Modul 1 STRUKTUR dan PENGIKATAN ATOM 1.1 Ruang lingkup ilmu material Dalam kehidupan sehar-hari khususnya dibidang rekayasa kita sering dihadapkan kepada kebutuhan akan material yang memiliki sifat-sifat tertentu seperti kekerasan, kekuatan, kegetasan, respon terhadap magnet, keausan dan lain lain. Rekayasawan dituntut untuk mendesain, mensintesis dan mengembangkan material baru, menganalisis kegagalan, dan puncaknya membuat material dengan bangun, bentuk, dan sifat-sifat yang diinginkan dengan harga terjangkau. Dalam aplikasi sektor utama adalah mewakili logam, keramik dan polimer. Semua material ini dapat diproduksi dalam bentuk non-kristalin, sehingga ditampilkan sebuah rongga mirip gelas. Penggabungan dua atau lebih material yang sifatnya sangat berbeda, sebuah penemuan yang sudah berusia ratusan tahun, menghasilkan material-material komposit yang penting: polimer penguatan serat-karbon (CFRP, ceramic fiber reinforced polymer) dan komposit adalah mutahir. Ajektiva-ajektiva yang menerangkan perilaku makroskopik material tentunya memainkan peranan yang sangat penting dalam setiap bahasa. Kita menulis dan menyebut material sebagai keras, kuat, getas, tahan aus, mampu tempa, magnetik dan lain-lain. Meskipun terkesan sederhana, istilah-istilah seperti ini memiliki kedalaman kompleksitas ketika dihadapkan penelitian ilmiah, khususnya ketika kita berusaha mengkaitkan suatu sifat tertentu dengan struktur internal material. Sifat-sifat material sangat berkaitan dengan entitas struktural terkecil dalam material dan keadaan- keadaan elektronik yang menyertainya. 1.2 Atom bebas 1.2.1 Keempat bilangan kuantum Atom adalah inti yang bermuatan positif, yang membawa bagian terbesar dari massa atom tersebut, dengan elektron-elektron yang berputar mengelilinginya (Teori atom Rutherford). Lintasan elektron berbentuk orbit-orbit lingkaran sehingga gaya sentrifugal dari elektron-elektron yang be-revolusi sama dengan gaya tarik menarik elektrostatik antara inti atom yang bermuatan positif dengan elektron elektron yang mengelilinginya. 1 http://www.mercubuana.ac.id

dalam kulit Pertama K 1 +1/2 Dua keadaan 1s 2 Kedua L Dua keadaan 2s 8 +1 Eanam keadaan 2p -1 Ketiga M 3 Dua keadaan 3s 18 Enam keadaan 3p +2 Sepuluh keadaan 3d -2 1.3 Tabel Periodik Tabel periodik merupakan cara klasifikasi elemen kimia yang sangat berharga, dimana elemen merupakan satu kumpulan yang berisi atom-atom sejenis. Dari 107 elemen yang muncul, 90 diantaranya terdapat di alam; sisanya diproduksi di reaktor- reaktor nuklir atau akselerator-akselerator partikel. Disamping lambang kimia setiap elemen dicantumkan bilangan atomik (Z) dari elemen bersangkutan, yang dianggap sebagai jumlah proton dalam inti atau jumlah jumlah elektron yang mengorbit mengelilingi atom. Elemen-elemen biasanya diklasifikasikan dalam (baris horizontal), bergantung pada kulit elektron mana yang diisi, dan golongan (kolom vertikal). Elemen yang terletak dalam satu golongan mempunyai konfigurasi elektron yang sama pada kulit paling luar, dan sebagai akibat langsungnya, memiliki sifat-sifat kimia yang sama. Prinsip penyusunan (Aufbau prinsip) untuk tabel periodik pada dasarnya bertumpu pada dua kaidah. Pertama, Prinsip Ekslusi Pauli harus diikuti. Kedua sesuai dengan kaidah Hund mengenai multisiplitas maksimum, keadaan dasar selalu harus menghasilkan spin maksimum, seperti terlihat dalam gambar berikut. 3 http://www.mercubuana.ac.id

(Z = 36), dan sebagaimana telah dikemukakan sebelumnya, memiliki ciri yang berbecla yaitu pengisian keadaan-4s sebelum. keadaan-3d. Jacli, kalium memiliki kesamaan dengan natrium dan. litium yaitu bahwa elektron dengan energi tertingginya berada dalam keadaan-s; sebagai akibatnya, elemenelemen ini memiliki reaktivitas kimia yang sangat mirip, dan membentuk gugus yang dikenal sebagai elemen-elemen logam-alkali. Setelah kalsium (Z = 20), pengisian keadaan-3d dimulai. Keadaan-4s pada. kalsium. (Z = 20) telah terisi dan pengisian keadaan-3d dapat terjadi karena energinya cukup, besar clan menghasilkan skandium (Z = 21). Pengisian yang tertunda dari kelima orbital-3d dari skandium sampai selesainya pengisian tersebut pada tembaga (Z = 29) merampungkan deret-deret pertama elemen transisi. Satu anggota dari deret-deret ini, kromium (Z = 24), dengan sendirinya berperilaku lain dari biasanya. Dengan menerapkan kaidah Hund, kita dapat menjelaskan bahwa maksimalisasi spin sejajar tercapai dengan menempatkan enam elektron, dengan spin sejenis, sehingga lima elektron mengisi keadaan-keadaan- 3d dan satu elektron memasuki keadaan-4s. Mode pengisian penuh keadaan-3d ini sangat mengurangi energi dari elektron-elektron di dalam kulit ini. Sekali lagi, pada tembaga. (Z = 29), anggota terakhir dari deret transisi ini, pengisian pe- nub semua orbital-3d juga banyak mengurangi energi. Dari penjelasan tersebut jelas bahwa level energi 3d dan 4s terletak sangat berdekatan. Setelah tembaga, keadaan-keadaan energi terisi dengan cara yang biasa dan periode panjang pertama diakhiri dengan kripton (Z = 36). Perlu dicatat bahwa elemen-elemen 1.4 Pengikatan interatomik pada material Materi umumnya berbentuk tiga wujud yaitu wujud padat, cair dan gas. Pada saat atom-atom berubah langsung dari wujud gas (desublimasi) atau wujud cair (solidifikasi) ke wujud padat (solid) yang biasaya lebih rapat, atom-atom tersebut membentuk agregat-agregat didalam ruang tiga dimensi. Gaya-gaya pengikatan perlahan-lahan muncul ketika atom-atom didekatkan satu sama lain. Kadang-kadang gaya-gaya ini memiliki arah tertentu di dalam ruang. Sifat dasar dari gaya-gaya ini berdampak langsung pada struktur padatan yang terjadi dan karenanya berdampak langsung pada sifat-sifat fisis material. Titik leleh memberikan petunjuk langsung yang berguna mengenai jumlah energi thermal yang digunakan untuk memutuskan ikatan interatomik atau interionik. 5 http://www.mercubuana.ac.id