Presentasi sedang didownload. Silahkan tunggu

Presentasi sedang didownload. Silahkan tunggu

Megenal Sifat Material 1 Sudaryatno Sudirham. 2 •Pendahuluan: Perkembangan Konsep Atom •Elektron Sebagai Partikel dan Sebagai Gelombang •Persamaan Gelombang.

Presentasi serupa


Presentasi berjudul: "Megenal Sifat Material 1 Sudaryatno Sudirham. 2 •Pendahuluan: Perkembangan Konsep Atom •Elektron Sebagai Partikel dan Sebagai Gelombang •Persamaan Gelombang."— Transcript presentasi:

1 Megenal Sifat Material 1 Sudaryatno Sudirham

2 2 •Pendahuluan: Perkembangan Konsep Atom •Elektron Sebagai Partikel dan Sebagai Gelombang •Persamaan Gelombang Schrödinger •Aplikasi Persamaan Schrödinger pada Atom •Konfigurasi Elektron Dalam Atom •Ikatan Atom dan Susunan Atom •Struktur Kristal dan Nonkristal •Teori Pita Energi

3 3 •Sifat Listrik Metal •Sifat Listrik Dielektrik •Sifat-Sifat Thermal •Pengertian Dasar Thermodinamika •Sistem Multifasa •Gejala Permukaan •Difusi •Oksidasi dan Korosi •Karbon dan Ikatan Karbon •Senyawa Hidrokarbon

4 Pendahuluan 4

5 Perkembangan pengetahuan tentang material dilandasi oleh konsep atom yang tumbuh semakin rumit dibandingkan dengan konsep awalnya yang sangat sederhana. Dalam tayangan ini kita hanya akan melihat selintas mengenai perkembangan ini. Uraian agak rinci dapat dilihat dalam buku yang dapat diunduh dari situs ini juga. Perkembangan Konsep Atom 5

6   460 SMDemocritus  460 SM Democritus Thomson 1897 Thomson Akhir abad 19 : Persoalan radiasi benda hitam 1880 Kirchhoff Planck 1901 Max Planck E osc = h  f h = 6,626  10  34 joule-sec 1905 Albert Einstein efek photolistrik 01230123 E maks f metal 1 metal 2 metal 3 Dijelaskan: gelombang cahaya seperti partikel; disebut photon 1803 Dalton : berat atom : atom bukan partikel terkecil  elektron Rutherford Rutherford : Inti atom (+) dikelilingi oleh elektron (-) 6

7 1913 Niels Bohr LYMAN BALMER PASCHEN tingkat energi Compton : photon dari sinar-X mengalami perubahan momentum saat berbenturan dengan elektron valensi Louis de Broglie : partikel sub-atom dapat dipandang sebagai gelombang 1926 Erwin Schrödinger :mekanika kuantum 1927 Davisson dan Germer : berkas elektron didefraksi oleh sebuah kristal 1927 Heisenberg : uncertainty Principle 1930 Born :intensitas gelombang 7

8 Model atom Bohr berbasis pada model yang diberikan oleh Rutherford: Partikel bermuatan positif terkonsentrasi di inti atom, dan elektron berada di sekeliling inti atom. Perbedaan penting antara kedua model atom: Model atom Rutherford: elektron berada di sekeliling inti atom dengan cara yang tidak menentu Model atom Bohr: elektron-elektron berada pada lingkaran-lingkaran orbit yang diskrit; energi elektron adalah diskrit. Model atom Bohr dikemukakan dengan menggunakan pendekatan mekanika klasik. 8 Model Atom Bohr

9 Ze r FcFc Gagasan Bohr : orbit elektron adalah diskrit; ada hubungan linier antara energi dan frekuensi seperti halnya apa yang dikemukakan oleh Planck dan Einstein 9

10 Dalam model atom Bohr : energi dan momentum sudut elektron dalam orbit terkuantisasi Setiap orbit ditandai dengan dua macam bilangan kuantum: bilangan kuantum prinsipal, n bilangan kuantum sekunder, l 10

11 Jari-Jari Atom Bohr Untuk atom hidrogen pada ground state, di mana n = 1 dan Z = 1, maka r = 0,528 Å 11

12 Tingkat-Tingkat Energi Atom Hidrogen n :  13,6  3,4  1,51 energi total [ eV ] ground state  10,2 eV  1,89 eV bilangan kuantum prinsipal 12

13 Spektrum Atom Hidrogen Deretn1n1 n2n2 Radiasi Lyman12,3,4,…UV Balmer23,4,5,…tampak Paschen34,5,6,…IR Brackett45,6,7,…IR Pfund56,7,8,…IR deret Lyman deret Balmer deret Paschen Tingkat Energi 13

14 Gelombang 14

15 Gelombang Tunggal bilangan gelombang Kecepatan rambat gelombang dicari dengan melihat perubahan posisi amplitudo Kecepatan ini disebut kecepatan fasa 15 Paket gelombang adalah gelombang komposit yang merupakan jumlah dari n gelombang sinus Paket Gelombang dengan k 0,  0, A 0, berturut-turut adalah nilai tengah dari bilangan gelombang, frekuensi dan amplitudo

16 Bilangan gelombang: k Perbedaan nilai k antara gelombang-gelombang yang membentuk paket gelombang tersebut sangat kecil  dianggap kontinyu demikian juga selang  k sempit sehingga A n / A 0 ≈ 1. Dengan demikian maka Pada suatu t tertentu, misalnya pada t = 0 persamaan bentuk amplitudo gelombang menjadi Karena perubahan nilai k dianggap kontinyu maka variasi  k sempit 16

17 Persamaan gelombang komposit untuk t = 0 menjadi Persamaan ini menunjukkan bahwa amplitudo gelombang komposit ini terselubung oleh fungsi selubung xx lebar paket gelombang Persamaan gelombang 17

18 Kecepatan Gelombang kecepatan fasa: kecepatan group: Amplitudo gelombang akan mempunyai bentuk yang sama bila S(x,t) = konstan. Hal ini terjadi jika (  )t = (  k)x untuk setiap n Kecepatan group ini merupakan kecepatan rambat paket gelombang 18 Panjang gelombang de Broglie, Momentum, Kecepatan Panjang gelombang Einstein : energi photon Momentum Kecepatan de Broglie: energi elektron konstanta Planck momentum

19 Elektron Sebagai Partikel dan Elektron Sebagai Gelombang Elektron dapat dipandang sebagai gelombang tidaklah berarti bahwa elektron adalah gelombang; akan tetapi kita dapat mempelajari gerakan elektron dengan menggunakan persamaan diferensial yang sama bentuknya dengan persamaan diferensial untuk gelombang. Elektron sebagai partikel: massa tertentu, m. Elektron sebagai partikel: E total = E p + E k = E p + mv e 2 /2. Elektron sebagai partikel: p = mv e 2 Dalam memandang elektron sebagai gelombang, kita tidak dapat menentukan momentum dan posisi elektron secara simultan dengan masing-masing mempunyai tingkat ketelitian yang kita inginkan secara bebas. Kita dibatasi oleh prinsip ketidakpastian Heisenberg:  p  x  h. Demikian pula halnya dengan energi dan waktu:  E  t  h. Elektron sebagai gelombang massa nol, tetapi  = h/mv e. Elektron sebagai gelombang: E total = hf = ħ . Elektron sebagai gelombang: p = ħk = h/ . 19

20 Persamaan Schrödinger 20

21 H = Hamiltonian Sebagai partikel elektron memiliki energi energi kinetik + energi potensial Turunan H(p,x) terhadap p memberikan turunan x terhadap t. Turunan H(p,x) terhadap x memberikan turunan p terhadap t. x xV x xpH       )(),( E merupakan fungsi p dan x 21

22 Gelombang : Operator momentumOperator energi u merupakan fungsi t dan x Turunan u terhadap t:Turunan u terhadap x: 22

23 Hamiltonian: Jika H(p,x) dan E dioperasikan pada fungsi gelombang  maka diperoleh Operator: Inilah persamaan Schrödinger tiga dimensi satu dimensi 23

24 Persamaan Schrödinger Bebas Waktu Aplikasi persamaan Schrödinger dalam banyak hal hanya berkaitan dengan energi potensial, yaitu besaran yang hanya merupakan fungsi posisi Satu dimensi Tiga dimensi Oleh karena itu jika persamaan tersebut diupayakan tidak merupakan fungsi yang bebas waktu agar penanganannya menjadi lebih sederhana Jika kita nyatakan: maka dapat diperoleh sehingga 24

25 Fungsi Gelombang Persamaan Schrödinger adalah persamaan diferensial parsial dengan  adalah fungsi gelombang dengan pengertian bahwa adalah probabilitas keberadaan elektron pada waktu tertentu dalam volume dx dy dz di sekitar titik (x, y, z) Jadi persamaan Schrödinger tidak menentukan posisi elektron melainkan memberikan probabilitas bahwa ia akan ditemukan di sekitar posisi tertentu. Kita juga tidak dapat mengatakan secara pasti bagaimana elektron bergerak sebagai fungsi waktu karena posisi dan momentum elektron dibatasi oleh prinsip ketidakpastian Heisenberg Contoh kasus satu dimensi pada suatu t = 0 25

26 Elektron sebagai suatu yang nyata harus ada di suatu tempat. Oleh karena itu fungsi gelombang (untuk satu dimensi) harus memenuhi: Persyaratan Fungsi Gelombang Fungsi gelombang, harus kontinyu sebab jika terjadi ketidak-kontinyuan hal itu dapat ditafsirkan sebagai rusaknya elektron, suatu hal yang tidak dapat diterima. Turunan fungsi gelombang terhadap posisi,juga harus kontinyu, karena turunan fungsi gelombang terhadap posisi terkait dengan momentum elektron Oleh karena itu persyaratan ini dapat diartikan sebagai persayaratan kekontinyuan momentum. Fungsi gelombang harus bernilai tunggal dan terbatas sebab jika tidak akan berarti ada lebih dari satu kemungkinan keberadaan elektron. Fungsi gelombang tidak boleh sama dengan nol di semua posisi sebab kemungkinan keberadaan elektron haruslah nyata, betapapun kecilnya. 26

27 Elektron Bebas harus berlaku untuk semua x solusi Energi elektron bebas Persamaan gelombang elektron bebas Re Im Elektron bebas adalah elektron yang tidak mendapat pengaruh medan listrik sehingga energi potensialnya nol, V(x) = 0 27 Aplikasi Persamaan Schrödinger

28 Elektron di Sumur Potensial yang Dalam 0 L III III 11 22 33 V=0 V=V= V=V= x Daerah I dan daerah III adalah daerah- daerah dengan V = , daerah II, 0 < x < L, V = 0 Probabilitas ditemukannya elektron Energi elektron Fungsi gelombang Elektron yang berada di daerah II terjebak dalam “sumur potensial” Sumur potensial ini dalam karena di daerah I dan II V =  28

29 **  0 L b).n = 2 0 x L  ** a). n = 1 **  0 L c). n = 3 Energi elektron Probabilitas ditemukan elektron Fungsi gelombang Fungsi gelombang, probabilitas ditemukannya elektron, dan energi elektron, tergantung dari lebar sumur, L 29

30 Pengaruh lebar sumur pada tingkat-tingkat energi 0 L n = 3 n = 2 n = 1 V 0 L’ V’ Makin lebar sumur potensial, makin kecil perbedaan antara tingkat-tingkat energi 30 Elektron di Sumur Potensial yang Dangkal Probabilitas keberadaan elektron tergantung dari kedalaman sumur 0 L a d) ** 0 L c) ** E 0 L b) ** E 0 L a) ** V E Makin dangkal sumur, kemungkinan keberadaan elektron di luar sumur makin besar Jika diding sumur tipis, elektron bisa “menembus” dinding potensial

31 x z y LxLx LyLy LzLz Sumur tiga dimensi Arah sumbu-x Persamaan ini adalah persamaan satu dimensi yang memberikan energi elektron: Untuk tiga dimensi diperoleh: Tiga nilai energi sesuai arah sumbu 31

32 Konfigurasi Elektron Dalam Atom 32

33 persamaan Schrödinger dalam koordinat bola r   x y z elektron inti atom inti atom berimpit dengan titik awal koordinat mengandung r tidak mengandung r salah satu kondisi yang akan memenuhi persamaan ini adalah jika keduanya = 0 Persamaan Schrödinger dalam Koordinat Bola Jika kita nyatakan:kita peroleh persamaan yang berbentuk 33

34 Persamaan yang mengandung r saja fungsi gelombang R hanya merupakan fungsi r  simetri bola kalikan dengan kalikan dengan dan kelompokkan suku-suku yang berkoefisien konstan Ini harus berlaku untuk semua nilai r Salah satu kemungkinan: 34

35 Inilah nilai E yang harus dipenuhi agar R 1 merupakan solusi dari kedua persamaan Energi elektron pada status ini diperoleh dengan masukkan nilai-nilai e, m, dan h salah satu solusi: Probabilitas keberadaan elektron dapat dicari dengan menghitung probabilitas keberadaan elektron dalam suatu “volume dinding” bola yang mempunyai jari-jari r dan tebal dinding  r. 35

36 probabilitas maksimum ada di sekitar suatu nilai r 0 sedangkan di luar r 0 probabilitas ditemukannya elektron dengan cepat menurun keberadaan elektron terkonsentrasi di sekitar jari-jari r 0 saja Inilah struktur atom hidrogen yang memiliki hanya satu elektron di sekitar inti atomnya dan inilah yang disebut status dasar atau ground state Pe1Pe1 r [Å] r0r0 PePe 36

37 Adakah Solusi Yang Lain? solusi yang lain: Solusi secara umum: **  0 L b).n = 2 0 x L  ** a). n = 1 **  0 L c). n = 3 Kita ingat: Energi Elektron terkait jumlah titik simpul fungsi gelombang R1R1 R3R3 R2R2 r[Å] R polinom bertitik simpul dua bertitik simpul tiga 37

38 probabilitas keberadaan elektron Pe1Pe1 Pe2Pe2 Pe3Pe3 r[Å] PePe Tingkat-Tingkat Energi Atom Hidrogen n  13,6  3,4  1,51 energi total [ eV ] ground state  10,2 eV  1,89 eV bilangan kuantum prinsipal 38

39 Momentum Sudut Momentum sudut juga terkuantisasi bilangan bulat positif l : menentukan besar momentum sudut, dan m l : menentukan komponen z atau arah momentum sudut Nilai l dan m l yang mungkin : dst. Momentum sudut ditentukan oleh dua macam bilangan bulat: 39 l disebut bilangan kuantum momentum sudut, atau bilangan kuantum azimuthal m l adalah bilangan kuantum magnetik bilangan kuantum l simbolspdfgh degenerasi

40 Ada tiga bilangan kuantum yang sudah kita kenal, yaitu: (1)bilangan kuantum utama, n, yang menentukan tingkat energi; (2)bilangan kuantum momentum sudut, atau bilangan kuantum azimuthal, l; (3)bilangan kuantum magnetik, m l. Bilangan Kuantum n :  13,6  3,4  1,51 energi total [ eV ] Bohr bilangan kuantum utama 2s, 2p 1s1s 3s, 3p, 3d lebih cermat (4) Spin Elektron:  ½ dikemukakan oleh Uhlenbeck 40

41 Konfigurasi Elektron Dalam Atom Netral Kandungan elektron setiap tingkat energi n status momentum sudutJumlah tiap tingkat Jumlah s/d tingkat spdf

42 Orbital inti atom 1s 2s 42 H: 1s 1 ; He: 1s 2 Li: 1s 2 2s 1 ; Be: 1s 2 2s 2 ; B: 1s 2 2s 2 2p 1 ; Penulisan konfigurasi elektron unsur-unsur C: 1s 2 2s 2 2p 2 ; N: 1s 2 2s 2 2p 3 ; O: 1s 2 2s 2 2p 4 ; F: 1s 2 2s 2 2p 5 ; Ne: 1s 2 2s 2 2p dst

43 Diagram Tingkat Energi energienergi tingkat 4s sedikit lebih rendah dari 3d 43

44 Pengisian Elektron Pada Orbital H: pengisian 1s; He: pemenuhan 1s; Li: pengisian 2s; Be: pemenuhan 2s; B: pengisian 2p x dengan 1 elektron; C: pengisian 2p y dengan 1 elektron; N: pengisian 2p z dengan 1 elektron; O: pemenuhan 2p x ; F: pemenuhan 2p y ; Ne: pemenuhan 2p z. 44

45 Tingkat energi 4s lebih rendah dari 3d. Hal ini terlihat pada perubahan konfigurasi dari Ar (argon) ke K (kalium). Ar: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 K: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 (bukan 3d 1 ) Ca: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 (bukan 3d 2 ) Sc: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2 (orbital 3d baru mulai terisi setelah 4s penuh) Y: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 (dan unsur selanjutnya pengisian 3d sampai penuh) 45

46 Blok-Blok Unsur 1 H 1s 1 2 He 1s 2 3 Li [He] 2s 1 4 Be [He] 2s 2 5 B [He] 2s 2 2p 1 6 C [He] 2s 2 2p 2 7 N [He] 2s 2 2p 3 8 O [He] 2s 2 2p 4 9 F [He] 2s 2 2p 5 10 Ne [He] 2s 2 2p 6 11 Na [Ne] 3s 1 12 Mg [Ne] 3s 2 13 Al [Ne] 3s 2 3p 1 14 Si [Ne] 3s 2 3p 2 15 P [Ne] 3s 2 3p 3 16 S [Ne] 3s 2 3p 4 17 Cl [Ne] 3s 2 3p 5 18 Ar [Ne] 3s 2 3p 6 19 K [Ar] 4s 1 20 Ca [Ar] 4s 2 21 Sc [Ar] 3d 1 4s 2 22 Ti [Ar] 3d 2 4s 2 23 V [Ar] 3d 3 4s 2 24 Cr [Ar] 3d 5 4s 1 25 Mn [Ar] 3d 5 4s 2 26 Fe [Ar] 3d 6 4s 2 27 Co [Ar] 3d 7 4s 2 28 Ni [Ar] 3d 8 4s 2 29 Cu [Ar] 3d 10 4s 1 30 Zn [Ar] 3d 10 4s 2 31 Ga [Ar] 3d 10 4s 2 4p 1 32 Ge [Ar] 3d 10 4s 2 4p 2 33 As [Ar] 3d 10 4s 2 4p 3 34 Se [Ar] 3d 10 4s 2 4p 4 35 Br [Ar] 3d 10 4s 2 4p 5 36 Kr [Ar] 3d 10 4s 2 4p 6 Blok s Blok d Blok p pengisian orbital s pengisian orbital d pengisian orbital p 46

47 Ionisasi dan Energi Ionisasi Energi ionisasi adalah jumlah energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron terluar suatu unsur guna membentuk ion positif bermuatan +1. Energi ionisasi dalam satuan eV disebut juga potensial ionisasi. Potensial ionisasi didefinisikan sebagai energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron yang paling lemah terikat pada atom. Pada atom dengan banyak elektron, pengertian ini sering disebut sebagai potensial ionisasi yang pertama, karena sesudah ionisasi yang pertama ini bisa terjadi ionisasi lebih lanjut dengan terlepasnya elektron yang lebih dekat ke inti atom. Ionisasi: 47 1 H 13,6 2 He 24,5 3 Li 5,39 4 Be 9,32 5 B 8,29 6 C 11,2 7 N 14,6 8 O 13,6 9 F 17,4 10 Ne 21,6 11 Na 5,14 12 Mg 7,64 13 Al 5,98 14 Si 8,15 15 P 10,4 16 S 10,4 17 Cl 13,0 18 Ar 15,8 19 K 4,34 20 Ca 6,11 21 Sc 6,54 22 Ti 6,83 23 V 6,74 24 Cr 6,76 25 Mn 7,43 26 Fe 7,87 27 Co 7,86 28 Ni 7,63 29 Cu 7,72 30 Zn 9,39 31 Ga 6,00 32 Ge 7,88 33 As 9,81 34 Se 9,75 35 Br 11,8 36 Kr 14 Energi Ionisasi [eV]

48 s p p d p s s Di setiap blok unsur, energi ionisasi cenderung meningkat jika nomer atom makin besar Energi ionisasi turun setiap kali pergantian blok unsur Energi Ionisasi 48

49 Afinitas Elektron Afinitas elektron adalah energi yang dilepaskan jika atom netral menerima satu elektron membentuk ion negatif bermuatan  1. Afinitas elektron dinyatakan dengan bilangan negatif, yang berarti pelepasan energi. Afinitas elektron merupakan ukuran kemampuan suatu unsur untuk menarik elektron, bergabung dengan unsur untuk membentuk ion negatif. Makin kuat gaya tarik ini, berarti makin besar energi yang dilepaskan. Gaya tarik ini dipengaruhi oleh jumlah muatan inti atom, jarak orbital ke inti, dan screening (tabir elektron). 49

50 Ikatan Atom dan Susunan Atom 50

51 Bilangan kuantum : prinsipal: n = 1, 2, 3, dst azimuthal: l = 0, 1, 2, 3 : s, p, d, f magnetik: m l =  l sampai +l spin elektron: m s = +1/2 dan  1/2 Pauli Exclusion Prinsiple : setiap status hanya dapat ditempati tidak lebih dari satu elektron Bilangan Kuantum : 51

52 Konfigurasi Elektron Unsur pada Ground State 1 H 1s 1 2 He 1s 2 3 Li [He] 2s 1 4 Be [He] 2s 2 5 B [He] 2s 2 2p 1 6 C [He] 2s 2 2p 2 7 N [He] 2s 2 2p 3 8 O [He] 2s 2 2p 4 9 F [He] 2s 2 2p 5 10 Ne [He] 2s 2 2p 6 11 Na [Ne] 3s 1 12 Mg [Ne] 3s 2 13 Al [Ne] 3s 2 3p 1 14 Si [Ne] 3s 2 3p 2 15 P [Ne] 3s 2 3p 3 16 S [Ne] 3s 2 3p 4 17 Cl [Ne] 3s 2 3p 5 18 Ar [Ne] 3s 2 3p 6 19 K [Ar] 4s 1 20 Ca [Ar] 4s 2 21 Sc [Ar] 3d 1 4s 2 22 Ti [Ar] 3d 2 4s 2 23 V [Ar] 3d 3 4s 2 24 Cr [Ar] 3d 5 4s 1 25 Mn [Ar] 3d 5 4s 2 26 Fe [Ar] 3d 6 4s 2 27 Co [Ar] 3d 7 4s 2 28 Ni [Ar] 3d 8 4s 2 29 Cu [Ar] 3d 10 4s 1 30 Zn [Ar] 3d 10 4s 2 31 Ga [Ar] 3d 10 4s 2 4p 1 32 Ge [Ar] 3d 10 4s 2 4p 2 33 As [Ar] 3d 10 4s 2 4p 3 34 Se [Ar] 3d 10 4s 2 4p 4 35 Br [Ar] 3d 10 4s 2 4p 5 36 Kr [Ar] 3d 10 4s 2 4p 6 37 Rb [Kr] 5s 1 38 Sr [Kr] 5s 2 39 Y [Kr] 4d 1 5s 2 40 Zr [Kr] 4d 2 5s 2 41 Nb [Kr] 4d 4 5s 1 42 Mo [Kr] 4d 5 5s 1 43 Tc [Kr] 4d 6 5s 1 44 Ru [Kr] 4d 7 5s 1 45 Rh [Kr] 4d 8 5s 1 46 Pd [Kr] 4d Ag [Kr] 4d 10 5s 1 48 Cd [Kr] 4d 10 5s 2 49 In [Kr] 4d 10 5s 2 5p 1 50 Sn [Kr] 4d 10 5s 2 5p 2 51 Sb [Kr] 4d 10 5s 2 5p 3 52 Te [Kr] 4d 10 5s 2 5p 4 53 I [Kr] 4d 10 5s 2 5p 5 54 Xe [Kr] 4d 10 5s 2 5p 6 55 Cs [Xe] 6s 1 56 Ba [Xe] 6s 2 57 La [Xe] 5d 1 6s 2 58 Ce [Xe] 4f 1 5d 1 6s 2 59 Pr [Xe] 4f 3 6s 2 60 Nd [Xe] 4f 4 6s 2 61 Pm [Xe] 4f 5 6s 2 62 Sm [Xe] 4f 6 6s 2 63 Eu [Xe] 4f 7 6s 2 64 Gd [Xe] 4f 7 5d 1 6s 2 65 Tb [Xe] 4f 9 6s 2 66 Dy [Xe] 4f 10 6s 2 67 Ho [Xe] 4f 11 6s 2 68 Er [Xe] 4f 12 6s 2 69 Tm [Xe] 4f 13 6s 2 70 Yb [Xe] 4f 14 6s 2 71 Lu [Xe] 4f 14 5d 1 6s 2 72 Hf [Xe] 4f 14 5d 2 6s 2 73 Ta [Xe] 4f 14 5d 3 6s 2 74 W [Xe] 4f 14 5d 4 6s 2 75 Re [Xe] 4f 14 5d 5 6s 2 76 Os [Xe] 4f 14 5d 6 6s 2 77 Ir [Xe] 4f 14 5d 7 6s 2 78 Pt [Xe] 4f 14 5d 9 6s 1 79 Au [Xe] 4f 14 5d 10 6s 1 80 Hg [Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 81 Tl [Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 1 82 Pb [Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 2 83 Bi [Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 3 84 Po [Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 4 85 At [Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 5 86 Rn [Xe] 4f 14 5d 10 6s 2 6p 6 87 Fr [Rn] 7s 1 88 Ra [Rn] 7s 2 89 Ac [Rn] 6d 1 7s 2 90 Th [Rn] 6d 2 7s 2 91 Pa [Rn] 5f 2 6d 1 7s 2 92 U [Rn] 5f 3 6d 1 7s 2 93 Np [Rn] 5f 4 6d 1 7s 2 94 Pu [Rn] 5f 6 7s 2 95 Am [Rn] 5f 7 7s 2 96 Cm [Rn] 5f 7 6d 1 7s 2 97 Bk [Rn] 98 Cf [Rn] 99 Es [Rn] 100 Fm [Rn] 101 Md [Rn] 102 No [Rn] 103 Lw [Rn] 52

53 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 : KuatIkatan Sekunder : Lemah Gaya Ikat 53

54 Ikatan berarah: kovalen dipole permanen Ikatan tak berarah: metal ion 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 Berarah dan Tak Berarah 54

55 Sifat ikatan : Jumlah diskrit Arah tidak diskrit Atom dengan ikatan tak berarah Contoh : H 2 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 1ssimetri bola 55

56 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. 2pz2pz 2px2px 2py2py x y z x y z x y 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 56

57 1 H: 1s 1 8 O: [He] 2s 2 2p 4 O H H 104 o +  dipole 1 H: 1s 1 9 F: [He] 2s 2 2p 5 F H  + dipole Contoh : 57

58 Hibrida dari fungsi gelombang s dan p 6 C: [He] 2s 2 2p 2 Hibrida dari fungsi gelombang s dan p pada karbon membuat karbon memiliki 4 ikatan yang kuat mengarah ke susut-sudut tetrahedron Intan dan methane (CH 4 ) terbentuk dari ikatan hibrida ini. 14 Si [Ne] 3s 2 3p 2 32 Ge [Ar] 3d 10 4s 2 4p 2 50 Sn [Kr] 4d 10 5s 2 5p 2 juga membentuk orbital tetrahedral seperti karbon karena hibrida 3s-sp, 4s-4p, dan 5s-5p, sama dengan 2s-2p. 58

59 Contoh: senyawa hidrokarbon yang terdiri hanya dari atom C dan H. Methane : CH 4. Ikatannya adalah tetrahedral C  H H | H  C  H | 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 59

60 Ethane : C 2 H 6. Memiliki satu ikatan C  C H H | | H  C  C  H | | H H Propane : C 3 H 8. Memiliki dua ikatan C  C H H H | | | H  C  C  C  H | | | H H H dst. 60

61 Rantaian panjang bisa dibentuk oleh ribuan ikatan C  C. Simetri ikatan atom karbon dalam molekul ini adalah tetrahedral, dan satu ikatan C  C 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 C 2 H 2 Contoh: ethylene C 2 H 4, H H | | H  C  C  H HCCHHCCH 61

62 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 C  C juga bisa digabung dari ikatan tunggal dan ikatan dobel, seperti yang terjadi pada benzena. 62

63 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 Atom berukuran sama 63

64 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, 64

65 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). 65

66 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 66

67 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 20 – 0,155garislinier 30,155 – 0,225segitigatriangular 40,225 – 0,414tetrahedronTetrahedral 60,414 – 0,732oktahedronOctahedral 80,732 – 1,0kubuscubic 121,0HCP 121,0FCC [2] Bilangan Koordinasi 67

68 Senyawa / Metalr K / r A Ligancy teramati Ba 2 O 3 0,143 BeS0,174 BeO0,234 SiO 2 0,294 LiBr0,316 MgO0,476 MgF 2 0,486 TiO 2 0,496 NaCl0,536 CaO0,716 KCl0,736 CaF 2 0,738 CaCl0,938 BCC Metal1,08 FCC Metal1,012 HCP Metal1,012 Atom dengan ikatan tak terarah : Atom berukuran tidak sama [2] 68

69 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. HCPFCC 69

70 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). C H H H H HCP 70

71 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, CH 4, titik leleh  184 o C; ethane, C 2 H 6, titik leleh  172 o C; polyethylene, titik leleh 125 o C; polyethylene saling terikat dengan ikatan C-C dapat stabil sampai 300 o C. 71

72 Struktur Kristal 72

73 Kristal merupakan susunan atom-atom yang teratur dalam ruang tiga dimensi. Keteraturan susunan tersebut timbul karena kondisi geometris yang dihasilkan oleh ikatan atom yang terarah dan paking yang rapat. Sesungguhnya tidaklah mudah untuk menyatakan bagaimana atom tersusun dalam padatan. Namun ada hal-hal yang diharapkan menjadi faktor penting yang menentukan terbentuknya polihedra koordinasi atom-atom. Secara ideal, susunan polihdra koordinasi paling stabil adalah yang memungkinkan terjadinya energi per satuan volume minimal. Keadaan tersebut dicapai jika: 1.kenetralan listrik terpenuhi 2.ikatan kovalen yang diskrit dan terarah terpenuhi 3.meminimalkan gaya tolak ion-ion 4.paking atom serapat mungkin 73

74 Struktur kristal yang biasa teramati pada padatan dinyatakan dalam konsep geometris ideal yang disebut kisi-kisi ruang (space lattice) dan menyatakan cara bagaimana polihedra koordinasi atom-atom tersusun bersama agar energi dalam padatan menjadi minimal. Kisi-kisi ruang adalah susunan tiga dimensi titik-titik di mana setiap titik memiliki lingkungan yang serupa. Titik dengan lingkungan yang serupa itu disebut titik kisi (Lattice Point). Titik kisi dapat disusun hanya dalam 14 susunan yang berbeda yang disebut kisi-kisi Bravais; oleh karena itu atom-atom dalam kristal haruslah tersusun dalam salah satu dari 14 kemungkinan tersebut. 74

75 Sel Satuan pada Kisi-Kisi Ruang BRAVAIS [2,5] 75

76 Setiap titik kisi dapat ditempati oleh satu atau lebih atom, tetapi atom atau kelompok atom pada satu titik kisi haruslah identik dengan orientasi yang sama agar memenuhi definisi kisi ruang. Susunan atom dapat disebutkan secara lengkap dengan menyatakan posisi atom dalam suatu unit yang secara berulang tersusun dalam kisi ruang. Unit yang berulang itu disebut sel satuan. Rusuk sel satuan, yaitu vektor yang menghubungkan dua titik kisi, haruslah merupakan translasi kisi, dan sel satuan yang identik akan membentuk kisi- kisi ruang jika mereka disusun bidang sisi ke bidang sisi. Satu kisi-kisi ruang dapat memiliki beberapa sel satuan berbeda yang memenuhi kriteria tersebut di atas, akan tetapi biasanya sel satuan dipilih yang memiliki geometri sederhana dan memuat beberapa titik kisi saja. Satu sel satuan yang memiliki titik kisi hanya pada sudut-sudutnya, atau dengan kata lain satu unit sel yang memuat hanya satu titik kisi, disebut sel primitif. 76

77 Unsur Metal dan Unsur Mulia 3 sel satuan yang paling banyak dijumpai pada unsur ini adalah: Bulatan menunjukkan posisi atom yang juga merupakan lattice points pada FCC dan BCC Posisi atom yang ada dalam sel bukan lattice points [2] 77

78 Unsur ini biasanya memiliki ikatan kovalen sehingga kristal yang terbentuk akan mengikuti ketentuan ikatan ini. Jika orbital yang tak terisi digunakan seluruhnya untuk membentuk ikatan, maka atom ini akan berikatan dengan (8 – N) atom lain, dimana N adalah jumlah elektron valensi yang dimilikinya. Elemen Cl, Br, J, kulit terluarnya memuat 7 elektron; oleh karena itu pada umumnya mereka berikatan dengan hanya 1 atom dari elemen yang sama membentuk molekul diatomik, Cl 2, Br 2, J 2. Molekul diatomik tersebut membangun ikatan dengan molekul yang lain melalui ikatan sekunder yang lemah, membentuk kristal. Unsur Dengan Lebih Dari 3 Elektron Valensi [2] 78

79 Atom Group VI (S, Se, Te) memiliki 6 elektron di kulit terluarnya dan membentuk molekul rantai atao cincin di mana setiap atom berikatan dengan dua atom (dengan sudut ikatan tertentu). Molekul ini berikatan satu sama lain dengan ikatan sekunder yang lemah membentuk kristal. Rantai spiral atom Te bergabung dengan rantai yang lain membentuk kristal hexagonal. [2] Atom Group VI (S, Se, Te) 79

80 Atom Group V (P, As, Sb, Bi) memiliki 5 elektron di kulit terluarnya dan setiap atom berikatan dengan tiga atom (dengan sudut ikatan tertentu). [2] Atom Group V (P, As, Sb, Bi) 80

81 Kristal Ionik Walau sangat jarang ditemui kristal yang 100% ionik, namun beberapa kristal memiliki ikatan ionik yang sangat dominan sehingga dapat disebut sebagai kristal ionik. Contoh: NaCl, MgO, SiO 2, LiF. Dalam kristal ionik murni, polihedra anion (polihedra koordinasi) tersusun sedemikian rupa sehingga kenetralan listrik terpenuhi dan energi ikat per satuan volume menjadi minimum tanpa menyebabkan menguatnya gaya tolak antar muatan yang bersamaan tanda. Gaya tolak yang terbesar terjadi antar kation karena muatan listriknya terkonsentrasi dalam volume yang kecil, oleh karena itu polihedra koordinasi harus tersusun sedemikian rupa sehingga kation saling berjauhan. 81

82 Contoh struktur kristal ionik Anion Kation tetrahedron oktahedron 82

83 Kristal Molekul Jika dua atom terikat dengan ikatan primer, baik berupa ikatan ion ataupun ikatan kovalen, maka mereka dapat membentuk molekul yang diskrit. Jika ikatan primer tersebut kuat dalam satu sub-unit, maka ikatan yang terjadi antar sub-unit akan berupa bentuk ikatan yang berbeda dari ikatan primer. Kristal yang terbentuk adalah kristal molekuler dengan ikatan antar sub-unit yang lemah. Jika ikatan primernya adalah ikatan ion, molekul yang diskrit terbentuk jika muatan kation sama dengan hasilkali muatan anion dengan bilangan koordinasi. Contoh: sub-unit SiF 4 terbentuk dengan ikatan ion, polihedra koordinasi atau polihedra anion berbentuk tetrahedra F mengelilingi kation Si yang kemudian tersusun dalam kisi-kisi BCC 83

84 Pada es (H 2 O), ikatan primernya adalah ikatan kovalen dan ikatan sekunder antar sub-unit adalah ikatan ionik yang lemah Hidrogen hanya akan membentuk satu ikatan kovalen. Oleh karena itu molekul air terdiri dari 1 atom oksigen dengan 2 ikatan kovalen yang dipenuhi oleh 2 atom hidrogen dengan sudut antara dua atom hidrogen adalah 105 o. Dalam bentuk kristal, atom-atom hidrogen mengikat molekul-molekul air dengan ikatan ionik atau ikatan dipole hidrogen. Bola-bola menunjukkan posisi atom O; atom H terletak pada garis yang menghubungkan atom O yang berdekatan; ada 2 atom H setiap satu atom O. 84

85 Jika molekul membentuk rantaian panjang dengan penampang melintang yang mendekati simetris, mereka biasanya mengkristal dalam kisi-kisi berbentuk orthorhombic atau monoclinic. Molekul polyethylenedilihat dari depan 85 Kebanyakan polimer yang terbentuk lebih dari dua macam atom, memiliki ketidak-teraturan yang membuat ia tidak mengkristal. Walaupun demikian ada yang memiliki penampang simetris dan mudah mengkristal, seperti polytetrafluoroethylene (Teflon). Molekul polytetrafluoroethylene Polimer yang kompleks pun masih mungkin memiliki struktur yang simetris dan dapat mengkristal seperti halnya cellulose.

86 Kebanyakan kristal mengandung ketidak-sempurnaan. Karena kisi-kisi kristal merupakan suatu konsep geometris, maka ketidak- sempurnaan kristal juga diklasifikasikan secara geometris. •ketidak-sempurnaan berdimensi nol (ketidak-sempurnaan titik), •ketidak-sempurnaan berdimensi satu (ketidak-sempurnaan garis), •ketidak-sempurnaan berdimensi dua (ketidak-sempurnaan bidang). •Selain itu terjadi pula ketidak-sempurnaan volume dan juga ketidak-sempurnaan pada struktur elektronik 86 Ketidaksempurnaan Pada Kristal

87 interstitial (atom asing) substitusi (atom asing) kekosongan interstitial (atom sendiri) Ketidak sempurnaan titik tidak ada atom pada tempat yang seharusnya terisi atom dari unsur yang sama (unsur sendiri) berada di antara atom matriks yang seharusnya tidak terisi atom atom asing berada di antara atom matriks yang seharusnya tidak terisi (pengotoran) atom asing menempati tempat yang seharusnya ditempati oleh unsur sendiri (pengotoran) 87

88 Ketidak sempurnaan titik pada kristal ionik pasangan tempat kosong yang ditinggalkan dan kation yang meninggalkannya kekosongan kation berpasangan dengan kekosongan anion ketidaksempurnaan Schottky ketidaksempurnaan Frenkel pengotoran substitusi pengotoran interstitial kekosongan kation 88

89 Dislokasi merupakan ketidak-sempurnaan kristal karena penempatan atom yang tidak pada tempat yang semestinya. vector Burger   edge dislocation screw dislocation Dislokasi 89

90 Struktur Nonkristal 90

91 Molekul Rantaian Panjang - Organik Beberapa faktor yang mendorong terbentuknya struktur nonkristal adalah: a) molekul rantaian yang panjang dan bercabang; b) kelompok atom yang terikat secara tak beraturan sepanjang sisi molekul; c) rantaian panjang yang merupakan kombinasi dari dua atau lebih polimer, yang disebut kopolimer; d) adanya unsur aditif, yang akan memisahkan satu rantaian dari rantaian yang lain; unsur aditif ini biasa disebut plasticizer. 91 a) struktur yang terbangun dari molekul berbentuk rantai panjang b) struktur yang terbangun dari jaringan tiga dimensi Melihat strukturnya, material nonkristal dapat dikelompokkan menjadi dua kelompok utama, yaitu:

92 H H | | C  C | | H H ethylene : C 2 H 4 H H H H H H H H H H H H | | | | | | | |....  C  C  C  C  C  C  C  C  C  C  C  C ... | | | | | | | | H H H H H H H H H H H H membentuk rantaian panjang polyethylene Dalam struktur ini polyethylene disebut linear polyethylene Contoh terbentuknya rantaian panjang 92

93 Keadaan jauh berbeda jika molekul polyethylene bercabang. Makin bercabang, polyethylene makin nonkristal. Pengaruh adanya cabang ini bisa dilihat pada vinyl polymer, yaitu polymer dengan unit berulang C 2 H 3 X. Cabang X ini bisa berupa gugus atom yang menempati posisi di mana atom H seharusnya berada. H H | |  C  C  | | H X 93

94 Ada tiga kemungkinan cara tersusunnya cabang ini yaitu H X C H H X C H H X C H (a) ataktik (atactic), atau acak (b) isotaktik (isotactic), semua cabang berada di salah satu sisi rantai (c) sindiotaktik (syndiotactic), cabang-cabang secara teratur bergantian dari satu sisi ke sisi yang lain. 94

95 Jika gugus cabang kecil, seperti pada polyvinyl alkohol di mana X = OH, dan rantaian linier, maka polimer ini dengan mudah membentuk kristal. Akan tetapi jika gugus cabang besar, polimer akan berbentuk nonkristal seperti pada poyvinyl chloride, di mana X = Cl; juga pada polystyrene, di mana X = benzena yang secara acak terdistribusi sepanjang rantaian (ataktik). Polimer isotactic dan syndiotactic biasanya membentuk kristal, bahkan jika cabang cukup besar. 95

96 Kopolimerisasi atau pembentukan kopolimer, selalu menyebabkan ketidak-teraturan dan oleh karena itu mendorong terbentuknya struktur nonkristal. (a) dua macam polimer tersusun secara acak sepanjng rantai. (b) susunan berselang-seling secara teratur (c) susunan kopolimer secara blok (d) salah satu macam polimer menjadi cabang rantaian macam polimer yang lain 96

97 Cross-Linking Cross-link bisa juga terbentuk oleh atom atau molekul asing. Cross-link bisa terbentuk oleh segmen kecil dari rantaian. Cross-linking merupakan ikatan antar rantaian panjang yang terjadi di berbagai titik, dan ikatan ini merupakan ikatan primer. 97

98 Jaringan Tiga Dimensi - Anorganik Suatu senyawa anorganik cenderung membentuk struktur nonkristal jika: a) setiap anion terikat pada hanya dua kation; b) tidak lebih dari empat anion mengelilingi satu kation; c) polihedra anion berhubungan sudut ke sudut, tidak sisi ke sisi dan tidak pula bidang ke bidang; d) senyawa memiliki sejumlah besar atom penyusun yang terdistribusi secara tak menentu di seluruh jaringan. Jika muatan kation besar, seperti misalnya silika Si+4, dengan polihedron anion yang kecil, maka struktur nonkristal mudah sekali terbentuk. Kebanyakan gelas anorganik berbahan dasar silika, SiO2, dengan sub-unit berbentuk tetrahedra yang pada gelas silika murni terhubung sudut ke sudut 98

99 Penambahan oksida alkali pada struktur yang demikian ini dapat memutus rantaian tetrahedra; atom oksigen dari oksida ini menyelip pada titik dimana dua tetrahedra terhubung dan memutus hubungan tersebut sehingga masing-masing tertrahedron mempunyai satu sudut bebas. Terputusnya hubungan antar tetrahedra dapat menyebabkan turunnya viskositas, sehingga gelas lebih mudah dibentuk. 99

100 Struktur Padatan Struktur kristal dan nonkristal adalah struktur padatan dilihat dalam skala atom atau molekul. Sesungguhnya kebanyakan padatan memiliki detil struktur yang lebih besar dari skala atom ataupun molekul, yang terbangun dari kelompok- kelompok kristal ataupun nonkristal. Kelompok-kelompok ini dengan jelas dapat dibedakan antara satu dengan lainnya dan disebut fasa; bidang batas antara mereka disebut batas fasa. Secara formal dikatakan bahwa fasa adalah daerah dari suatu padatan yang secara fisis dapat dibedakan dari daerah yang lain dalam padatan tersebut. Pada dasarnya berbagai fasa yang hadir dalam suatu padatan dapat dipisahkan secara mekanis. 100

101 Dalam satu unit kristal jarak antara atom dengan atom hanya beberapa angstrom. Jika unit-unit kristal tersusun secara homogen membentuk padatan maka padatan yang terbentuk memiliki bangun yang sama dengan bangun unit kristal yang membentuknya namun dengan ukuran yang jauh lebih besar, dan disebut sebagai kristal tunggal; padatan ini merupakan padatan satu fasa. Pada umumnya susunan kristal dalam padatan satu fasa tidaklah homogen. Dislokasi dan perbedaan orientasi terjadi antara kristal-kristal. Padatan jenis ini merupakan padatan polikristal, walaupun tetap merupakan padatan satu fasa. Kristal-kristal yang membentuk padatan ini biasa di sebut grain, dan batas antara grain disebut batas grain. Pada padatan nonkristal sulit mengenali adanya struktur teratur dalam skala lebih besar dari beberapa kali jarak atom. Oleh karena itu kebanyakan padatan nonkristal merupakan padatan satu fasa. Padatan dapat tersusun dari dua fasa atau lebih. Padatan demikian disebut sebagai padatan multifasa. Padatan multifasa bisa terdiri hanya dari satu komponen (komponen tunggal) atau lebih (multikomponen). 101

102 Teori Pita Energi 102

103 h = 6,63  joule-sec bilangan gelombang: energi kinetik elektron sbg gelombang : momentum: Planck : energi photon (partikel) bilangan bulat frekuensi gelombang cahaya De Broglie : Elektron sbg gelombang Ulas Ulang Kuantisasi Energi 103

104 E k Energi elektron sebagai fungsi k (bilangan gelombang) 104

105 s p d f  5, SodiumHidrogen E [ eV ] 0 11 22 33 44 55 66 Kemungkinan terjadinya transisi elektron dari satu tingkat ke tingkat yang lain semakin banyak [6] 105 Makin tinggi nomer atom, atom akan makin kompleks, tingkat energi yang terisi makin banyak.

106 Molekul lebih kompleks dari atom; tingkat-tingkat energi lebih banyak karena energi potensial elektron yang bergerak dalam medan yang diberikan oleh banyak inti atom tidaklah sederhana. Lebih dari itu, energi vibrasi dan rotasi atom secara relatif satu terhadap lainnya juga terkuantisasi seperti halnya terkuantisasinya energi elektron pada atom. Transisi dari satu tingkat ketingkat yang lain semakin banyak kemungkinannya, sehingga garis-garis spektrum dari molekul semakin rapat dan membentuk pita. Timbullah pengertian pita energi yang merupakan kumpulan tingkat energi yang sangat rapat. Molekul 106

107 Penggabungan 2 atom H membentuk molekul H 2 0 22 4 E [ eV ] Ikatan stabil Ikatan tak stabil R0R0 Å jarak antar atom 107

108 Pada penggabungan dua atom, tingkat energi dengan bilangan kuantum tertinggi akan terpecah lebih dulu Elektron yang berada di tingkat energi terluar disebut elektron valensi Elektron valensi ini berpartisipasi dalam pembentukan ikatan atom. Elektron yang berada pada tingkat energi yang lebih dalam (lebih rendah) disebut elektron inti; 108

109 Gambaran tentang terbentuknya molekul dapat diperluas untuk sejumlah atom yang besar yang tersusun secara teratur, yaitu kristal padatan. n = 1 n = 2 n = 3 Jarak antar atom Energi Padatan Dalam penggabungan N atom identik, setiap tingkat energi terpecah menjadi N tingkat dan setiap tingkat akan mengakomodasi sepasang elekron dengan spin yang berlawanan ( m s = ± ½ ). 109

110 051015Å  10  20  30 0 E [ eV ] sodium 2p2p R 0 = 3,67 Å 3s3s 3p3p 4s4s 3d3d [6] 110

111 Cara penempatan elektron pada tingkat-tingkat energi mengikuti urutan sederhana: tingkat energi yang paling rendah akan terisi lebih dulu, menyusul tingkat di atasnya, dan seterusnya. E F, tingkat energi tertinggi yang terisi disebut tingkat Fermi, atau energi Fermi. Pada 0 o K semua tingkat energi sampai ke tingkat E F terisi penuh, dan semua tingkat energi di atas E F kosong. Pada temperatur yang lebih tinggi, beberapa tingkat energi di bawah E F kosong karena elektron mendapat tambahan energi untuk naik ke tingkat di atas E F. 111

112 Elektron valensi yang berada pada tingkat energi Fermi ataupun di atas energi Fermi, berada pada salah satu tingkat energi yang dimiliki oleh kristal. Jumlah tingkat energi yang dimiliki oleh kristal sangat banyak dan sangat rapat sehingga hampir merupakan perubahan yang kontinyu. Oleh karena itu, elektron pada tingkat energi Fermi yang bergerak dalam kristal dapat dipandang sebagai elektron bebas. Elektron yang bergerak dengan kecepatan tertentu memiliki energi kinetik dan bilangan gelombang, k, tertentu. Gerakan elektron tersebut mengalami hambatan karena ada celah energi. 112

113 Jika banyak atom bergabung menjadi padatan, tingkat valensi terluar dari setiap atom cenderung akan terpecah membentuk pita energi. Tingkat-tingkat energi yang lebih dalam, yang disebut tingkat inti, tidak terpecah. Setiap tingkat valensi dari dari suatu padatan yang terdiri dari N atom berbentuk pita valensi yang terdiri dari N tingkat energi. Dengan demikian maka tingkat valensi s yang di tiap atom memuat 2 elektron, akan menjadi pita s yang dapat menampung 2N elektron. Tingkat valensi p yang di tiap atom memuat 6 elektron, akan menjadi pita p yang dapat menampung 6N elektron. 113 Konduktor, Isolator, Semikonduktor

114 Gambaran pita-pita energi pada suatu padatan pita s pita p celah energi Pita-pita energi yang terjadi dalam padatan dapat digambarkan sebagai berikut: 114

115 Pada metal, pita valensi biasanya hanya sebagian terisi Pita energi paling luar, jika ia hanya sebagian terisi dan padanya terdapat tingkat Fermi, disebut sebagai pita konduksi. kosong celah energi terisi kosong pita valensi EFEF pita konduksi Sodium 115

116 Pada beberapa metal, pita valensi terisi penuh. Akan tetapi pita ini overlap dengan pita di atanya yang kosong. Pita yang kosong ini memfasilitasi tingkat energi yang dengan mudah dicapai oleh elektron yang semula berada di pita valensi. terisi penuh kosong EFEF pita valensi Magnesium 116

117 Pada beberapa material, pita valensi terisi penuh dan pita valensi ini tidak overlap dengan pita di atasnya yang kosong. Jadi antara pita valensi dan pita di atasnya terdapat celah energi. celah energi terisi penuh kosong Intan celah energi terisi penuh kosong pita valensi Silikon isolatorsemikonduktor 117

118 Sifat Listrik Metal 118

119 Material  e [siemens] Perak 6,3  10 7 Tembaga 5,85  10 7 Emas 4,25  10 7 Aluminium 3,5  10 7 Tungsten 1,82  10 7 Kuningan 1,56  10 7 Besi 1,07  10 7 Nickel 1,03  10 7 Baja 0,7  10 7 Stainless steel 0,14  10 7 Material  e [siemens] Gelas (kaca) 2  3  10  5 Bakelit 1  2  10  11 Gelas (borosilikat) 10  10  10  15 Mika 10  11  10  15 Polyethylene 10  15  10  17 Konduktor Isolator [6] 119

120 Jika pada suatu material konduktor terjadi perbedaan potensial, arus listrik akan mengalir melalui konduktor tersebut kerapatan arus [ampere/meter 2] kuat medan [volt/meter] resistivitas [  m] konduktivitas [siemens] 120 Model Klasik Sederhana

121 Medan listrik E memberikan gaya dan percepatan pada elektron sebesar Karena elektron tidak terakselerasi secara tak berhingga, maka dapat dibayangkan bahwa dalam pergerakannya ia harus kehilangan energi pada waktu menabrak materi pengotor ataupun kerusakan struktur pada zat padat. Jika setiap tabrakan membuat elektron kembali berkecepatan nol, dan waktu antara dua tabrakan berturutan adalah 2  maka kecepatan rata-rata adalah: 121

122 0 22 44 66 kecepatan waktu kerapatan elektron bebas benturan Jika tak ada medan listrik, elektron bebas bergerak cepat pada arah yang acak sehingga tak ada aliran elektron netto. Medan listrik akan membuat elektron bergerak pada arah yang sama. kerapatan arus Model Klasik Sederhana 122

123 1900: Drude mengusulkan bahwa konduktivitas listrik tinggi pada metal dapat dijelaskan sebagai kontribusi dari elektron valensi yang dianggap dapat bergerak bebas dalam metal, seperti halnya molekul gas bergerak bebas dalam suatu wadah. Gagasan Drude ini dikembangkan lebih lanjut oleh Lorentz. Elektron dapat bergerak bebas dalam kristal metal pada potensial internal yang konstan. Ada dinding potensial pada permukaan metal, yang menyebabkan elektron tidak dapat meninggalkan metal. Semua elektron bebas berperilaku seperti molekul gas (mengikuti statistik Maxwell-Boltzmann); elektron ini memiliki distribusi energi yang kontinyu. Gerakan elektron hanya dibatasi oleh tabrakan dengan ion-ion metal. 123 Teori Drude-Lorentz Tentang Metal

124 Medan listrik E memberikan gaya dan percepatan pada elektron sebesar Integrasi a terhadap waktu memberikan kecepatan elektron, yang disebut kecepatan drift : 124

125 Jika jalan bebas rata-rata elektron adalah L maka waktu rata-rata antara tabrakan dengan tabrakan berikutnya adalah Kecepatan drift ini berubah dari 0 sampai v drift maks, yaitu kecepatan sesaat sebelum tabrakan dengan ion metal. kecepatan thermal Kecepatan drift rata-rata dapat didekati dengan: 125

126 Kerapatan arus adalah: 126

127 Pada metal, pita valensi biasanya hanya sebagian terisi Pita energi paling luar, jika ia hanya sebagian terisi dan padanya terdapat tingkat Fermi, disebut sebagai pita konduksi. kosong celah energi terisi kosong pita valensi EFEF pita konduksi Sodium 127 Model Pita Energi untuk Metal

128 Pada beberapa metal, pita valensi terisi penuh. Akan tetapi pita ini overlap dengan pita di atasnya yang kosong. Pita yang kosong ini memfasilitasi tingkat energi yang dengan mudah dicapai oleh elektron yang semula berada di pita valensi. terisi penuh kosong EFEF pita valensi Magnesium 128

129 Dalam model mekanika gelombang, elektron dipandang sebagai paket gelombang, bukan partikel. Kecepatan grup dari paket gelombang adalah f = frekuensi DeBroglie k = bilangan gelombang Percepatan yang dialami elektron adalah Karena E = hf, maka: 129 Model Mekanika Gelombang

130 Percepatan yang dialami elektron adalah Percepatan ini terjadi karena ada medan listrik E, yang memberikan gaya sebesar eE Gaya sebesar eE memberikan laju perubahan energi kinetik pada elektron bebas sebesar Sehingga percepatan elektron menjadi: 130

131 percepatan elektron: Bandingkan dengan relasi klasik: Kita definisikan massa efektif elektron : Untuk elektron bebas m* = m e. Untuk elektron dalam kristal m* tergantung dari energinya. 131

132 k E k1k1 +k1+k1 celah energi sifat klasik m* = m e jika energinya tidak mendekati batas pita energi dan kurva E terhadap k berbentuk parabolik Pada kebanyakan metal m* = m e karena pita energi tidak terisi penuh. Pada material yang pita valensinya terisi penuh m*  m e 132

133 Metal dilihat sebagai benda padat yang kontinyu, homogen, isotropik. Gambaran tentang elektron seperti pada teori Drude-Lorentz; elektron bebasa berada pada potensial internal yang konstan. Perbedaannya adalah bahwa elektron dalam sumur potensial mengikuti teori kuantum dan bukan mekanika klasik Berapa statuskah yang tersedia untuk elektron atau dengan kata lain bagaimanakah kerapatan status? Bagaimana elektron terdistribusi dalam status yang tersedia dan bagaimana mereka berpartisipasi dalam proses fisika? Kita lihat lagi Persamaan Schrödinger 133 Teori Sommerfeld Tentang Metal

134 x z y LxLx LyLy LzLz Sumur tiga dimensi Aplikasi Persamaan Schrödinger: Kasus 3 Dimensi 134

135 x z y LxLx LyLy LzLz Sumur tiga dimensi Aplikasi Persamaan Schrödinger; Kasus 3 Dimensi 135

136 Energi elektron : Energi elektron dinyatakan dalam momentumnya: sehingga : momentum : 136

137 momentum :Tanda ± menunjukkan bahwa arah momentum bisa positif atau negatif. Pernyataan ini menunjukkan bahwa momentum terkuantisasi. p x, p y, p z membentuk ruang momentum tiga dimensi. Jika ruang momentum berbentuk kubus, maka satuan sisi kubus adalah h/2L Kwadran pertama ruang momentum (dua dimensi): pxpx pypy 0 setiap titik menunjukkan status momentum yang diperkenankan setiap status momentum menempati ruang sebesar h 2 /4L 2 (kasus 2 dimensi). 137

138 Kwadran pertama ruang momentum (dua dimensi) pxpx pypy 0pxpx pypy 0 p dp setiap status momentum menempati ruang sebesar h 2 /4L 2 tiga dimensi 138

139 pxpx pypy 0 p dp tiga dimensi Karena maka massa elektron di sini adalah massa efektif Inilah kerapatan status. Setiap status mencakup 2 spin Berapakah yang terisi ? 139

140 Densitas Status pada 0 K Status energi diisi oleh elektron valensi mulai dari tingkat terendah secra berurut ke tingkat yang lebih tinggi sampai seluruh elektron terakomodasi. Elektron pada status energi yang paling tinggi analog dengan elektron pada tingkat energi paling tinggi di sumur potensial. Elektron ini memerlukan tambahan energi sebesar work function untuk meninggalkan sumur potensial. Status energi paling tinggi, yaitu tingkat yang paling tinggi yang ditempati oleh elektron pada 0 K secara tentatif didefinsikan sebagai tingkat Fermi, E F. (Definisi ini sesungguhnya tidak lengkap, tetapi untuk sementara kita gunakan). 140 Tingkat Energi FERMI

141 pxpx pypy 0 p dp Jika p adalah jarak dari titik pusat ke momentum paling luar, maka akan diperoleh status yang terisi. Status yang terisi adalah: Karena Energi Fermi: 141

142 N(E)N(E) E EFEF  E 1/2 Densitas & Status terisi pada 0 K Densitas Status pada 0 K Jumlah status yang terisi dihitung dari jumlah status momentum yang terisi dalam ruang momentum: 142

143 Jika elektron pada tingkat energi E F kita pandang secara klasik, relasi energi: Pada tingkat energi E F sekitar 4 eV, sedang di mana T F adalah temperatur Fermi maka Jadi suatu elektron klasik berada pada sekitar K untuk setara dengan elektron pada tingkat Fermi. 143

144 Hasil Perhitungan elemen E F [eV] T F [ o K  ] Li4,75,5 Na3,13,7 K2,12,4 Rb1,82,1 Cs1,51,8 Cu7,08,2 Ag5,56,4 Au5,56,4 [1] 144

145 Menurut mekanika gelombang elektron bebas dalam kristal dapat bergerak tanpa kehilangan energi. Setiap kelainan pada struktur kristal akan menimbulkan hambatan pada gerakan elektron yang menyebabkan timbulnya resistansi listrik pada material. Bahkan pada 0 o K, adanya resistansi dapat teramati pada material nyata sebab pengotoran, dislokasi, kekosongan, dan berbagai ketidaksempurnaan kristal hadir dalam material. Pada metal murni, resistivitas total merupakan jumlah dari dua komponen yaitu komponen thermal  T, yang timbul akibat vibrasi kisi-kisi kristal, dan resistivitas residu  r yang disebabkan adanya pengotoran dan ketidaksempurnaan kristal. Relasi Matthiessen: resistivitas total resistivitas thermal resistivitas residu konduktivitas 145 Resistivitas

146 Eksperimen menunjukkan: o K 100 | |       Cu Cu, 1,12% Ni Cu, 2,16% Ni Cu, 3.32% Ni  [ohm-m]  Di atas temperatur Debye komponen thermal dari resistivitas hampir linier terhadap temperatur: frekuensi maks osilasi Temperatur Debye: konstanta Boltzmann 1,38  10  23 joule/ o K kecepatan rambat suara panjang gelombang minimum osilator [6] 146

147 konstanta tergantung dari jenis metal dan pengotoran konsentrasi pengotoran Relasi Nordheim: Jika x << 1 2%3% 1% | |      r /  273 0,05 0,10 0,15 0,20 4% | In dalam Sn 147

148 Pengaruh Jenis Pengotoran pada Cu   | ||| 2,0  10  8 2,5  10  8 1,5  10  8  [ohm-meter] 00,050,100,150,20  T (293) Sn Ag Cr Fe P % berat [6] 148

149 Elektron bebas dalam metal tidak meninggalkan metal, kecuali jika mendapat tambahan energi yang cukup x EFEF Energi Hampa eFeF 149 Emisi Elektron

150 emitter collector cahaya A V Sumber tegangan variabel I V V0V0 x lumen 2x lumen 3x lumen 0 Pada tegangan ini semua elektron kembali ke katoda (emitter) Laju keluarnya elektron (arus) tergantung dari intensitas cahaya tetapi energi kinetiknya tidak tergantung intensitas cahaya Energi kinetik elektron = e V 0 Peristiwa photolistrik 150

151 emitter collector cahaya A V Sumber tegangan variabel I V  V 01  =5000Å (biru)  V 02  V 03  =5500Å (hijau)  =6500Å (merah) Intensitas cahaya konstan tetapi panjang gelombang berubah 151

152 Photon dengan energi hf diserap elektron di permukaan metal sehingga elektron tersebut mendapat tambahan energi. Jika pada awalnya elektron menempati tingkat energi tertinggi di pita konduksi dan bergerak tegak lurus ke arah permukaan, ia akan meninggalkan emitter dengan energi kinetik maksimum E k maks = hf  e  Energi yang diterima Energi untuk mengatasi hambatan di permukaan (dinding potensial) emitter collector cahaya A V Sumber tegangan variabel 152

153 tingkat energi terisi hf EFEF ee E k maks E k < E k maks hf emitter collector cahaya A V Sumber tegangan variabel 153

154 Jika V 0 (yang menunjukkan energi kinetik) di-plot terhadap frekuensi: VoVo f  1  2 Slope = h/e Metal 1 Metal 2 Rumus Einstein: emitter collector cahaya A V Sumber tegangan variabel 154

155 Peristiwa Emisi Thermal Pada temperatur tinggi, sebagian elektron memiliki energi kinetik yang lebih tinggi dari energi rata-rata elektron sehingga dapat melampaui work function ( e  ). A V vakum pemanas katoda anoda Jika arus cukup tinggi, terjadi saling tolak antara elektron di ruangan sehingga elektron dengan energi rendah tidak mencapai anoda. Muatan ruang makin berpengaruh jika arus makin tinggi. Arus akan mencapai kejenuhan. I V VV 155

156 Makin tinggi temperatur katoda, akan makin tinggi energi elektron yang keluar dari permukaan katoda, dan kejenuhan terjadi pada nilai arus yang lebih tinggi. I V VV T1T1 T2T2 T3T3 Kejenuhan dapat diatasi dengan menaikkan V I T V1V1 V2V2 V3V3 A V vakum pemanas katoda anoda 156

157 Pada tegangan yang sangat tinggi, dimana efek muatan ruang teratasi secara total, semua elektron yang keluar dari katoda akan mencapai anoda. Persamaan Richardson-Dushman kerapatan aruskonstanta dari material k = konstanta Boltzman = 1,38  10  23 joule/ o K I T V1V1 V2V2 V = ∞ A V vakum pemanas katoda anoda 157

158 Nilai  tergantung dari temperatur : pada 0 o K koefisien temperatur pada kebanyakan metal murni Persamaan Richardson-Dushman menjadi: A V vakum pemanas katoda anoda 158

159 Persamaan Richardson-Dushman Linier terhadap A V vakum pemanas katoda anoda 159

160 Material katoda titik leleh [ O K] temp. kerja [ O K] work function [eV] A [10 6 amp/m 2 o K 2 W ,50,060 Ta ,10,4 – 0,6 Mo ,20,55 Th ,40,60 Ba ,50,60 Cs ,91,62 [6] Beberapa Material Bahan Katoda 160

161 Jika elektron dengan energi tinggi (yang disebut elektron primer) ditembakkan ke permukaan metal, elektron dapat keluar dari permukaan metal (yang disebut elektron sekunder). Energi kinetik elektron sekunder tidak harus tergantung dari energi kinetik elektron yang membentur permukaan. Efisiensi emisi sekunder dinyatakan sebagai rasio jumlah elektron sekunder, I s terhadap jumlah elektron primer yang membentur permukaan, I p. Rasio ini disebut secondary emission yield, , dan merupakan fungsi dari energi kinetik berkas elektron yang membentur permukaan. Jika energi kinetik berkas elektron yang membentur permukaan terlalu rendah hanya sedikit dihasilkan emisi sekunder. Peristiwa Emisi Sekunder 161

162 Jika energi kinetik berkas elektron yang membentur permukaan terlalu tinggi hanya sedikit juga dihasilkan emisi sekunder. Hal ini disebabkan karena elektron yang membentur permukaan metal sempat masuk (penetrasi) ke dalam metal sebelum terjadi benturan dengan elektron bebas dalam metal. Elektron bebas yang menerima tambahan energi mengalami tabrakan- tabrakan sebelum mencapai permukaan, dan mereka gagal keluar dari permukaan metal. Akibatnya adalah  sebagai fungsi dari energi berkas elektron, mempunyai nilai maksimum.  EkEk 0 0  maks E k maks 162

163 emitter  maks E k [eV] Al0,97300 Cu1,35600 Cs0,9400 Mo1,25375 Ni1,3550 W1,43700 gelas  2,5 400 BeO10,2500 Al 2 O 3 4,81300 [6] Emisi Sekunder 163

164 Efek SCHOTTKY Dalam peristiwa emisi thermal telah disebutkan bahwa kenaikan medan listrik antara emitter dan anoda akan mengurangi efek muatan ruang. I V1V1 V2V2 V3V3 Medan yang tinggi juga meningkatkan emisi karena terjadi perubahan dinding potensial di permukaan katoda x EFEF Energi x0x0 e∅e∅ medan listrik tinggi V = eEx eΔ∅eΔ∅ Medan E memberikan potensial  eEx pada jarak x dari permukaan nilai maks dinding potensial penurunan work function 164

165 Peristiwa Emisi Medan Hadirnya medan listrik pada permukaan katoda, selain menurunkan work function juga membuat dinding potensial menjadi lebih tipis x EFEF Energi e∅e∅ medan listrik sangat tinggi V = eEx eΔ∅eΔ∅ jarak tunneling penurunan work function 165

166 166

167 Dielektrik digunakan pada kapasitor dan sebagai bahan isolasi Permitivitas relatif didefinisikan sebagai rasio permitivitas dielektrik (  ) dengan permitivitas ruang hampa (  0 ) Jika suatu dielektrik yang memiliki permitivitas relatif  r disisipkan antara dua pelat kapasitor yang memiliki luas A dan jarak antara kedua pelat adalah d, maka kapasitansi yang semula berubah menjadi dielektrik meningkatkan kapasitansi sebesar  r kali Faktor Desipasi 167 Karakteristik Dielektrik

168 Diagram fasor kapasitor im re I Rp ICIC I tot  VCVC Desipasi daya (menjadi panas): tan  : faktor desipasi (loss tangent)  r tan  : faktor kerugian (loss factor) 168

169 Kekuatan Dielektrik Gradien tegangan maksimum yang masih dapat ditahan oleh dielektrik sebelum terjadi tembus listrik Nilai kekuatan dielektrik secara eksperimen sangat tergantung dari ukuran spesimen, elektroda, serta prosedur percobaan Tembus listrik diawali oleh hdirnya sejumlah elektron di pita konduksi. Elektron ini mendapat percepatan oleh adanya medan listrik yang tinggi sehingga memperoleh energi kinetik yang tinggi. Sebagian energi ini ditransfer ke elektron valensi sehingga elektron valensi naik ke pita konduksi. Jika jumlah elektron ini cukup banyak maka akan terjadi avalans elektron di pita konduksi. Arus meningkat dengan cepat sehingga terjadi peleburan lokal, terbakar, atau penguapan. Elektron awal bisa hadir oleh beberapa sebab: discharge antara elektroda tegangan tinggi dengan permukaan dielektrik yang terkontaminasi, pori- pori berisi gas dalam dielektrik, pengotoran oleh atom asing. 169

170 Jarak elektroda [m] X 10  2 Tegangan tembus [kV] 100   300  400  500  600  ,13 2,54 udara 1 atm udara 400 psi SF psi SF 6 1 atm Porselain Minyak Trafo High Vacuum [6] Kekuatan Dielektrik 170

171 Tanpa dielektrik : E0E    d 00 ++ ++ d  E ++ ++ ++ ++ ++ ++        Dipole listrik : timbul karena terjadi Polarisasi Dengan dielektrik : Polarisasi : total dipole momen listrik per satuan volume Dua Pelat Paralel 171 Polarisasi

172 Molekul di dalam dielektrik mengalami pengaruh medan listrik yang lebih besar dari medan listrik yang diberikan dari luar. Medan listrik yang dialami oleh molekul ini disebut medan lokal. ++ ++  E ++ ++ ++ ++ ++ ++        ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ Induksi momen dipole oleh medan lokal E lok adalah polarisabilitas jumlah molekul per satuan volume 172

173 4 macam polarisasi a. polarisasi elektronik : tak ada medan ada medan E Teramati pada semua dielektrik Terjadi karena pergeseran awan elektron pada tiap atom terhadap intinya. 173 tak ada medan ada medan E b. polarisasi ionik : +     +     Terjadi karena pergeseran ion-ion yang berdekatan dan berlawanan muatan. Hanya ditemui pada material ionik.

174 tak ada medan ada medan E c. polarisasi orientasi : ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ Terjadi pada material padat dan cair yang memiliki molekul asimetris yang momen dipole permanennya dapat diarahkan oleh medan listrik. 174 tak ada medan ada medan E d. polarisasi muatan ruang :                 Terjadi pengumpulan muatan di perbatasan dielektrik.

175 Dalam medan bolak-baik, polarisasi total P, polarisabilitas total , dan  r, tergantung dari kemudahan dipole untuk mengikuti medan yang selalu berubah arah tersebut. Dalam proses mengikuti arah medan tersebut, waktu yang dibutuhkan oleh dipole untuk mencapai orientasi keseimbangan disebut waktu relaksasi. Kebalikan dari waktu relaksasi disebut frekuensi relaksasi. Jika frekuensi dari medan yang diberikan melebihi frekuensi relaksasi, dipole tidak cukup cepat untuk mengikutinya, dan proses orientasi berhenti. Karena frekuensi relaksasi dari empat macam proses polarisasi berbeda-beda, maka kontribusi dari masing-masing proses pada polarisasi keseluruhan dapat diamati. 175  r Tergantung Pada Frekuensi Dan Temperatur

176 frekuensi listrik frekuensi optik frekuensi power audio radio infra merah cahaya tampak P;rP;r absorbsi; loss factor muatan ruang orientasi ionik elektronik orientasi muatan ruang ionik elektronik  176

177 tan  : faktor desipasi (loss tangent) Diagram fasor kapasitor im re I Rp ICIC I tot  VCVC Desipasi daya (menjadi panas):  r tan  : faktor kerugian (loss factor) 177 Kehilangan Energi

178 178

179 Salah satu kriteria dalam pemilihan material untuk keperluan konstruksi adalah kekuatan mekanis-nya uji tarik (tensile test) uji tekan (compression test) uji kekerasan (hardness test) uji impak (impact test) uji kelelahan (fatigue test) Uji tarik (tensile test) dan uji tekan (compression test) dilakukan untuk mengetahui kemampuan material dalam menahan pembebanan statis. Uji kekerasan untuk mengetahui ketahanan material terhadap perubahan (deformation) yang permanen. Uji impak untuk mengetahui ketahanan material terhadap pembebanan mekanis yang tiba-tiba. Uji kelelahan untuk mengetahui lifetime dibawah pembebanan siklis. Beberapa uji mekanik: 179

180 A0A0 l0l0 A l P Engineering Stress : , didefinisikan sebagai rasio antara beban P pada suatu sampel dengan luas penampang awal dari sampel. Engineering Stress : Engineering Strain : Engineering Strain : , didefinisikan sebagai rasio antara perubahan panjang suatu sampel dengan pembebanan terhadap panjang awal-nya. sebelum pembebanan dengan pembebanan 180

181 Stress-Strain Curve : | | | | | | | strain,  [in./in.] stress,  [1000 psi] ultimate tensile strength contoh kurva stress-strain dari Cu polikristal retak  | | | | | | strain,  [in./in.] stress,  [1000 psi] daerah elastis mulai daerah plastis E batas elastis di daerah elastis:  = E  (Hukum Hooke) E = modulus Young yield strength linier 181

182 | | | | | | | strain,  [in./in.] stress,  [1000 psi] baja 1030 upper yield point lower yield point   | | | | | | strain,  [in./in.] stress,  [1000 psi] tungsten carbide 182

183 | | | | | | | strain:  [in./in.] stress:  [1000 psi] besi tuang tekan   tarik beton | | | | | | | strain:  [in./in.] stress:  [1000 psi] tekan   tarik 183

184 Uji kekerasan mengukur kekuatan material terhadap suatu indenter ; indenter ini bisa berbentuk bola, piramida, kerucut, yang terbuat dari material yang jauh lebih keras dari material yang diuji. Uji kekerasan dilakukan dengan memberikan beban secara perlahan, tegaklurus pada permukaan benda uji, dalam jangka waktu tertentu. spesimen D d P Salah satu metoda adalah Test Brinell, dengan indenter bola tungsten carbide, D = 10 mm Hardness Number dihitung dengan formula: 184

185 spesimen Uji impak mengukur energi yang diperlukan untuk mematahkan batang material yang diberi lekukan standar, dengan memberikan beban impuls. Beban impuls diberikan oleh bandul dengan massa tertentu, yang dilepaskan dari ketinggian tertentu. Bandul akan menabrak spesimen dan mematahkannya, kemudian naik lagi sampai ketinggian tertentu. ujung bandul penahan Dengan mengetahui massa bandul dan selisih ketinggian bandul saat ia dilepaskan dengan ketinggian bandul setelah mematahkan spesimen, dapat dihitung energi yang diserap dalam terjadinya patahan. 185

186 Semua jenis material berubah bentuk, atau berubah volume, atau keduanya, pada waktu mendapat tekanan ataupun perubahan temperatur. Perubahan tersebut dikatakan elastis jika perubahan bentuk atau volume yang disebabkan oleh perubahan tekanan ataupun temperatur dapat secara sempurna kembali ke keadaan semula jika tekanan atau temperatur kembali ke keadaan awalnya. Pada material kristal, hubungan antara stress dan strain adalah linier sedangkan pada material non kristal (dengan rantai molekul panjang) pada umumnya hubungan tersebut tidak linier. strain,  elastis stress,  A strain,  elastis stress,  A 186

187 Pada bagian kurva stress-strain yang linier dapat dituliskan hubungan linier strain:  elastis stress:  A E = modulus Young Modulus Young ditentukan dengan cara lain, misalnya melalui formula: densitas material kecepatan rambat suara dalam material 187

188 Ada beberapa konstanta proporsionalitas yang biasa digunakan dalam menyatakan hubungan linier antara stress dan strain, tergantung dari macam stress dan strain 1) Modulus Young l l0l0 strain:  z stress:  z zz zz Panjang awal Panjang sesudah ditarik 188

189 2). Modulus shear Shear strain,  Shear stress,   l0l0  189

190 3) Modulus bulk (volume) volume awal V 0 perubahan volume  V / V 0 hydrostatic stress :  hyd 190

191 Energi potensial dari dua atom sebagai fungsi jarak antara keduanya dapat dinyatakan dengan persamaan: V : energi potensial r : jarak antar atom A : konstanta proporsionalitas untuk tarik-menarik antar atom B : konstanta proporsionalitas untuk tolak-menolak antar atom n dan m : pangkat yang akan memberikan variasi dari V terhadap r 191

192 Gaya dari dua atom sebagai fungsi jarak antara keduanya dapat diturunkan dari relasi energi potensial: F : gaya antar atom r : jarak antar atom a : konstanta proporsionalitas untuk tarik-menarik antar atom b : konstanta proporsionalitas untuk tolak-menolak antar atom N dan M : pangkat yang akan memberikan variasi dari F terhadap r 192

193 Kurva energi potensial dan kurva gaya sebagai fungsi jarak antara atom, disebut kurva Condon-Morse: d0d0 tolak-menolak tarik-menarik r energi potensial, V jumlah tolak-menolak tarik-menarik r gaya, F jumlah d0d0 193

194 Kurva gaya dan garis singgung pada d 0 untuk keperluan praktis dapat dianggap berimpit pada daerah elastis. d0d0 r gaya, F daerah elastis 194

195 Jarak rata-rata antar atom meningkat dengan peningkatan temperatur. Energi Potensial jarak antar atom d0d0 T >> 0o K0o K d rata2 d rmaks d rmin Pengaruh Temperatur 195

196 Tercapainya strain maksimum bisa lebih lambat dari tercapainya stress maksimum yang diberikan. Jadi strain tidak hanya tergantung dari stress yang diberikan tetapi juga tergantung waktu. Hal ini disebut anelastisitas. Jika material mendapat pembebanan siklis, maka keterlambatan strain terhadap stress menyebabkan terjadinya desipasi energi. Desipasi energi menyebabkan terjadinya damping. Desipasi energi juga terjadi pada pembebanan monotonik isothermal di daerah plastis. Gejala ini dikenal sebagai creep. 196

197 Efek Thermoelastik Material kristal cenderung turun temperaturnya jika diregangkan (ditarik). Jika peregangan dilakukan cukup lambat, maka material sempat menyerap energi thermal dari sekelilingnya sehingga temperaturnya tak berubah. Dalam hal demikian ini proses peregangan (straining) terjadi secara isothermik.   O X M A A’ MM AA adiabatik isothermik MM M MM   O X Loop Histerisis Elastis 197

198 Desipasi energi per siklus tergantung dari frekuensi   O   O   O   O   O desipasi energi per siklus f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 frekuensi f1f1 f2>f1f2>f1 f3>f2f3>f2 f4>f3f4>f3 f5>f4f5>f4 198

199 Peregangan bisa menyebabkan terjadinya difusi atom. 199

200 Waktu Relaksasi :  t  11 t0t0 22 t1t1 200

201 Keretakan adalah peristiwa terpisahnya satu kesatuan menjadi dua atau lebih bagian. Bagaimana keretakan terjadi, berbeda dari satu material ke material yang lain, dan pada umumnya dipengaruhi oleh stress yang diberikan, geometris dari sampel, kondisi temperatur dan laju strain yang terjadi. Keretakan dibedakan antara keretakan brittle dan ductile. Keretakan brittle terjadi dengan propagasi yang cepat sesudah sedikit terjadi deformasi plastis atau bahkan tanpa didahului oleh terjadinya deformasi plastis. Keretakan ductile adalah keretakan yang didahului oleh terjadinya deformasi plastis yang cukup panjang / lama, dan keretakan terjadi dengan propagasi yang lambat. 201

202 Pada material kristal, keretakan brittle biasanya menjalar sepanjang bidang tertentu dari kristal, yang disebut bidang cleavage. Pada material polikristal keretakan brittle tersebut terjadi antara grain dengan grain karena terjadi perubahan orientasi bidang clevage ini dari grain ke grain. Selain terjadi sepanjang bidang cleavage, keretakan brittle bisa terjadi sepanjang batas antar grain, dan disebut keretakan intergranular. Kedua macam keretakan brittle, cleavage dan intergranular, terjadi tegak lurus pada arah stress yang maksimum. Kalkulasi teoritis kekuatan material terhadap keretakan adalah sangat kompleks. Walaupun demikian ada model sederhana, berbasis pada besaran-besaran sublimasi, gaya antar atom, energi permukaan, yang dapat digunakan untuk melakukan estimasi. Tidak kita pelajari. 202

203 Keretakan ductile didahului oleh terjadinya deformasi plastis, dan keretakan terjadi dengan propagasi yang lambat. Pada material yang digunakan dalam engineering, keretakan ductile dapat diamati terjadi dalam beberapa tahapan •terjadinya necking, dan mulai terjadi gelembung retakan di daerah ini; •gelembung-gelembung retakan menyatu membentuk retakan yang menjalar keluar tegaklurus pada arah stress yang diberikan; •retakan melebar ke permukaan pada arh 45 o terhadap arah tegangan yang diberikan. Mulai awal terjadinya necking, deformasi dan stress terkonsentrasi di daerah leher ini. Stress di daerah ini tidak lagi sederhana searah dengan arah gaya dari luar yang diberikan, melainkan terdistribusi secara kompleks dalam tiga sumbu arah. Keretakan ductile dimulai di pusat daerah leher, di mana terjadi shear stress maupun tensile stress lebih tinggi dari bagian lain pada daerah leher. Teori tidak kita pelajari. 203

204 Transisi dari ductile ke brittle Dalam penggunaan material, adanya lekukan, atau temperatur rendah, atau pada laju strain yang tinggi, bisa terjadi transisi dari keretakan ductile ke brittle. Keretakan ductile menyerap banyak energi sebelum patah, sedangkan keretakan brittle memerlukan sedikit energi. Hindarkan situasi yang mendorong terjadinya transisi ke kemungkinan keretakan brittle. 204

205 Keretakan karena kelelahan metal Material ductile dapat mengalami kegagalan fungsi jika mendapat stress secara siklis, walaupun stress tersebut jauh di bawah nilai yang bisa ia tahan dalam keadaan statis. Tingkat stress maksimum sebelum kegagalan fungsi terjadi, disebut endurance limit. Endurance limit didefinidikan sebagai stress siklis paling tinggi yang tidak menyebabkan terjadinya kegagalan fungsi, berapapun frekuensi siklis-nya. Endurance limit hampir sebanding dengan ultimate tensile strength (UTS). Pada alloy besi sekitar ½ dan pada alloy bukan besi sampai 1/3 UTS. Secara umum diketahui bahwa jika bagian permukaan suatu spesimen lebih lunak dari bagian dalamnya maka kelelahan metal lebih cepat terjadi dibandingkan dengan jika bagian permukaan lebih keras. Untuk meningkatkan umur mengahadapi terjadinya kelelahan metal, dilakukan pengerasan permukaan (surface-harden). 205

206 206

207 Sifat-sifat thermal yang akan kita bahas adalah kapasitas panas panas spesifik pemuaian konduktivitas panas 207

208 Sejumlah energi bisa ditambahkan ke dalam material melalui pemanasan, medan listrik, medan magnit, bahkan gelombang cahaya seperti pada peristwa photo listrik yang telah kita kenal. Pada penambahan energi melalui pemanasan tanggapan padatan termanifestasikan dalam gejala-gejala kenaikan temperatur sampai pada emisi thermal tergantung dari besar energi yang masuk. Dalam padatan, terdapat dua kemungkinan penyimpanan energi thermal: 1)penyimpanan dalam bentuk vibrasi atom / ion di sekitar posisi keseimbangannya 2)energi kinetik yang dikandung oleh elektron-bebas. 208

209 Kapasitas Panas (heat capacity) Kapasitas panas pada volume konstan, C v Kapasitas panas pada tekanan konstan, Cp E : energi internal padatan yaitu total energi yang ada dalam padatan baik dalam bentuk vibrasi atom maupun energi kinetik elektron-bebas T : temperatur H : enthalpi. Pengertian enthalpi dimunculkan dalam thermodinamika karena amat sulit meningkatkan kandungan energi internal pada tekanan konstan. energi yang kita masukkan tidak hanya meningkatkan energi internal melainkan juga untuk melakukan kerja pada waktu pemuaian terjadi. 209

210 volume tekanan energi internal Jika perubahan volume terhadap T cukup kecil suku ini bisa diabaikan sehingga 210

211 Panas Spesifik Kapasitas panas per satuan massa per derajat K dituliskan dengan huruf kecil c v dan c p Perhitungan Klasik Molekul gas ideal memiliki tiga derajat kebebasan energi kinetik rata-rata per derajat kebebasan energi kinetik rata-rata (3 dimensi): energi per mole Bilangan Avogadro Konstanta Boltzman Atom-atom padatan saling terikat energi rata-rata per derajat kebebasan cal/mole Menurut hukum Dulong-Petit (1820), c v Hampir sama untuk semua material yaitu 6 cal/mole K 211

212 Pada umumnya hukum Dulong-Petit cukup teliti untuk temperatur di atas temperatur kamar. Namun beberapa unsur memiliki panas spesifik pada temperatur kamar yang lebih rendah dari angka Dulong-Petit, misalnya Be ([He] 2s 2 ), B ([He] 2s 2 2p 1 ), C ([He] 2s 2 2p 2 ), Si ([Ne] 3s 2 3p 2 ) Unsur-unsur ini orbital terluarnya tersisi penuh atau membuat ikatan kovalen dengan unsur sesamanya. Oleh karena itu pada temperatur kamar hampir tidak terdapat elektron bebas dalam material ini. Lebih rendahnya kapasitas panas yang dimiliki material ini disebabkan oleh tidak adanya kontribusi elektron bebas dalam peningkatan energi internal. 212

213 Sebaliknya pada unsur-unsur yang sangat elektropositif seperti Na ([Ne] 3s 1 ) kapasitas panas pada temperatur tinggi melebihi prediksi Dulong-Petit karena adanya kontribusi elektron bebas dalam penyimpanan energi internal. 213

214 Perhitungan Einstein Padatan terdiri dari N atom, yang masing-masing bervibrasi (osilator) secara bebas pada arah tiga dimensi, dengan frekuensi f E Frekuensi osilator Konstanta Planck bilangan kuantum, n = 0, 1, 2,.... Jika jumlah osilator tiap status energi adalah N n dan N 0 adalah jumlah asilator pada status 0, maka menuruti fungsi Boltzmann Jumlah energi per status: total energi dalam padatan: sehingga energi rata-rata osilator 214

215 energi rata-rata osilator misalkan Karena turunan dari penyebut, maka dapat ditulis Dengan N atom yang masing-masing merupakan osilator bebas yang berosilasi tiga dimensi, maka didapatkan total energi internal 215

216 Panas spesifik adalah f E : frekuensi Einstein ditentukan dengan cara mencocokkan kurva dengan data-data eksperimental. Hasil yang diperoleh adalah bahwa pada temperatur rendah kurva Einstein menuju nol jauh lebih cepat dari data eksperimen Ketidak cocokan ini dijelaskan oleh Debye 216

217 Perhitungan Debye Menurut Debye, penyimpangan hasil perhitungan Einstein disebabkan oleh asumsi yang diambil Einstein bahwa atom-atom bervibrasi secara bebas dengan frekuensi sama, f E Analisis yang perlu dilakukan adalah menentukan spektrum frekuensi g(f) dimana g(f)df didefinisikan sebagai jumlah frekuensi yang diizinkan yang terletak antara f dan (f + df) Debye melakukan penyederhanaan perhitungan dengan menganggap padatan sebagai medium merata yang bervibrasi dan mengambil pendekatan pada vibrasi atom sebagai spectrum-gelombang-berdiri sepanjang kristal kecepatan rambat suara dalam padatan Debye memandang padatan sebagai kumpulan phonon karena perambatan suara dalam padatan merupakan gejala gelombang elastis 217

218 Frekuensi yang ada tidak akan melebihi 3N (N adalah jumlah atom yang bervibrasi tiga dimensi). Panjang gelombang minimum adalah tidak lebih kecil dari jarak antar atom dalam kristal Energi internal untuk satu mole volume kristal  D didefinisikan sebagai temperatur Debye Postulat Debye: 218

219 Dengan pengertian temperatur Debye, didefinisikan fungsi Debye Fungsi Debye tidak dapat diintegrasi secara analitis, namun dapat dicari nilai-nilai limitnya jika Pada temperatur tinggi c v mendekati nilai yang diperoleh Einstein Pada temperatur rendah 219

220 Kontribusi Elektron Hanya elektron di sekitar energi Fermi yang terpengaruh oleh kenaikan temperatur dan elektron-elektron inilah yang bisa berkontribusi pada panas spesifik Pada temperatur tinggi, elektron menerima energi thermal sekitar k B T dan berpindah pada tingkat energi yang lebih tinggi jika tingkat energi yang lebih tinggi kosong T > 0 T = 0 F(E)F(E) 0 E 1 kBTkBT 0 EFEF pada kebanyakan metal sekitar 5 eV pada temperatur kamar k B T sekitar 0,025 eV kurang dari 1% elektron valensi yang dapat berkontribusi pada panas spesifik kontribusi elektron dalam panas spesifik adalah 220

221 Panas Spesifik Total Untuk temperatur rendah, dapat dituliskan atau T 2 ′′ slope = A cv/Tcv/T 221

222 Panas Spesifik Pada Tekanan Konstan, c p Hubungan antara c p dan c v diberikan dalam thermodinamika volume molar koefisien muai volume kompresibilitas Faktor-Faktor Lain Yang Turut Berperan Pemasukan panas pada padatan tertentu dikuti proses-proses lain, misalnya: perubahan susunan molekul dalam alloy, pengacakan spin elektron dalam material magnetik, perubahan distribusi elektron dalam material superkonduktor, Proses-proses ini akan meningkatkan panas spesifik material yang bersangkutan 222

223 Pada tekanan konstan Dengan menggunakan model Debye  : konstanta Gruneisen  : kompresibilitas 223 Pemuaian

224 c p, α L, γ, untuk beberapa material.[6]. Materialc p (300 K) cal/g K α L (300 K) 1/K  10 6 γ (konst. Gruneisen) Al0,2224,12,17 Cu0,09217,61,96 Au0,03113,83,03 Fe0.1110,81,60 Pb0,3228,02,73 Ni0,1313,31.88 Pt0,0318,82,54 Ag0,05619,52,40 W0,0343,951,62 Sn0,5423,52,14 Tl0,0366,71,75 224

225 Konduktivitas Panas Jika q adalah jumlah kalori yang melewati satu satuan luas (A) per satuan waktu ke arah x maka Konduktivitas Panas aliran panas berjalan dari temperatur tinggi ke temperatur rendah Pada temperatur kamar, metal memiliki konduktivitas thermal yang baik dan konduktivitas listrik yang baik pula karena elektron-bebas berperan dalam berlangsungnya transfer panas Pada material dengan ikatan ion ataupun ikatan kovalen, di mana elektron kurang dapat bergerak bebas, transfer panas berlangsung melalui phonon Dalam polimer perpindahan panas terjadi melalui rotasi, vibrasi, dan translasi molekul 225

226 σ T untuk beberapa material pada 300 K.[6]. Materialσ T cal/(cm sec K) L=σ T /σ e T (volt/K) 2  10 8 Al0,532,2 Cu0,942,23 Fe0,192,47 Ag1,002,31 C (Intan)1,5- Ge0,14- Lorentz number 226

227 Konduktivitas Panas Oleh Elektron pengertian klasikgas ideal Jika L adalah jalan bebas rata-rata elektron, maka transmisi energi per elektron adalah Jumlah energi yang ter-transfer ke arah x kerapatan elektron kecepatan rata-rata Energi thermal yang ditransfer melalui dua bidang paralel tegak-lurus arah x dengan jarak  x pada perbedaan temperatur  T adalah 227

228 Rasio Wiedemann-Franz Rasio ini adalah rasio antara konduktivitas thermal dan konduktivitas listrik listrik Lorentz number hampir sama untuk kebanyakan metal 228

229 Isolator thermal yang baik adalah material yang porous. Rendahnya konduktivitas thermal disebabkan oleh rendahnya konduktivitas udara yang terjebak dalam pori-pori Isolator Panas Namun penggunaan pada temperatur tinggi yang berkelanjutan cenderung terjadi pemadatan yang mengurangi kualitasnya sebagai isolator thermal Material polimer yang porous bisa mendekati kualitas ruang hampa pada temperatur sangat rendah; gas dalam pori yang membeku menyisakan ruang-ruang hampa yang bertindak sebagai isolator 229

230 Pengertian Dasar Thermodinamika 230 Thermodinamika merupakan cabang ilmu pengetahuan yang mencakup permasalahan transfer energi dalam skala makroskopis Thermodinamika tidak membahas hal-hal mikroskopis (seperti atom, molekul) melainkan membahas besaran-besaran makroskopis yang secara langsung dapat diukur, seperti tekanan, volume, temperatur

231 mampu mengisolasi sistem ataupun memberikan suatu cara interaksi tertentu antara sistem dan lingkungannya Sistem adalah obyek atau kawasan yang menjadi perhatian kita Kawasan di luar sistem disebut lingkungan mungkin berupa sejumlah materi atau suatu daerah yang kita bayangkan dibatasi oleh suatu bidang batas lingkungan sistem lingkungan bidang batas bidang yang membatasi sistem terhadap lingkungannya. Sistem 231

232 Dengan adanya bidang batas antara sistem dan lingkungannya, beberapa kemungkinan bisa terjadi tidak ada transfer energi tidak ada transfer materi sistem sistem terisolasi ada transfer energi tidak ada transfer materi massa sistem tidak berubah sistem sistem tertutup energi ada transfer materi massa sistem berubah sistem terbuka sistem energi materi 232

233 Perubahan dalam sistem terisolasi tidak dapat terus berlangsung tanpa batas tidak dapat dipengaruhi oleh lingkungannya sistem sistem terisolasi Perubahan-perubahan dalam sistem mungkin saja terjadi perubahan temperatur perubahan tekanan Suatu saat akan tercapai kondisi keseimbangan internal yaitu kondisi di mana perubahan-perubahan dalam sistem sudah tidak lagi terjadi 233

234 menuju ke keseimbangan internal keseimbangan eksternal perubahan dalam sistem dibarengi dengan perubahan di lingkungannya. Apabila keseimbangan telah tercapai, tidak lagi terjadi perubahan- perubahan di dalam sistem dan juga tidak lagi terjadi transfer apapun antara sistem dengan lingkungannya sistem dapat berinteraksi dengan lingkungannya sistem sistem tertutup energi 234

235 Status thermodinamik sistem merupakan spesifikasi lengkap susunan dan sifat fisis suatu sistem. Tidak semua peubah thermodinamik harus diukur guna menentukan sifat sistem. Sifat sistem ditentukan oleh satu set tertentu peubah-peubah thermodinamik. sudah dapat menentukan status sistem, walaupun jumlah itu hanya sebagian dari seluruh besaran fisis yang menentukan status. sistem Apabila jumlah tertentu besaran fisis yang diukur dapat digunakan untuk menentukan besaran-besaran fisis yang lain maka jumlah pengukuran tersebut dikatakan sudah lengkap. 235

236 Jadi eksistensi sistem ditentukan oleh status- nya, sedangkan jumlah peubah yang perlu diukur agar status sistem dapat ditentukan tergantung dari sistem itu sendiri. Pengukuran atau set pengukuran peubah yang menentukan status tersebut, harus dilakukan dalam kondisi keseimbangan Keseimbangan sistem tercapai apabila semua peubah yang menetukan sifat sistem tidak lagi berubah. sistem 236

237 Energi Internal Sistem Energi internal, E, adalah sejumlah energi yang merupakan besaran intrinsik suatu sistem yang berada dalam keseimbangan thermodinamis Energi internal merupakan fungsi status Perubahan nilai suatu fungsi status hanya tergantung dari nilai awal dan nilai akhir dan tidak tergantung dari alur perubahan dari status awal menuju status akhir energi kinetik energi potensial terkait gerak obyek terkait dengan posisi atau kondisi obyek energi eksternal 237 Energi dapat dikonversi timbal balik

238 Panas Panas adalah salah satu bentuk energi Panas bukanlah besaran intrinsik sistem. Ia bisa masuk ke sistem dan juga bisa keluar dari sistem. Pada sistem tertutup, panas dapat menembus bidang batas bila antara sistem dan lingkungannya terdapat gradien temperatur. sistem Sejumlah panas dapat ditransfer dari lingkungan ke sistem Sejumlah panas dapat ditransfer dari sistem ke lingkungan q diberi tanda positif jika ia masuk ke sistem q diberi tanda negatif jika ia keluar dari sistem 238

239 Kerja Kerja adalah bentuk energi yang ditranfer antara sistem dengan lingkungannya karena ada interaksi gaya antara sistem dan lingkungannya. sistem Kerja, dengan simbol w, juga bukan besaran intrinsik sistem; bisa masuk ataupun keluar dari sistem w diberi tanda positif jika ia masuk ke sistem w diberi tanda negatif jika ia keluar dari sistem 239

240 Hukum Thermodinamika Pertama atau Hukum Kekekalan Energi Perubahan neto dari energi internal adalah nol sebab jika tidak, akan menyalahi prinsip konservasi energi. sistem sistem terisolasi Jika status sistem berubah melalui alur (cara) perubahan tertentu, maka energi internal sistem ini berubah. E status A B dan jika sistem kembali pada status semula melalui alur perubahan yang berbeda energi internal akan kembali pada nilai awalnya 240 Konservasi Energi Energi total sistem dan lingkungannya adalah terkonservasi Energi tidak dapat hilang begitu saja ataupun diperoleh dari sesuatu yang tidak ada; namun energi dapat terkonversi dari satu bentuk ke bentuk yang lain

241 Perubahan energi internal, yang mengikuti terjadinya perubahan status sistem, tidak tergantung dari alur perubahan status tetapi hanya tergantung dari status awal dan status akhir Setiap besaran yang merupakan fungsi bernilai tunggal dari status thermodinamik adalah fungsi status. Perubahan nilai hanya tergantung dari nilai awal dan nilai akhir 241

242 Apabila hanya tekanan atmosfer yang bekerja pada sistem, maka jika energi panas sebesar dq masuk ke sistem, energi internal sistem berubah sebesar tekanan atmosfer  konstan perubahan volume sistem  kerja pada lingkungan PdV Membuat P konstan tidak sulit dilakukan namun membuat V konstan sangat sulit enthalpi P dan V adalah peubah thermodinamik yang menentukan status sistem, sedangkan E adalah fungsi status, maka H juga fungsi bernilai tunggal dari status H juga fungsi status Maka dimunculkan peubah baru, yang sudah memperhitungkan V, yang disebut enthalpi 242 Enthalpi

243 Contoh: Perubahan Enthalpi Pada Reaksi Kimia Jika H akhir > H awal maka  H > 0  Terjadi transfer energi ke sistem  penambahan enthalpi pada sistem  proses endothermis Jika H akhir < H awal maka  H < 0  Terjadi transfer energi ke lingkungan  enthalpi sistem berkurang  proses eksothermis Dalam reaksi kimia,  reagen (reactant) merupakan status awal sistem  hasil reaksi merupakan status akhir sistem 243

244 Hukum Hess Apabila suatu reaksi kimia merupakan jumlah dua atau lebih reaksi, maka perubahan enthalpi total untuk seluruh proses merupakan jumlah dari perubahan enthalpi reaksi-reaksi pendukungnya. Hukum Hess merupakan konsekuensi dari hukum kekekalan energi. Hukum Hess terjadi karena perubahan enthalpi untuk suatu reaksi adalah fungsi status, suatu besaran yang nilainya ditentukan oleh status sistem. Perubahan enthalpi yang terjadi baik pada proses fisika maupun proses kimia tidak tergantung pada alur proses dari status awal ke status akhir Perubahan enthalpi hanya tergantung pada enthalpi pada status awal dan pada status akhir. 244

245 Proses Reversible Jika suatu sistem bergeser dari status keseimbangannya, sistem ini menjalani suatu proses dan selama proses berlangsung sifat-sifat sistem berubah sampai tercapai keseimbangan status yang baru. Proses reversible merupakan suatu proses perubahan yang bebas dari desipasi (rugi) energi dan dapat ditelusur balik dengan tepat. Sulit ditemui suatu proses yang reversible namun jika proses berlangsung sedemikian rupa sehingga pergeseran keseimbangan sangat kecil maka proses ini dapat dianggap sebagai proses yang reversible Proses reversible dianggap dapat berlangsung dalam arah yang berlawanan mengikuti alur proses yang semula diikuti. Proses irreversible (tidak reversible) merupakan proses yang dalam perjalanannya mengalami rugi (desipasi) energi sehingga tidak mungkin ditelusur balik secara tepat. Proses Irreversible 245

246 Teorema Clausius Dalam proses reversible Dalam proses irreversible Proses reversible merupakan proses yang paling efisien, tanpa rugi (desipasi) energi Proses irreversible memiliki efisiensi lebih rendah 246

247 Proses reversible Integral tertutup ini menyatakan bahwa proses berlangsung dalam satu siklus Untuk proses reversible yang berjalan tidak penuh satu siklus, melainkan berjalan dari status A ke status B dapat dituliskan q rev adalah panas yang masuk ke sistem pada proses reversible. Karena masuknya energi panas menyebabkan enthalpi sistem meningkat sedangkan enthalpi merupakan fungsi status maka S adalah peubah status yang disebut entropi juga merupakan fungsi status 247 Entropi

248 Proses reversible adalah yang paling efisien Tak ada rugi energi Ada rugi energi Proses yang umum terjadi adalaqh proses irreversible Panas dq yang kita berikan ke sistem pada umumnya adalah dq irrev Dengan pemberian panas, entropi sistem berubah sebesar dS sistem dan sesuai dengan definisinya maka tanpa mempedulikan apakah proses yang terjadi reversible atau irreversible 248

249 Dalam sistem tertutup, jika dq cukup kecil maka pergeseran status yang terjadi di lingkungan akan kembali ke status semula. Dengan mengabaikan perubahan-perubahan kecil lain yang mungkin juga terjadi, proses di lingkungan dapat dianggap reversible. Perubahan entropi lingkungan menjadi Perubahan entropi neto yang akan bernilai positif jika proses yang terjadi adalah proses irreversible karena dalam proses irreversible dq < dq rev Proses reversible hanya akan terjadi jika dS neto = 0 249

250 Karena proses spontan adalah proses irreversible di mana dS neto > 0 maka dalam proses spontan total entropi selalu bertambah. Suatu proses spontan adalah proses yang terjadi secara alamiah. Proses ini merupakan proses irreversible, karena jika tidak proses spontan tidak akan terjadi. Kita ingat bahwa proses reversible adalah proses yang hampir tidak bergeser dari keseimbangannya atau dengan kata lain tidak ada perubahan yang cukup bisa diamati. Oleh karena itu proses spontan tidak mungkin reversible atau selalu irreversible. Ini adalah pernyataan Hukum Thermodinamika Kedua 250 Hukum Thermodinamika Kedua

251 Atas usulan Planck, Nernst pada 1906 menyatakan bahwa pada temperatur 0 K entropi dari semua sistem harus sama. Konstanta universal ini di-set sama dengan nol sehingga Persamaan ini biasa disebut sebagai Hukum Thermodinamika Ke-tiga Persamaan ini memungkinkan dilakukannya perhitungan nilai absolut entropi dari suatu sistem dengan membuat batas bawah integrasi adalah 0 K. maka entropi S pada temperatur T dari suatu sistem adalah Dengan mengingat relasi dq = C P dT, kapasitas panas pada tekanan konstan 251 Hukum Thermodinamika Ke-tiga

252 Reaksi spontan disebut juga product-favored reaction Reaksi nonspontan disebut juga reactant-favored reaction Pada umumnya, reaksi eksothermis yang terjadi pada temperatur kamar adalah reaksi spontan. Energi potensial yang tersimpan dalam sejumlah (relatif) kecil atom / molekul reagen menyebar ke sejumlah (relatif) besar atom / molekul hasil reaksi dan atom / molekul lingkungannya. Penyebaran energi lebih mungkin terjadi daripada pemusatan (konsentrasi) energi. Proses reaksi dari beberapa reagen menghasilkan hasil reaksi. Jika C dominan terhadap A+B dalam waktu yang tidak lama, maka reaksi tersebut disebut reaksi spontan Apabila A+B tetap dominan terhadap C dalam waktu yang lama, maka disebut reaksi nonspontan diperlukan upaya tertentu agar diperoleh C yang dominan 252

253 Di samping energi, materi yang sangat terkonsentrasi juga cenderung untuk menyebar 1). melalui penyebaran energi ke sejumlah partikel yang lebih besar; 2). melalui penyebaran partikel sehingga susunan partikel menjadi lebih acak. Dengan dua cara tersebut ada empat kemungkinan proses yang bisa terjadi Dengan demikian ada dua cara untuk suatu sistem menuju kepada status yang lebih mungkin terjadi, yaitu 253

254 a). Jika reaksi adalah eksothermis dan susunan materi menjadi lebih acak, maka reaksi ini merupakan reaksi spontan pada semua temperatur. Karena reaksi spontan merupakan proses irreversible di mana terjadi kenaikan entropi maka kenaikan entropi menjadi pula ukuran/indikator penyebaran partikel b). Jika reaksi adalah eksothermis tetapi susunan materi menjadi lebih teratur, maka reaksi ini cenderung merupakan reaksi spontan pada suhu kamar akan tetapi menjadi reaksi nonspontan pada temperatur tinggi. Hal ini berarti bahwa penyebaran energi dalam proses terjadinya reaksi kimia lebih berperan dibandingkan dengan penyebaran partikel c). Jika reaksi adalah endothermis dan susunan materi menjadi lebih acak, maka reaksi ini cenderung merupakan reaksi nonspontan pada temperatur kamar tetapi cenderung menjadi spontan pada temperatur tinggi. d). Jika reaksi adalah endothermis dan susunan materi menjadi lebih teratur, maka tidak terjadi penyebaran energi maupun penyebaran partikel yang berarti proses reaksi cenderung nonspontan pada semua temperatur. 254

255 Kapasitas Panas dan Nilai Absolut Entropi Konstanta Untuk Menetukan Kapasitas Panas Padatan cal/mole/K [12]. MaterialabRentang Temperatur K Ag5,092,04298 – titik leleh AgBr7,9315,40298 – titik leleh AgCl14,881,00298 – titik leleh SiO 2 11,228,20298 – 848 Entropi Absolut Pada Kondisi Standar cal/mole derajat [12] MaterialS S Ag10.20 ± 0,05Fe6,49 ± 0,03 Al6,77 ± 0,05Ge10,1 ± 0,2 Au11,32 ± 0,05Grafit1,361 ± 0,005 Intan0,583 ± 0,005Si4,5 ± 0,05 255

256 Kelvin memformulasikan bahwa pada umumnya alam tidak memperkenankan panas dikonversikan menjadi kerja tanpa disertai oleh perubahan besaran yang lain. Kalau formulasi Kelvin ini kita bandingkan dengan pernyataan Hukum Thermodinamika Ke-dua, maka besaran lain yang berubah yang menyertai konversi panas menjadi kerja adalah perubahan entropi. Perubahan neto entropi, yang selalu meningkat dalam suatu proses, merupakan energi yang tidak dapat diubah menjadi kerja, atau biasa disebut energi yang tak dapat diperoleh (unavailable energy). 256 Energi Bebas (free energies)

257 Sesuai Hukum Thermodinamika Pertama, jika kita masukkan energi panas ke dalam sistem dengan maksud untuk mengekstraknya menjadi kerja maka yang bisa kita peroleh dalam bentuk kerja adalah energi yang masuk ke sistem dikurangi energi yang tak bisa diperoleh, yang terkait dengan entropi. entropi temperatur Energi yang bisa diperoleh disebut energi bebas yang diformulasikan oleh Helmholtz sebagai Hemholtz Free Energy Karena mengubah energi menjadi kerja adalah proses irreversible, sedangkan dalam proses irreversible entropi selalu meningkat, maka energi yang tak dapat diperoleh adalah TS 257

258 Hemholtz Free Energy Jika temperatur konstan dan tidak ada kerja yang dilakukan oleh sistem pada lingkungan maupun dari lingkungan pada sistem, maka Karena Jadi pada proses isothermal di mana tidak ada kerja, energi bebas Helmholtz menurun dalam semua proses alamiah dan mencapai nilai minimum setelah mencapai keseimbangan 258

259 Gibbs mengajukan formulasi energi bebas, yang selanjutnya disebut energi bebas Gibbs (Gibbs Free Energy), G, dengan memanfaatkan definisi enthalpi tekanan atmosfer Jika tekanan dan temperatur konstan (yang tidak terlalu sulit untuk dilakukan), maka Pada proses irreversible Jadi jika temperatur dan tekanan dibuat konstan, energi bebas Gibb mencapai minimum pada kondisi keseimbangan Gibbs Free Energy 259

260 260

261 Fasa adalah daerah materi dari suatu sistem yang secara fisis dapat dibedakan dari daerah materi yang lain dalam sistem tersebut Fasa memiliki struktur atom dan sifat-sifat sendiri Antara fasa dengan fasa dapat dipisahkan secara mekanis Kita mengenal sistem satu-fasa & sistem multi-fasa Dalam keseimbangan, setiap fasa adalah homogen Kita mengenal sistem komponen-tunggal & sistem multi-komponen. Fasa Homogenitas Komponen Sistem Komponen sistem adalah unsur atau senyawa yang membentuk satu sistem. 261 Pengertian-Pengertian

262 Diagram keseimbangan merupakan diagram di mana kita bisa membaca fasa-fasa apa saja yang hadir dalam keseimbangan pada berbagai nilai peubah thermodinamik Derajat kebebasan (degree of freedom) didefinisikan sebagai jumlah peubah thermodinamik yang dapat divariasikan secara tidak saling bergantungan tanpa mengubah jumlah fasa yang berada dalam keseimbangan. Diagram Keseimbangan Derajat Kebebasan 262 Atom atau molekul dari satu komponen terakomodasi di dalam struktur komponen yang lain Larutan Padat Larutan padat bisa terjadi secara subsitusional interstisial

263 Berbagai derajat kelarutan bisa terjadi Dua komponen dapat membentuk larutan menyeluruh (saling melarutkan) jika status keseimbangan thermodinamik dari sembarang komposisi dari keduanya membentuk sistem satu fasa. Hanya larutan substitusional yang dapat mencapai keadaan ini. Derajat kelarutan 263 Agar larutan padat dapat terjadi: Perbedaan ukuran atom pelarut dan atom terlarut < 15%. Struktur kristal dari komponen terlarut sama dengan komponen pelarut. Elektron valensi zat terlarut dan zat pelarut tidak berbeda lebih dari satu. Elektronegativitas zat terlarut dan pelarut kurang-lebih sama, agar tidak terjadi senyawa sehingga larutan yang terjadi dapat berupa larutan satu fasa. Kaidah Hume-Rothery

264 Pada reaksi kimia: Jika H akhir > H awal   H > 0  penambahan enthalpi pada sistem (endothermis) Jika H akhir < H awal enthalpi sistem berkurang (eksothermis). Dalam peristiwa pelarutan terjadi hal yang mirip yaitu perubahan enthalpi bisa negatif bisa pula positif HBHB HAHA AB xBxB H larutan HBHB HAHA AB xBxB HBHB HAHA AB xBxB H larutan < sebelum pelarutan untuk semua komposisi H larutan > sebelum pelarutan untuk semua komposisi H larutan = sebelum pelarutan; ini keadaan ideal Enthalpi Larutan 264

265 Entropi dalam proses irreversible akan meningkat.  entropi larutan akan lebih tinggi dari entropi masing-masing komponen sebelum larutan terjadi, karena pelarutan merupakan proses irreversible.  jika S A adalah entropi komponen A tanpa kehadiran B, dan S B adalah entropi komponen B tanpa kehadiran A, maka S SBSB SASA AB xBxB S0S0 AB xBxB S Entropi pelarutan Sesudah  Sebelum entropi sesudah pelarutan > sebelum pelarutan Entropi Larutan 265

266 Larutan satu fasa yang stabil akan terbentuk jika dalam pelarutan itu terjadi penurunan energi bebas. HBHB HAHA AB xBxB H larutan HBHB HAHA AB xBxB GHGH AB xBxB G larutan x1x1 AB xBxB G x1x1 x2x2  ++ Larutan satu fasa Larutan multifasa antara komposisi x 1 dan x 2 Energi Bebas Larutan 266

267 Jumlah fasa yang hadir dalam keseimbangan dalam satu sistem Sistem satu-fasa (F = 1) komponen tunggal (K = 1) yang dlam keseimbangan akan memiliki 2 derajat kebebasan. Sistem dua fasa (F = 2) komponen tunggal (K = 1) yang dalam keseimbangan memiliki 1 derajat kebebasan. Sistem tiga fasa (F = 3) komponen tunggal (K = 1) yang dalam keseimbangan akan berderajat kebebasan 0 dan invarian. jumlah derajat kebebasan jumlah minimum komponen yang membentuk sistem 267 Kaidah Fasa dari Gibbs

268 Sistem Komponen Tunggal : H 2 O Karena K = 1 maka komposisi tidak menjadi peubah T P A D C B cair padat uap a b c F = 1  D = 2 Derajat Kebebasan D = 2 yaitu tekanan (P) dan temperatur (T) 268 Diagram Keseimbangan Fasa

269 T P A D C B cair padat uap a b c F = 2  D = 1 Derajat Kebebasan D = 1 yaitu tekanan : P atau temperatur : T Titik Tripel Sistem Komponen Tunggal : H 2 O F = 3  D = 0 invarian 269

270 Alotropi (allotropy) Alotropi: keberadaan satu macam zat (materi) dalam dua atau lebih bentuk yang sangat berbeda sifat fisis maupun sifat kimianya. perbedaan struktur kristal, perbedaan jumlah atom dalam molekul, perbedaan struktur molekul T oCT oC α (BCC) γ (FCC) δ (BCC) cair   atm uap A B C Besi 270

271 Kurva Pendinginan α (BCC) γ (FCC) δ (BCC) cair T oCT oC   t cair+   +   +  α (BCC) γ (FCC) δ (BCC) cair T [ o C]  cair+   +   +  temperatur konstan pada waktu terjadi peralihan 271

272 Energi Bebas FCC BCC T [ o C] G Besi 272

273 Sistem Biner Dengan Kelarutan Sempurna T AB xBxB x 1 x 2 x 3 a) TATA TBTB AB xBxB x cf x ca x 0 x pf x pa a b d c b) Karena K = 2 maka komposisi menjadi peubah Plot komposisi per komposisi Perubahan komposisi kontinyu 273

274 Sistem Biner Dengan Kelarutan Terbatas Diagram Eutectic Biner titik leleh A a b AB xBxB   TeTe ++ +L+L Cair (L) L+  c d x  1 x  e x 0 x c x e x  e xx e T T AT A T BT B titik leleh B 274

275 Sistem Biner Dengan Kelarutan Terbatas Diagram Peritectic Biner TpTp a b TTAATTAA B xBxB   + L cair (L)  + L  +   x  1 x  p x 0 x  p x lp TBTB c p titik leleh A titik leleh B 275

276 276

277 Difusi adalah peristiwa di mana terjadi tranfer materi melalui materi lain. Transfer materi ini berlangsung karena atom atau partikel selalu bergerak oleh agitasi thermal. Walaupun sesungguhnya gerak tersebut merupakan gerak acak tanpa arah tertentu, namun secara keseluruhan ada arah neto dimana entropi akan meningkat proses irreversible 277

278 Kondisi Mantap D adalah koefisien difusi, dC/dx adalah variasi konsentrasi dalam keadaan mantap di mana C0 dan Cx bernilai konstan Ini merupakan Hukum Fick Pertama xaxa x CaCa CxCx materi masuk di x a materi keluar di x xx 278 Analisis Matematis

279 Kondisi Transien Ini merupakan Hukum Fick Ke-dua Jika D tidak tergantung pada konsentrasi maka xaxa x CaCa Cx2Cx2 materi masuk di x a materi keluar di x xx C x0 =0 Cx1Cx1 t2t2 t1t1 t=0 279

280 Persamaan Arrhenius Persamaan Arrhenius adalah persamaan yang menyangkut laju reaksi Q : energi aktivasi (activation energy), R : gas (1,98 cal/mole K), T : temperatur absolut K, k : konstanta laju reaksi (tidak tergantung temperatur). Dari hasil eksperimen diketahui bahwa koefisien difusi D berbentuk sama sepert persamaan Arrhenius Koefisien Difusi 280

281 1. Difusi Volume Difusi volume (volume diffusion) adalah transfer materi menembus volume materi lain 2. Difusi Bidang Batas 3. Difusi Permukaan permukaan retakan permukaan bidang batas butiran 281 Macam Difusi

282 Efek Hartley-Kirkendal menunjukkan bahwa difusi timbal balik dalam alloy biner terdiri dari dua jenis pergerakan materi yaitu A menembus B dan B menembus A. Analisis yang dilakukan oleh Darken menunjukkan bahwa dalam proses yang demikian ini koefisien difusi terdiri dari dua komponen yang dapat dinyatakan dengan X A dan X B adalah fraksi molar dari A dan B, D A adalah koefisien difusi B menembus A, D B adalah koefisien difusi A menembus B 282 Efek Hartley-Kirkendall

283 Kekosongan posisi pada kristal hadir dalam keseimbangan thermodinamis Padatan menjadi “campuran” antara “kekosongan” dan “isian”. Sebagai gambaran, E v = cal/mole,  pada 1000K ada satu kekosongan dalam 105 posisi atom. energi yang diperlukan untuk membuat satu posisi kosong jumlah posisi kosong total seluruh posisi 283 Difusi dan Ketidaksempurnaan Kristal

284 Dalam kenyataan padatan mengandung pengotoran yang dapat melipatgandakan jumlah kekosongan,  mempermudah terjadinya difusi. Selain migrasi kekosongan, migrasi interstisial dapat terjadi apabila atom materi yang berdifusi berukuran cukup kecil dibandingkan dengan ukuran atom material yang ditembusnya 284

285 Ketidak-sempurnaan Frenkel dan Schottky tidak mengganggu kenetralan listrik, dan kristal tetap dalam keseimbangan thermodinamis. konsentrasi ketidak-sempurnaan k d = 1 untuk ion interstisial k d > 1 untuk kekosongan Ketidak-sempurnaan mana yang akan terjadi tergantung dari besar energi yang diperlukan untuk membentuk kation interstisial atau kekosongan anion. Pada kristal ionik konduktivitas listrik pada temperatur tinggi terjadi karena difusi ion dan hampir tidak ada kontribusi elektron. Oleh karena itu konduktivitas listrik sebanding dengan koefisien difusi. Frenkel Schottky konduktivitas listrik oleh konduksi ion faktor yang tergantung dari macam ketidak-sempurnaan. muatan ketidak-sempurnaan 285

286 Difusi Dalam Polimer Dan Silikat Dalam polimer, difusi terjadi dengan melibatkan gerakan molekul panjang. Migrasi atom yang berdifusi mirip seperti yang terjadi pada migrasi interstisial. Namun makin panjang molekul polimer gerakan makin sulit terjadi, dan koefisien difusi makin rendah. 286

287 287 Pada silikat, ion silikon biasanya berada pada posisi sentral tetrahedron dikelilingi oleh ion oksigen Ion positif alkali dapat menempati posisi antar tetrahedra dengan gaya coulomb yang lemah. Oleh karena itu natrium dan kalium dapat dengan mudah berdifusi menembus silikat Selain itu ruang antara pada jaringan silikat tiga dimensi memberi kemudahan pada atom-atom berukuran kecil seperti hidrogen dan helium untuk berdifusi dengan cepat.

288 Oksidasi 288

289 Reaksi reduksi : reaksi di mana oksigen dilepaskan dari suatu senyawa Unsur yang menyebabkan terjadinya reduksi disebut unsur pereduksi. Berikut ini kita akan melihat peristiwa oksidasi melalui pengertian thermodinamika. Oksidasi : reaksi kimia di mana oksigen tertambahkan pada unsur lain Unsur yang menyebabkan terjadinya oksidasi disebut unsur pengoksidasi. Reaksi redoks (redox reaction): reaksi dimana satu materi teroksidasi dan materi yang lain tereduksi. Tidak semua reaksi redoks melibatkan oksigen. Akan tetapi semua reaksi redoks melibatkan transfer elektron Reagen yang kehilangan elektron, dikatakan sebagai teroksidasi Reagen yang memperoleh elektron, dikatakan sebagai tereduksi 289

290 Kecenderungan metal untuk bereaksi dengan oksigen didorong oleh penurunan energi bebas yang mengikuti pembentukan oksidanya Energi Bebas Pembentukan Oksida pada 500K dalam Kilokalori.[12]. Kalsium-138,2Hidrogen-58,3 Magnesium-130,8Besi-55,5 Aluminium-120,7Kobalt-47,9 Titanium-101,2Nikel-46,1 Natrium-83,0Tembaga-31,5 Chrom-81,6Perak+0,6 Zink-71,3Emas+10,5 Kebanyakan unsur yang tercantum dalam tabel ini memiliki energi bebas pembentukan oksida bernilai negatif, yang berarti bahwa unsur ini dengan oksigen mudah berreaksi membentuk oksida 290 Proses Oksidasi

291 Lapisan Permukaan Metal Energi bebas untuk pembentukan oksida pada perak dan emas bernilai positif. Unsur ini tidak membentuk oksida. Namun material ini jika bersentuhan dengan udara akan terlapisi oleh oksigen; atom-atom oksigen terikat ke permukaan material ini dengan ikatan lemah van der Waals; mekanisme pelapisan ini disebut adsorbsi. Pada umumnya atom-atom di permukaan material membentuk lapisan senyawa apabila bersentuhan dengan oksigen. Senyawa dengan oksigen ini benar-benar merupakan hasil proses reaksi kimia dengan ketebalan satu atau dua molekul; pelapisan ini mungkin juga berupa lapisan oksigen satu atom yang disebut kemisorbsi (chemisorbtion). 291

292 Rasio Pilling-Bedworth Lapisan oksida di permukaan metal bisa berpori (misalnya dalam kasus natrium, kalium, magnesium) bisa pula rapat tidak berpori (misalnya dalam kasus besi, tembaga, nikel). M : berat molekul oksida (dengan rumus M a O b ), D : kerapatan oksida, a : jumlah atom metal per molekul oksida, m : atom metal, d : kerapatan metal. Jika < 1, lapisan oksida yang terbentuk akan berpori. Jika  1, lapisan oksida yang terbentuk adalah rapat, tidak berpori. Jika >> 1, lapisan oksida akan retak-retak. Muncul atau tidak munculnya pori pada lapisan oksida berkorelasi dengan perbandingan volume oksida yang terbentuk dengan volume metal yang teroksidasi. Perbandingan ini dikenal sebagai Pilling-Bedworth Ratio: 292

293 a). Jika lapisan oksida yang pertama-tama terbentuk adalah berpori, maka molekul oksigen bisa masuk melalui pori-pori tersebut dan kemudian bereaksi dengan metal di perbatasan metal-oksida. Lapisan oksida bertambah tebal. metal oksigen menembus pori-pori lapisan oksida berpori daerah terjadinya oksidasi lebih lanjut Situasi ini terjadi jika rasio volume oksida-metal kurang dari satu. Lapisan oksida ini bersifat non-protektif, tidak memberikan perlindungan pada metal yang dilapisinya terhadap proses oksidasi lebih lanjut. 293 Penebalan Lapisan Oksida

294 b). Jika lapisan oksida tidak berpori, ion metal bisa berdifusi menembus lapisan oksida menuju bidang batas oksida-udara; dan di perbatasan oksida-udara ini metal bereaksi dengan oksigen dan menambah tebal lapisan oksida yang telah ada. lapisan oksida tidak berpori daerah terjadinya oksidasi lebih lanjut metal M+eM+e Ion logam berdifusi menembus oksida Elektron bermigrasi dari metal ke permukaan oksida Proses oksidasi berlanjut di permukaan. Dalam hal ini elektron bergerak dengan arah yang sama agar pertukaran elektron dalam reaksi ini bisa terjadi. 294

295 c). Jika lapisan oksida tidak berpori, ion oksigen dapat berdifusi menuju bidang batas metal-oksida dan bereaksi dengan metal di bidang batas metal-oksida. lapisan oksida tidak berpori daerah terjadinya oksidasi lebih lanjut metal e Ion oksigen berdifusi menembus oksida Elektron bermigrasi dari metal ke permukaan oksida Elektron yang dibebaskan dari permukaan logam tetap bergerak ke arah bidang batas oksida-udara. Proses oksidasi berlanjut di perbatasan metal-oksida. d). Mekanisme lain yang mungkin terjadi adalah gabungan antara b) dan c) di mana ion metal dan elektron bergerak ke arah luar sedang ion oksigen bergerak ke arah dalam. Reaksi oksidasi bisa terjadi di dalam lapisan oksida. O2O2 295

296 Terjadinya difusi ion, baik ion metal maupun ion oksigen, memerlukan koefisien difusi yang cukup tinggi. Sementara itu gerakan elektron menembus lapisan oksida memerlukan konduktivitas listrik oksida yang cukup tinggi pula. Oleh karena itu jika lapisan oksida memiliki konduktivitas listrik rendah, laju penambahan ketebalan lapisan juga rendah karena terlalu sedikitnya elektron yang bermigrasi dari metal menuju perbatasan oksida-udara yang diperlukan untuk pertukaran elektron dalam reaksi. Jika koefisien difusi rendah, pergerakan ion metal ke arah perbatasan oksida-udara akan lebih lambat dari migrasi elektron. Penumpukan ion metal akan terjadi di bagian dalam lapisan oksida dan penumpukan ion ini akan menghalangi difusi ion metal lebih lanjut. Koefisien difusi yang rendah dan konduktivitas listrik yang rendah dapat membuat lapisan oksida bersifat protektif, menghalangi proses oksidasi lebih lanjut. 296

297 Laju Penebalan Lapisan Oksida Jika lapisan oksida berpori dan ion oksigen mudah berdifusi melalui lapisan oksida ini, maka oksidasi di permukaan metal (permukaan batas metal-oksida) akan terjadi dengan laju yang hampir konstan. Lapisan oksida ini nonprotektif. dan Jika lapisan oksida bersifat protektif, transfer ion dan elektron masih mungkin terjadi walaupun dengan lambat. Dalam keadaan demikian ini komposisi di kedua sisi permukaan oksida (yaitu permukaan batas oksida- metal dan oksida-udara) bisa dianggap konstan. Kita dapat mengaplikasikan Hukum Fick Pertama, sehingga dan Jika x : ketebalan lapisan oksida maka 297

298 Jika lapisan oksida bersifat sangat protektif dengan konduktivitas listrik yang rendah, maka A, B, dan C adalah konstan. Kondisi ini berlaku jika terjadi pemumpukan muatan (ion, elektron) yang dikenal dengan muatan ruang, yang menghalangi gerakan ion dan elektron lebih lanjut. Agar lapisan oksida menjadi protektif, beberapa hal perlu dipenuhi oleh lapisan ini. Ia tak mudah ditembus ion, sebagaimana; Ia harus melekat dengan baik ke permukaan metal; adhesivitas antara oksida dan metal ini sangat dipengaruhi oleh bentuk permukaan metal, koefisien muai panjang relatif antara oksida dan metal, laju kenaikan temperatur relatif antara oksida dan metal; temperatur sangat berpengaruh pada sifat protektif oksida. Ia harus nonvolatile, tidak mudah menguap pada temperatur kerja dan juga harus tidak reaktif dengan lingkungannya. 298

299 Oksidasi Selektif Oksidasi selektif terjadi pada larutan biner metal di mana salah satu metal lebih mudah teroksidasi dari yang lain. Peristiwa ini terjadi jika salah satu komponen memiliki energi bebas jauh lebih negatif dibanding dengan komponen yang lain dalam pembentukan oksida. Kehadiran chrom dalam alloy misalnya, memberikan ketahanan lebih baik terhadap terjadinya oksidasi. Oksidasi Internal. Dalam alloy berbahan dasar tembaga dengan kandungan alluminium bisa terjadi oksidasi internal dan terbentuk Al 2 O 3 dalam matriksnya. Penyebaran oksida yang terbentuk itu membuat material ini menjadi keras. Oksidasi Intergranular. Dalam beberapa alloy oksidasi selektif di bidang batas antar butiran terjadi jauh sebelum butiran itu sendiri teroksidasi. Peristiwa in membuat berkurangnya luas penampang metal yang menyebabkan penurunan kekuatannya. Oksidasi selektif bisa memberi manfaat bisa pula merugikan. 299

300 300

301 Korosi Karena Perbedaan Metal Elektroda hubungan listrik katoda anoda elektrolit M1M1 M2M2 Peristiwa korosi ini merupakan peristiwa elektro-kimia, karena ia terjadi jika dua metal berbeda yang saling kontak secara listrik berada dalam lingkungan elektrolit perbedaan  G yang terjadi apabila kedua metal terionisasi dan melarutkan ion dari permukaan masing-masing ke elektrolit dalam jumlah yang ekivalen Jika  G < 0  M 1  elektron  mereduksi ion M 2  M 1 mengalami korosi Beda tegangan muncul antara M 1 dan M 2 301

302 dapat dipandang sebagai dua kali setengah-reaksi dengan masing-masing setengah-reaksi adalah Reaksi dengan 1 mole metal mentransfer 1 mole elektron  coulomb Angka ini disebut konstanta Faraday, dan diberi simbol F. perubahan G adalah negatif jika tegangan V positif perubahan energi bebas tegangan antara M1 dan M2 (dalam volt) 302

303 Dengan pandangan setengah reaksi, tegangan antara anoda M 1 dan katoda M 2 dapat dinyatakan sebagai jumlah dari potensial setengah reaksi. Potensial setengah reaksi membentuk deret yang disebut deret emf (electromotive force series). Deret emf Deret emf pada 25 o C, volt. [12]. Reaksi ElektrodaPotensial Elektroda Na  Na + + e  + 2,172 Mg  Mg e  + 2,34 Al  Al e  + 1,67 Zn  Zn e  + 0,672 Cr  Cr e  + 0,71 Fe  Fe e  + 0,440 Ni  Ni e  + 0,250 Sn  Sn e  + 0,136 Pb  Pb e  + 0,126 H 2  2H + + 2e  0,000 Cu  Cu e   0,345 Cu  Cu + + e   0,522 Ag  Ag + + e   0,800 Pt  Pt e   1,2 Au  Au e   1,42 Au  Au + + e   1,68 basis 303

304 Korosi Karena Perbedaan Konsentrasi Ion Dalam Elektrolit dua metal sama tercelup dalam elektrolit dengan konsentrasi berbeda G per mole tergantung dari konsentrasi larutan. Anoda melepaskan ion dari permukaannya ke elektrolit dan memberikan elektron mereduksi ion pada katoda membran katoda anoda Fe Fe +2 membran untuk memisahkan elektrolit di mana anoda tercelup dengan elektrolit di mana katoda tercelup agar perbedaan konsentrasi dapat dibuat 304

305 Dalam praktik, tidak harus ada membran Perbedaan kecepatan aliran fluida pada suatu permukaan metal dapat menyebabkan terjadinya perbedaan konsentrasi ion pada permukaan metal tersebut Kecepatan fluida di bagian tengah cakram lebih rendah dari bagian pinggirnya Konsentrasi ion di bagian tengah lebih tinggi dibandingkan dengan bagian pinggir Bagian pinggir akan menjadi anoda dan mengalami korosi cakram logam berputar fluida Contoh 305

306 Korosi Karena Perbedaan Kandungan Gas Dalam Elektrolit Apabila ion yang tersedia untuk proses sangat minim, kelanjutan proses yang terjadi tergantung dari keasaman elektrolit H hasil reduksi menempel dan melapisi permukaan katoda; terjadilah polarisasi pada katoda. Polarisasi menghambat proses selanjutnya dan menurunkan V. Namun pada umumnya atom hidrogen membentuk molekul gas hidrogen dan terjadi depolarisasi katoda. Elektrolit bersifat asam ion hidrogen pada katoda akan ter-reduksi terjadi reaksi  konsentrasi oksigen menurun  konsentrasi ion OH  di permukaan katoda meningkat  terjadi polarisasi katoda  transfer elektron dari anoda ke katoda menurun dan V juga menurun Elektrolit bersifat basa atau netral OH  terbentuk dari oksigen yang terlarut dan air Depolarisasi katoda dapat terjadi jika kandungan oksigen di sekitar katoda bertambah melalui penambahan oksigen dari luar membran katoda anoda Fe O2O2 O2O2 306

307 Dalam praktik, perbedaan kandungan oksigen ini terjadi misalnya pada fluida dalam tangki metal Permukaan fluida bersentuhan langsung dengan udara sehingga terjadi difusi gas melalui permukaan fluida. Kandungan oksigen di daerah permukaan menjadi lebih tinggi dari daerah yang lebih jauh dari permukaan Dinding metal di daerah permukaan fluida akan menjadi katoda sedangkan yang lebih jauh akan menjadi anoda Breather valve 307

308 Korosi Karena Perbedaan Stress Yang mendorong terjadinya korosi adalah perubahan energi bebas Apabila pada suhu kamar terjadi deformasi pada sebatang logam (di daerah plastis), bagian yang mengalami deformasi akan memiliki energi bebas lebih tinggi dari bagian yang tidak mengalami deformasi. Bagian metal di mana terjadi konsentrasi stress akan menjadi anoda dan bagian yang tidak mengalami stress menjadi katoda. 308

309 Kondisi Permukaan Elektroda Proses korosi melibatkan aliran elektron, atau arus listrik. Jika permukaan katoda lebih kecil dari anoda, maka kerapatan arus listrik di katoda akan lebih besar dari kerapatan arus di anoda. Keadaan ini menyebabkan polarisasi katoda lebih cepat terjadi dan menghentikan aliran elektron; proses korosi akan terhenti. Jika permukaan anoda lebih kecil dari katoda, kerapatan arus di permukaan katoda lebih kecil dari kerapatan arus di anoda. Polarisasi katoda akan lebih lambat dan korosi akan lebih cepat terjadi. Terbentuknya oksida yang bersifat protektif akan melindungi metal terhadap proses oksidasi lebih lanjut. Lapisan oksida ini juga dapat melindungi metal terhadap terjadinya korosi. Ketahanan terhadap korosi karena adanya perlindungan oleh oksida disebut pasivasi. Pasivasi ini terjadi karena anoda terlindung oleh lapisan permukaan yang memisahkannya dari elektrolit. Namun apabila lingkungan merupakan pereduksi, lapisan pelindung dapat tereduksi dan metal tidak lagi terlindungi. 309

310 310 Tentang Karbon dan Ikatan Karbon dan Senyawa Hidrokarbon tidak ditayangkan di sini namun dapat dibaca dalam Buku Mengenal Sifat Material

311 Kuliah Terbuka Mengenal Sifat Material Sudaryatno Sudirham 311


Download ppt "Megenal Sifat Material 1 Sudaryatno Sudirham. 2 •Pendahuluan: Perkembangan Konsep Atom •Elektron Sebagai Partikel dan Sebagai Gelombang •Persamaan Gelombang."

Presentasi serupa


Iklan oleh Google