Presentasi sedang didownload. Silahkan tunggu

Presentasi sedang didownload. Silahkan tunggu

Mengenal Sifat Material #1 Sudaryatno Sudirham Klik untuk melanjutkan.

Presentasi serupa


Presentasi berjudul: "Mengenal Sifat Material #1 Sudaryatno Sudirham Klik untuk melanjutkan."— Transcript presentasi:

1 Mengenal Sifat Material #1 Sudaryatno Sudirham Klik untuk melanjutkan

2 Bahan Kuliah Terbuka dalam format pdf tersedia di dalam format pps beranimasi tersedia di

3 Paparan Teori ada di Buku-e dalam format pdf tersedia di dan

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

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 (-)

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

8 Model Atom Bohr

9 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.

10 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

11 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

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

13 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

14 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

15

16 Gelombang Tunggal bilangan gelombang Kecepatan rambat gelombang dicari dengan melihat perubahan posisi amplitudo Kecepatan ini disebut kecepatan fasa

17 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

18 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

19 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

20 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

21 Panjang gelombang de Broglie, Momentum, Kecepatan Panjang gelombang konstanta Planck momentum elektron Einstein : energi photon Momentum Kecepatan de Broglie: energi elektron

22 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/.

23

24 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

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

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

27 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

28 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

29 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.

30

31 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

32 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 = 

33 **  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

34 Pengaruh lebar sumur pada tingkat-tingkat energi 0 L 0 L’ n = 3 n = 2 n = 1 V V’ Makin lebar sumur potensial, makin kecil perbedaan antara tingkat-tingkat energi

35 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

36 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

37

38 Persamaan Schrödinger dalam Koordinat Bola

39 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

40 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:

41 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.

42 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

43 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

44 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

45 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:

46 l disebut bilangan kuantum momentum sudut, atau bilangan kuantum azimuthal m l adalah bilangan kuantum magnetik bilangan kuantum l simbolspdfgh degenerasi

47 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

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

49 Orbital inti atom 1s 2s

50 H: 1s 1 ; He: 1s 2 Li: 1s 2 2s 1 ; Be: 1s 2 2s 2 ; B: 1s 2 2s 2 2p 1 ; 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 Penulisan konfigurasi elektron unsur-unsur

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

52 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.

53 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)

54 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

55 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:

56 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]

57 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

58 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).

59

60 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 :

61 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]

62 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

63 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

64 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

65 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

66 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 :

67 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.

68 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

69 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.

70 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

71 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.

72 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

73 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,

74 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).

75 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

76 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

77 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]

78 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

79 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

80 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.

81

82 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

83 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.

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

85 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.

86 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]

87 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]

88 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)

89 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)

90 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.

91 Contoh struktur kristal ionik Anion Kation tetrahedron oktahedron

92 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

93 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.

94 Jika molekul membentuk rantaian panjang dengan penampang melintang yang mendekati simetris, mereka biasanya mengkristal dalam kisi-kisi berbentuk orthorhombic atau monoclinic. Molekul polyethylene dilihat dari depan

95 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 komplekspun masih mungkin memiliki struktur yang simetris dan dapat mengkristal seperti halnya cellulose.

96 Ketidaksempurnaan Pada Kristal

97 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

98 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)

99 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

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

101

102 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:

103 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.

104 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

105 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

106 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.

107 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.

108 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

109 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.

110 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

111 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.

112 Struktur Padatan Dalam Skala yang Lebih Besar

113 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.

114 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).

115

116 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

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

118 Makin tinggi nomer atom, atom akan makin kompleks, tingkat energi yang terisi makin banyak.

119 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]

120 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

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

122 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;

123 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 ).

124 051015Å  10  20  30 0 E [ eV ] sodium 2p2p R 0 = 3,67 Å 3s3s 3p3p 4s4s 3d3d [6]

125 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.

126 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.

127 Konduktor Isolator Semikonduktor

128 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.

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

130 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

131 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

132 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

133 Bahan Kuliah Terbuka Mengenal Sifat Material #1 Sudaryatno Sudirham


Download ppt "Mengenal Sifat Material #1 Sudaryatno Sudirham Klik untuk melanjutkan."

Presentasi serupa


Iklan oleh Google