaya tarik menarik elektrostatik antara ion positif logam dengan awan elektron

sejumlah besar atom bergabung dengan berbagi elektron masingmasing

Berkilauan,;menghantarkan kalor dan listrik dengan baik

setiap atom logam menyumbangkan elektron terluarnya pada kolam umum. "Lautan elektron" ini menjelaskan sifat kunci logam - kemampuannya menghantarkan listrik

3.IKATAN HIDROGEN terjadi akibat daripada daya tarikan antara dua molekul yang mengandung atom hidrogen yang terikat dengan atom yang sangat elektronegatif seperti atom N, O dan F.

Terjadi ketika sebuah molekul memiliki atom N, O, atau F yang mempunyai pasangan elektron bebas (lone pair electron) Hidrogen dari molekul lain akan berinteraksi dengan pasangan elektron bebas ini membentuk suatu ikatan hidrogen

besar ikatan bervariasi mulai dari yang lemah (1-2 kJ mol-1) hingga tinggi (>155 kJ mol-1).

dipengaruhi oleh perbedaan elektronegativitas antara atom-atom dalam molekul tersebut CONTOH

SIFAT-SIFAT Titik lebur dan titik didih bahan molekul bertambah

Keterlarutan dalam air lebih mudah apabila dalam sesuatu molekul itu terdapat ikatan hidrogen.

Berlaku pemasangan molekul

Bentuk molekul protein menjadi lebih tegar dan sangat stabil.

4.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 logam-logam transisi (golonganB) memiliki energi ionisasi yang lebih besar daripada logam alkali, sehingga perak-halida (AgX) kurang ionik dibandingkan alkali-halida

%keionikan

 100     1  

2 2

  

λ parameter derajat keionikan

   kov   ion Ψ

= fungsi gelombang elektron terikat,

Ψkov

= fungsi gelombang ikatan kovalen

ψ ion = fungsi gelombang ikatan ionik.

Tabel 1.2. Persentase keionikan beberapa kristal biner (mempunyai dua jenis atom). Kristal

% Ionik

Kristal

% Ionik

Si

0

GaAs

31

Ge

0

GaSb

26

SiC

18

AgCl

86

ZnO

62

AgBr

85

ZnS

62

AgI

77

ZnSe

63

ZnTe

61

MgO

84

MgS

79

InP

42

MgSe

79

InAS

36

InSb

32

NaCl

94

RbF

96

B. Kovalen –Van der Waals Ikatan campuran antara kovalen dan Van der Waals banyak ditemukan pada kristal molekul. Contoh: Kristal Telurium (Te)

Ikatan kovalen antar atom-atom Te membentuk spiral

Grafit (C)

Ikatan kovalen terjadi antar atom-atom C pada satu lapis tertertu

Ikatan van der waals terjadi antar lapisan