bilangan koordinasi

ALI MIDDIN

 

ILMU BAHAN LISTRIK

2-6. Bilangan koordinasi

Selama ini kita baru membahas kombinasi dari dua atom, karena kebanyakan bahan tehnik terdiri dari kelompok atom yang terkoordinir, perhatian perlu diarahkan pada kelompok poli atom. Oleh karena itu sewaktu menganalisa ikatan atom, kita perlu mengetahui bilangan koordinasinya. Bilangan koordinasi, BK, adalah suatu bilangan yang menunjukkan jumlah tetangga terdekat suatu atom.

Gambar 2.4. Bilangan koordinasi untuk ikatan ion

Pada gambar 2.4 diatas jelas dapat dilihat bilangan koordinasi karbon adalah empat.

Bilangan koordinasi atom, tergantung pada dua faktor. Yang pertama adalah kovalensi, jumlah ikatan kovalen disekitar suatu atom tergantung pada jumlah elektron valensinya.

Faktor kedua yang mempengaruhi bilangan koordinasi adalah penumpukan atom. Karena sejumlah energi bebas bila ion dengan muatan yang berbeda saling mendekati, bahan dengan ikatan ion umumnya memiliki bilangan koordinasi yang tinggi, yaitu mempunyai sebanyak mungkin tetangga terdekat tanpa menimbulkan gaya tolak menolak yang kuat antara ion dengan muatan sama.

2.7. Jenis bahan

Untuk memudahkan pembahasan, bahan dibagi batas tiga kelompok utama yaitu : logam, polimer (atau plastik) dan keramik. Kenyataannya pengelompokan ini merupakan pembagian yang ideal karena kebanyakan bahan memiliki sifat gabungan.

Logam

Bahan ini memilik ciri-ciri : daya hantar panas dan daya hantar listriknya tinggi. Kedap cahaya dan biasanya dapat dipolis sampai mengkilap. Disamping itu logam agak berat dan mudah dibentuk.

Faktor-faktor apa yang melandasi karakteristik tersebut diatas ?. Jawaban yang paling sederhana ialah bahwa sifat logam tersebut oleh karena beberapa elektron terdislokalisir dan dapat meninggalkan atom induknya. Karena beberapa elektron dalam logam terdislokalisir, mereka dengan mudah memindahkan muatan listrik dan energi thermal.

Sifat kedap cahaya dan daya pantul logam disebabkan oleh tanggap elektron yang terdislokalisir terhadap getaran elektromagnetik pada frekuensi tinggi. Hal ini juga merupakan hasil daripada kebebasan partial beberapa elektron dari atom induknya.

Polimer (atau plastik)

Polimer mempunyai BD yang rendah dan dapat digunakan sebagai bahan isolator panas dan listrik. Kurang baik memantulkan cahaya dan cenderung tembus cahaya dan bening. Berat jenis fleksibel dan dapat dirubah bentuknya (deformasi). Sifat ini dimamfaatkan pada proses pembentukan.

Tiap elektron yang bergabung dengan atom tertentu (atom tertentu). Oleh karena itu daya hantar listrik dan thermal polimer sangat kecil, disebabkan semua energi thermal diteruskan dari daerah yang dingin kedaerah yang panas dengan getaran atom, suatu proses yang lambat  dibandingkan dengan transpor energi elektronik yang terdapat dalam logam. Selain itu elektron lamban  bergerak dalam polimer lebih muda menyesuaikan getarannya dengan cahaya, oleh karena itu tidak menyerap berkas cahaya.

Keramik

Keramik adalah campuran yang terdiri dari unsur logam dan bukan logam. Banyak sekali contoh bahan keramik, mulai dari semen adukan beton (termasuk batu-batuannya), gelas, bahan isolasi busi. Sampai dengan oksida bahan-bahan nuklir UO₂.

Setiap jenis bahan tersebut diatas, tadi keras dan rapuh. Kekerasan dan kerapuhan merupakan ciri khusus dari keramik, disamping itu keramik juga lebih tahan terhadap suhu tinggi dan lingkungan yang lebih berat persyaratannya. Dibandingkan dengan logam dan polimer. Dasar dari karakteristik ini ialah sifat elektronik atomnya.

Susunan atom dalam bahan padat

3. P e n d a h u l u a n

Setelah membahas Ikatan antar atom maka langkah berikutnya, ditinjau dari segi struktur yaitu menelaah pola susunan atom, orde jangkau panjang. Hal ini cukup sederhana untuk bahan pada kristalin karena terdapat sel satuan berulang dalam tiga dimensi. Setiap sel satuan memiliki karakteristik geometri seluruh kristal.

Dalam bab ini akan dibahas secara khusus pengaturan atom dalam struktur yang sederhana seperti (kpr, kps dan htp) dan menelaah dari segi perhitngan berat jenis.

3.1. K r i s t a l

Semua logam, sebagian besar keramik dan beberapa polimer membentuk kristal ketika bahan tersebut membeku. Dengan ini dimaksudkan bahwa atom-atom mengatur diri secara teratur dan berulang dalam pola tiga dimensi. Struktur semacam ini disebut kristal.

Pola teratur dalam jangkauan panjang yang menyangkut puluhan jarak atom dihasilkan oleh koordinasi atom dalam bahan. Disamping itu pola ini kadang-kadang menentukan pula bentuk luar dari kristal, contoh yang dapat dikemukakan adalah bentuk bintang enam bunga salju. Permukaan datar batu-batu mulia, kristal kwarsa (SiO₂).

Dalam setiap contoh yang dikemukakan tadi, pengaturan atom didalam kristal tetap ada meskipun meskipun bentuk permukaan luarnya diubah.

Sel satuan. Tata jangkau panjang yang merupakan karaktristik kristal dapat dilihat pada gambar 3.1. Model ini memperlihatkan beberapa pola atom kisi yang dapat terjadi bila terdapat satu jenis atom. Karena pada pola ini terulang secara tak terhinga, untuk mudahnya kisi kristal ini dibagi dalam sel satuan. Sel satua ini yang mempunyai volume terbatas, dengan ciri-ciri yang sama dengan kristal secara keseluruhan.

Gambar 3.1. Struktur kristal NaCl

Jarak yang selalu berulang disebut juga konstanta kisi, dalam pola jangkau panjang kristal, menentukan ukuran sel satuan, jadi dimensi yang berulang atau  (lihat gambar 3.2) juga merupakan dimensi sel satuan. Karena pola kristal identik dalam ketiga arah tegak lurus, sel satuan ini berbentuk kubik dan a konstanta kisi dalam ketiga arah koordinat. Dalam kristal bukan kubik, konstanta kisi berbeda dalam ketiga arah koordinat.

Gambar 3.2. Sel satuan

Titik sudut sel satua dapat ditempatkan dimana saja dalam suatu kristal. Jadi sudut tersebut dapat berada dipusat atom, tempat lain dalam atom-atom atau diantara atom-atom. Setiap sel mempunyai ciri-ciri geometrik yang sama dengan kristal keseluruhan.

Gambar 3.3. Konstanta kisi

Sistem kristal. Kristal kubik memiliki pola yang sama sepanjang ketiga sumbu tegak lurus : a1 = a2 = a3. Kebanyakan logam dan beberapa jenis keramik berbetuk kubik.

Kristal bukan kubik terjadi bila pola ulangnya tidak sama dalam ketiga arah koordinatnya atau sudut antara ketiga sumbu kristal tidak sama dengan 90^o. Ada tujuh sistem kristal, dengan karaktristik geometriknya dapat diketahui seperti  berikut : Kubuk, Tetragonal, Ortorombik, Monoklinik, Triklinik, Hexagonal dan Rombohedral.

Gambar 3.3 Kristal bukan kubik (a) Tetragonal. (b) Ortorobik, (c) Hexagonal

3.2. Kisi kubik

Kristal kubik terdiri dari tiga bentuk kisi, kubik sederhana, kubik pemusatan ruang, kubik pemustan sisi. Suatu kisi adalah pola yang berulang dalam tiga dimensi dan berbentuk dalam kristal. Sebagian besar logam memiliki kisi kubik pemustan ruang (kpr) atau kisi pemusatan sisi (kps).

Logam kubik pemusatan ruang. Besi mempunyai struktur kubik. Pada suhu ruang sel satuan besi mempunyai atom pada tiap titik sudut kubus dan satu atom pada pusat kubus (gambar 3.4). Besi merupakan logam yang paling umum digunakan dengan struktur kubik pemusatan ruang, tetapi bukan satu-satunya.

Gambar 3.4. Struktur kubik pemusatang ruang

Gambar 3.5. Sel satuan kubik pemusatan ruang

Tiap atom besi dalam struktur kubik pemusatan ruang (kpr) ini dikelilingi delapan atom tetangga, hal ini berlaku untuk setiap atom, baik yang terletak pada titik sudut maupun dipusat sel satuan.

Sel satuan logam kpr mempunyai dua atom, satu atom dipusat kubus dan delapan seperdelapan atom pada delapan titik sudutnya. Dalam logam antaara konstanta kisi a dan jari-jari atom R terdapat hubungan sebagai berikut.

                        (a_kpr)_logam =                                                                                   3.1

Kita dapat menerapkan konsep tumpukan atom (F.T) pada logam kpr, dengan menggunakan model bola keras maka fraksi volum dari sel satuan yang ditempati oleh bola-bola tersebut.

            Faktor tumpukan = Volume atom/Volume sel satuan            3.2

Karena dalam sel satua logam kpr terdapat dua buah atom

                        FT = 2[4pR³/3]/a³                                                                    3.3

                             = 2[4pR³/3]/[4R/]³ = 0,68

Logam kubik pemustan sisi. Pengaturan atom dalam tembaga (gambar 3.6) tidak sama dengan pengaturan atom dalam besi, meski keduanya kubik. Disamping atom pada setiap titik sudut sel satuan tembaga, terdapat sebuah atom ditengah setiap bidang permukaan, namun tak satupun dititik pusat kubus.

Struktur kubik pemustan sisi (kps) ini lebih sering dijumpai pada logam antara lain, Aluminium tembaga dan lain-lain.

Gambar 3.6. Struktur kubik pemustan sisi

Logam dengan struktur kps mempunyai empat kali lebih banyak atom. Ke delapan atom pada titik sudut menghasilkan satu atom, dan keenam bidang sisi menghasilkan 3 atom persel satuan (gambar 3.7). Dalam logam, hubungan antara konstanta kisi a dengan jari-jari R dinyatakan dalam persamaan :

                        (a_kpr)_logam =                                                                                  3.4

Dari persamaan diatas dapat diketahui bahwa faktor tumpukan logam kps adalah 0,74 yang ternyata lebih besar dari nilai 0,68 untuk logam kpr.

Gambar 3.7. Sel satuan kubik pemusatan sisi (logam)