berbagai kristal

Berbagai kristal

Ditulis oleh Yoshito Takeuchi pada 11-08-2008

Sampai di sini, kristal telah diklasifikasikan berdasarkan cara penyusunan partikelnya. Kristal juga dapat diklasifikasikan dengan jenis partikel yang menyusunnya atau dengan interaksi yang menggabungkan partikelnya (Tabel 8.2).

Tabel 8.2 Berbagai jenis kristal

logam		ionik		molekular		kovalen
Li	38	LiF	246,7	Ar	1,56	C(intan)	170
Ca	42	NaCl	186,2	Xe	3,02	Si	105
Al	77	AgCl	216	Cl	4,88	SiO2	433
Fe	99	Zn	964	CO2	6,03
W	200	CH4	1,96

Nilai yang tercantum di atas adalah energi yang diperlukan untuk memecah kristal menjadi partikel penyusunnya (atom, ion, atau molekul (dalam kkal mol^-1))

a. Kristal logam

Kisi kristal logam terdiri atas atom logam yang terikat dengan ikatan logam. Elektron valensi dalam atom logam mudah dikeluarkan (karena energi ionisasinya yang kecil) menghasilkan kation. Bila dua atom logam saling mendekat, orbital atom terluarnya akan tumpang tindih membentuk orbital molekul. Bila atom ketiga mendekati kedua atom tersebut, interaksi antar orbitalnya terjadi dan orbital molekul baru terbentuk. Jadi, sejumlah besar orbital molekul akan terbentuk oleh sejumlah besar atom logam, dan orbital molekul yang dihasilkan akan tersebar di tiga dimensi. Hal ini sudah dilakukan di Bab 3.4 (Gambar 3.8).

Karena orbital atom bertumpangtindih berulang-ulang, elektron-elektron di kulit terluar setiap atom akan dipengaruhi oleh banyak atom lain. Elektron semacam ini tidak harus dimiliki oleh atom tertentu, tetapi akan bergerak bebas dalam kisi yang dibentuk oleh atom-atom ini. Jadi, elektron-elektron ini disebut dengan elektron bebas.

Sifat-sifat logam yang bemanfaat seperti kedapat-tempa-annya, hantaran listrik dan panas serta kilap logam dapat dihubungkan dengan sifat ikatan logam. Misalnya, logam dapat mempertahankan strukturnya bahkan bila ada deformasi. Hal ini karena ada interaksi yang kuat di berbagai arah antara atom (ion) dan elektron bebas di sekitarnya (Gambar 8.8).

Gambar 8.8 Deformasi sruktur logam.
Logam akan terdeformasi bila gaya yang kuat diberikan, tetapi logam tidak akan putus. Sifat ini karena interaksi yang kuat antara ion logam dan elektron bebas.

Tingginya hantaran panas logam dapat juga dijelaskan dengan elektron bebas ini. Bila salah satu ujung logam dipanaskan, energi kinetik elektron sekitar ujung itu akan meningkat. Peningkatan

energi kinetik dengan cepat ditransfer ke elektron bebas. Hantaran listrik dijelaskan dengan cara yang sama. Bila beda tegangan diberikan pada kedua ujung logam, elektron akan mengalir ke arah muatan yang positif.

Kilap logam diakibatkan oleh sejumlah besar orbital molekul kristal logam. Karena sedemikian banyak orbital molekul, celah energi antara tingkat-tingkat energi itu sangat kecil. Bila permukaan logam disinari, elektron akan mengabsorbsi energi sinar tersebut dan tereksitasi. Akibatnya, rentang panjang gelombang cahaya yang diserap sangat lebar. Bila elektron yang tereksitasi melepaskan energi yang diterimanya dan kembali ke keadaan dasar, cahaya dengan rentang panjang gelombang yang lebar akan dipancarkan, yang akan kita amati sebagai kilap logam.

b. Kristal ionik

Kristal ionik semacam natrium khlorida (NaCl) dibentuk oleh gaya tarik antara ion bermuatan positif dan negatif. Kristal ionik biasanya memiliki titik leleh tinggi dan hantaran listrik yang rendah. Namun, dalam larutan atau dalam lelehannya, kristal ionik terdisosiasi menjadi ion-ion yang memiliki hantaran listrik.

Biasanya diasumsikan bahwa terbentuk ikatan antara kation dan anion. Dalam kristal ion natrium khlorida, ion natrium dan khlorida diikat oleh ikatan ion. Berlawanan dengan ikatan kovalen, ikatan ion tidak memiliki arah khusus, dan akibatnya, ion natrium akan berinteraksi dengan semua ion khlorida dalam kristal, walaupun intensitas interaksi beragam. Demikian juga, ion khlorida akan berinteraksi dengan semua ion natrium dalam kristal.

Susunan ion dalam kristal ion yang paling stabil adalah susunan dengan jumlah kontak antara partikel bermuatan berlawanan terbesar, atau dengan kata lain, bilangan koordinasinya terbesar. Namun, ukuran kation berbeda dengan ukuran anion, dan akibatnya, ada kecenderungan anion yang lebih besar akan tersusun terjejal, dan kation yang lebih kecil akan berada di celah antar anion.

Dalam kasus natrium khlorida, anion khlorida (jari-jari 0,181 nm) akan membentuk susunan kisi berpusat muka dengan jarak antar atom yang agak panjang sehingga kation natrium yang lebih kecil (0,098 nm) dapat dengan mudah diakomodasi dalam ruangannya (Gambar 8.9(a)). Setiap ion natrium dikelilingi oleh enam ion khlorida (bilangan koordinasi = 6). Demikian juga, setiap ion khlorida dikelilingi oleh enam ion natrium (bilangan koordinasi = 6) (Gambar 8.9(b)). Jadi, dicapai koordinasi 6:6.

Gambar 8.9 Struktur kristal natrium khlorida
Masing-masing ion dikelilingi oleh enam ion yang muatannya berlawanan.
Struktur ini bukan struktur terjejal.

Dalam cesium khlorida, ion cesium yang lebih besar (0,168nm) dari ion natrium dikelilingi oleh 8 ion khlorida membentuk koordinasi 8:8. Ion cesium maupun khlorida seolah secara independen membentuk kisi kubus sederhana, dan satu ion cesium terletak di pusat kubus yang dibentuk oleh 8 ion khlorida (Gambar 8.10)

Gambar 8.10 Struktur kristal cesium khlorida.
Setiap ion dikelilingi oleh delapan ion dengan muatan yang berlawanan.
Struktur ini juga bukan struktur terjejal.

Jelas bahwa struktur kristal garam bergantung pada rasio ukuran kation dan anion. Bila rasio (jarijari kation)/(jari-jari anion) (r_C/r_A) lebih kecil dari nilai rasio di natrium khlorida, bilangan koordinasinya akan lebih kecil dari enam. Dalam zink sulfida, ion zink dikelilingi hanya oleh empat ion sulfida. Masalah ini dirangkumkan di tabel 8.3.

Tabel 8.3 Rasio jari-jari kation rC dan anion rA dan bilangan koordinasi.

Rasio jari-jari rC/rA	Bilangan koordinasi	contoh
0,225-0,414	4	ZnS
0,414-0,732	6	Sebagian besar halida logam alkali
>0,732	8	CsCl, CsBr, CsI

Latihan 8.4 Penyusunan dalam kristal ion

Dengan menggunakan jari-jari ion (nm) di bawah ini, ramalkan struktur litium fluorida LiF dan rubidium bromida RbBr. Li⁺ = 0,074, Rb⁺ = 0,149, F^- = 0,131, Br^- = 0<196

Jawab

Untuk LiF, r_C/r_A = 0,074/0,131 = 0,565. Nilai ini berkaitan dengan nilai rasio untuk kristal berkoordinasi enam, sehingga LiF akan bertipe NaCl. Untuk RbBr, r_C/r_A = 0,149/0,196 = 0,760, yang termasuk daerah berkoordinasi 8, sehingga RbBr diharapkan bertipe CsCl.

c. Kristal molekular

Kristal dengan molekul terikat oleh gaya antarmolekul semacam gaya van der Waals disebut dengan kristal molekul. Kristal yang didiskusikan selama ini tersusun atas suatu jenis ikatan kimia antara atom atau ion. Namun, kristal dapat terbentuk, tanpa bantuan ikatan, tetapi dengan interaksi lemah antar molekulnya. Bahkan gas mulia mengkristal pada temperatur sangat rendah. Argon mengkristal dengan gaya van der Waaks, dan titik lelehnya -189,2°C. Padatan argon berstruktur kubus terjejal.

Molekul diatomik semacam iodin tidak dapat dianggap berbentuk bola. Walaupun tersusun teratur di kristal, arah molekulnya bergantian (Gambar 8.11). Namun, karena strukturnya yang sederhana, permukaan kristalnya teratur. Ini alasannya mengapa kristal iodin memiliki kilap.

Gambar 8.11 Struktur kristal iodin.
Strukturnya berupa kisi ortorombik berpusat muka.
Molekul di pusat setiap muka ditandai dengan warna lebih gelap.

Pola penyusunan kristal senyawa organik dengan struktur yang lebih rumit telah diselidiki dengan analisis kristalografi sinar-X. Bentuk setiap molekulnya dalam banyak kasus mirip atau secara esensi identik dengan bentuknya dalam fasa gas atau dalam larutan.

d. Kristal kovalen

Banyak kristal memiliki struktur mirip molekul-raksasa atau mirip polimer. Dalam kristal seperti ini semua atom penyusunnya (tidak harus satu jenis) secara berulang saling terikat dengan ikatan kovelen sedemikian sehingga gugusan yang dihasilkan nampak dengan mata telanjang. Intan adalah contoh khas jenis kristal seperti ini, dan kekerasannya berasal dari jaringan kuat yang terbentuk oleh ikatan kovalen orbital atom karbon hibrida sp³ (Gambar 8.12). Intan stabil sampai 3500°C, dan pada temperatur ini atau di atasnya intan akan menyublim.

Kristal semacam silikon karbida (SiC)_n atau boron nitrida (BN)_n memiliki struktur yang mirip dengan intan. Contoh yang sangat terkenal juga adalah silikon dioksida (kuarsa; SiO₂) (Gambar 8.13). Silikon adalah tetravalen, seperti karbon, dan mengikat empat atom oksigen membentuk tetrahedron. Setiap atom oksigen terikat pada atom silikon lain. Titik leleh kuarsa adalah 1700 °C.

Gambar 8.12 Struktur kristal intan
Sudut ∠C-C-C adalah sudut tetrahedral, dan setiap
atom karbon dikelilingi oleh empat atom karbon lain.

Gambar 8.13 Struktur kristal silikon dioksida
Bila atom oksigen diabaikan, atom silikon akan membentuk struktur mirip intan. Atom oksigen berada di antara atom-atom silikon.

Latihan 8.5 Klasifikasi padatan

Kristal yang diberikan di bawah ini termasuk kristal logam, ionik, kovalen, atau molekular. Kenali jenis masing-masing.

padatan	Titik leleh (°C)	Kelarutan dalam air	Hantaran listrik
A	150	Tak larut	Tidak
B	1450	Tak larut	Menghantar
C	2000	Tak larut	Tidak
D	1050	larut	Tidak

Jawab

A = kristal molekular, B = kristal logam, C = kristal kovalen, D = kristal ionik

Kristal biasanya diklasifikasikan seprti di latihan 8.5 di atas. Dalam metoda lain, kristal diklasifikasikan bergantung pada partikel penyusunnya, yakni atom, molekul atau ion. Kristal yang tersusun atas atom meliputi kristal logam, kristal kovalen, dan kristal molekular seperti kristal gas mulia. Tabel 8.4 merangkumkan klasifikasi ini.

partikel	Jenis ikatan	Sifat	Contoh
Jaringan atom	Ikatan kovalen berarah	keras Titik leleh tinggi Insulator	intan
logam	Ikatan kovalen tak berarah	Kekeresan bervariasi Titik leleh bervariasi konduktor	perak besi
Gas mulia	Gaya antarmolekul	Titik leleh sangat rendah	argon
Molekul (polar)	Interaksi dipol-dipol	lunak Titik leleh rendah Insulator	es es kering
ion	Ikatan ionik	Keras Titik leleh tinggi insulator	natrium khlorida

e. Kristal cair

Kristal memiliki titik leleh yang tetap, dengan kata laun, kristal akan mempertahankan temperatur dari awal hingga akhir proses pelelehan. Sebaliknya, titik leleh zat amorf berada di nilai temperatur yang lebar, dan temperatur selama proses pelelehan akan bervariasi.

Terdapat beberapa padatan yang berubah menjadi fasa cairan buram pada temperatur tetap tertentu yang disebut temperatur transisi sebelum zat tersebut akhirnya meleleh. Fasa cair ini memiliki sifat khas cairan seperti fluiditas dan tegangan permukaan. Namun, dalam fasa cair, molekul-molekul pada derajat tertentu mempertahankan susunan teratur dan sifat optik cairan ini agak dekat dengan sifat optik kristal. Material seperti ini disebut dengan kristal cair. Molekul yang dapat menjadi kristal cair memiliki fitur struktur umum, yakni molekul-molekul ini memiliki satuan struktural planar semacam cincin benzen. Di Gambar 8.14, ditunjukkan beberapa contoh ristal cair.

Gambar 8.14 Beberapa contoh kristal cair
Dalam kristal-kristal cair ini, dua cincin benzen membentuk rangka planar.

Terdapat tiga jenis kristal cair: smektik, nematik, dan kholesterik. Hubungan struktural antara kristal padat-smektik, nematik dan kholesterik secara skematik ditunjukkan di Gambar 8.15. Kristal cair digunakan secara luas untuk tujuan praktis semacam layar TV atau jam tangan.

Gambar 8.15 Keteraturan dalam kristal cair. Keteraturan adalm kristal adalah tiga dimensi. Dalam kristal cair smektik dapat dikatakan keteraturannya di dua dimensi, dan di nematik satu dimensi. T adalah temperatur transisi.

Latihan

8.1 Kondisi Bragg

Kristal diukur dengan sinar-X (λ = 0,1541 nm) untuk mendapatkan pola difraksi pada θ =15,55°. Tentukan jarak antar bidang bila n = 1. Jawab 0,2874 nm.

8.2 Kristal tipe natrium khlorida

Dalam kristal ionik jenis natrium khlorida (bilangan koordinasi = 6), kation dikelilingi oleh enam anion. Tentukan rasio jari-jari kation/anion (r_C/r_A) bila kedua ion bensentuhan.

Jawab. r_C + r_A = √2 r_A Maka r_C/r_A = 0,414. Bila rasion r_C/r_A lebih kecil dari nilai ini, tidak akan ada kontak antara kation dan anion.

8.3 Kerapatan kristal

Jari-jari atom nikel (Ni) adalah 1,24 x 10^–10 m, dan kristalnya berstruktur kubus terjejal (berpusat muka). Hitung kerapatan kristal nikel.

Jawab. Anggap panjang sel kubus sebagai d, maka (4r)² = 2d² dengan teorema Pythagoras d = √2r. Volume satu sel satuan, V, V = 22,63 r³. Dalam satu sel satuan ada empat atom, maka massa satu sel satuan, w, w = (4 x 58,70 (g mol^-1))/(6,022 x 10²³ (mol^-1)) = 3,900 x 10^-22 (g). Akhirnya kerapatan, d, d = w/V = 9,04 g cm^–3. Cocok dengan hasil percobaan 8,90 g cm^-3.

8.4 Kubus berpusat badan

Kristal titanium adalah kubus berpusat badan dengan kerapatan 4,50 g.cm^-3. Hitung panjang sel satuan l, jari-jari atom titanium r. Dalam kubus berpusat badan, atom-atomnya berkontak sepanjang diagonal sel satuan.

8.4 Jawab.

Karena dua atom berada dalam sel satuan kubus berpusat badan, persamaan berikut berlaku 4,50 (g cm^-3) = (2 x 47,88 (g mol^-1))/( 6,022 x 10²³ (mol^-1) x l³ (cm³)), maka l = 3,28 x 10^–8 cm. Dengan teorema Pythagoras, (4r)² = (3,28 x 10^–8)² + [√2(3,28 x 10^-8)]² , maka r = 1,42 x 10^-8 cm.

8.5 Klasifikasi kristal

Klasifikasikan kristal berikut sesuai dengan klasifikasi di Tabel 8.2: (a) es kering (CO₂); (b) graphite;

(c) CaF₂; (d) MnO₂; (e) C₁₀H₈ (naftalen);(f) P₄; (g) SiO₂; (h) Si; (i) CH₄; (j) Ru; (k) I₂; (l) KBr; (m) H₂O; (n) NaOH; (o) U; (p) CaCO₃; (q) PH₃. Jawab (a) molekular; (b) kovalen; (c) ionik; (d) ionik; (e) molekular; (f) molekular;(g) kovalen; (h)logam; (i) molekular; (j) logam; (k) molekular; (l) ionik, (m) molekular; (n) ionik; (o) logam; (p) ionik; (q) molekular.

Selingan-Berita besar di medan perang

William Henry Bragg (1862-1942), sang ayah, dan William Laurence Bragg (1890-1971), sang anak, mendapatkan hadiah Nobel fisika bersama di tahun 1915 karena sumbangannya pada pengembangan metoda analisis kristalografi sinar-X. Walaupun kini ada beberapa contoh lain ayah dan anak mendapatkan hadiah Nobel, namun sampai saat ini belum ada contoh lain ayah dan anak mendapatkan bersama. Ketika William Laurence mendapatkan Nobel, ia masih sangat muda (25 tahun). Ini juga sekaligus berarti bidang sains baru, yang mengeksplorasi struktur atom juga masih sangat muda. William Laurence mendapatkan berita di basis militer ketika ia sedang terlibat dalam pengembangan alat yang didesain untuk mendeteksi lokasi kamp musuh dengan bantuan suara. Di awal Perang Dunia I, belum ada sistem untuk merekrut saintis di riset militer. Ketika perang sudah berlangsung selama beberapa tahun, ilmuwan dipanggil untuk melakukan riset militer. Pemanggilan saintis ini menjadi sangat ekstensif dan sistematik selama Perang Dunia II sebagaimana dicontohkan dalam proyek Manhattan. Di awal PD I, banyak saintis yang secara sukarela masuk wajib militer dan pergi ke medan perang. Moseley adalah salah satunya. Ia melamar masuk tentara Inggris segera setelah perang mulai, dan di tahun 1915, terbunuh oleh pasukan Turki di serangan tragis Gallipoli Peninsula. Dari sudut pandang nilai saintifik yang besar dari hukum Moseley, hampir dapat dipastikan ia akan menerima hadiah Nobel di tahun 1916 atau segera setelah itu andaikan ia tidak wafat di perang. Sungguh suatu ironi dan disesalkan bahwa kandidat kuat pemenang Nobel dibunuh dalam petualangan amibisus Winston Churchill (1874-1965). Churchill akhirnya justru mendapat hadiah Nobel. Ardi Wijanarko