Berbagai kristal

Tabel Berbagai jenis kristal

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

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

a. Kristal logam

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

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

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

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

b. Kristal ionik

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

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

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

c. Kristal molekular

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

Molekul diatomik semacam iodin tidak dapat dianggap berbentuk bola.

d. Kristal kovalen

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

e. Kristal cair

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

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

Gambar  Beberapa contoh kristal cair

Struktur padatan kristalin

a. Susunan terjejal

Banyak senyawa, khususnya kristal logam dan molekular mempunyai sifat umum yang memaksimalkan kerapatannya dengan menyusun partikel-partiklenya serapat mungkin. Sruktur kristal semacam ini disebut dengan struktur terjejal.

Gambar Struktur terjejal
(a) Satu lapisan khas. Setiap bola dikelilingi oleh 12 bola lain. (b) Lapisan kedua yang mirip dengan lapisan pertama. Setiap bola akan menempati lubang yang terbentuk oleh tiga bola di lapis pertama. (c) setiap bola di lapisan ketiga akan terletak persis di atas lapisan pertama (susunan aba). (d) setiap bola di lapisan ketiga terletak di atas lubang lapisan pertama yang tidak digunaka oleh lapisan kedua (susunan abc).

Perak mengkristal dalam susunan kubus terjejal. Bila kristalnya dipotong seperti ditunjukkan di Ga satu bola akan terletak di pusat setiap muka kubus. Karena satu bola (satu atom) terletak di setiap pusat muka kubus, maka kisi ini disebut dengan kisi berpusat muka.

Gambar  Kisi kubus berpusat muka
Dalam kasus ini, hubungan antara r, jari-jari bola dan d,
panjang sel satuan, dapat ditentukan dengan teorema Pythagoras.

b. Kubus berpusat badan

Beberapa logam , seperti logam alkali, mengkristal dalam kisi kubus berpusat badan, yang mengandung bola yang terletak di pusat kubus dan di sudut-sudut kubus sel satuan sebagaimana diperlihatkan di Gambar. Cara penyusunan ini disebut dengan kisi kubus berusat badan.

Karena bilangan koordinasinya 8, susunan kubus berpusat badan bukan susunan terjejal.

c. Analisis kristalografi sinar-X

Hingga beberapa tahun terakhir, analisis kristalografi sinar-X hanya dilakukan para spesialis, yakni kristalografer, apapun molekul targetnya. Sungguh, pengukuran dan pemrosesan data yang diperlukan memerlukan pengetahuan dan pengalaman yang banyak. Namiun kini, berkat perkembangan yang cepat dan banyak dalam bidang hardware maupun software kristalografi sinar-X, pengukuran kristalografi sinar-X telah menjadi mungkin dilakukan dengan training yang lebih singkat. Kini, bahkan kimiawan sintesis yang minat utamanya sintesis dan melakukan analisis kristalografi sinar-X sendiri. Akibatnya molekul target yang dipelajari oleh para spesialis menjadi semakin rumit, dan bahkan struktur protein kini dapat dielusidasi bila massa molekulnya tidak terlalu besar.

Gambar Kondisi difraksi Bragg.
Difraksi sinar- X oleh atom yang terletak di dua lapis kristal. Bila selisih lintasan optis, xy + yz = 2dsinθ, sama dengan kelipatan bulat panjang gelombang, gelombang tersebut akan saling menguatkan.

Andaikan panjang gelombang sinar-X adalah λ . Bila selisih antara lintasan optik sinar-X yang direfleksikan oleh atom di lapisan pertama dan oleh atom yang ada di lapisan kedua adalah 2dsinθ, gelombang-gelombang itu akan saling menguatkan dan menghasilkan pola difraksi. Intensitas pola difraksi akan memberikan maksimum bila:

nλ = 2dsinθ …

Persamaan ini disebut dengan kondisi Bragg.
Kondisi Bragg dapat diterapkan untuk dua tujuan. Bila jarak antar atom diketahui, panjang gelombang sinar-X dapat ditentukan dengan mengukur sudut difraksi. Moseley menggunakan metoda ini ketika ia menentukan panjang gelombang sinar X berbagai unsur. Di pihak lain, bila panjang gelombang sinar-X diketahui, jarak antar atom dapat ditentikan dengan mengukur sudut difraksi. Prinsip inilah dasar analisis kristalografi sinar-X.

Larutan

 Larutan terdiri atas cairan yang melarutkan zat (pelarut) dan zat yang larut di dalamnya (zat terlarut). Pelarut tidak harus cairan, tetapi dapat berupa padatan atau gas asal dapat melarutkan zat lain. Sistem semacam ini disebut sistem dispersi. Untuk sistem dispersi, zat yang berfungsi seperti pelarut disebut medium pendispersi, sementara zat yang berperan seperti zat terlarut disebut dengan zat terdispersi (dispersoid).

a. Konsentrasi

Konsentrasi larutan didefinisikan dengan salah satu dari ungkapan berikut:
Ungkapan konsentrasi

1. persen massa (%) =(massa zat terlarut/ massa larutan) x 100
2. molaritas (konsentrasi molar) (mol dm^-3) =(mol zat terlarut)/(liter larutan)
3. molalitas (mol kg^-1) =(mol zat teralrut)/(kg pelarut)

b. Tekanan uap

Tekanan uap komponen A, p_A,diungkapkan sebagai:

p_A = p_A⁰ x_A … (7.2)

p_A⁰ adalah tekanan uap cairan A murni pada suhu yang sama. Hubungan yang mirip juga berlaku bagi tekanan uap B, p_B. Hubungan ini ditemukan oleh kimiawan Perancis Francois Marie Raoult (1830-1901) dan disebut dengan hukum Raoult. Untuk larutan yang mengikuti hukum Raoult, interaksi antara molekul individual kedua komponen sama dengan interaksi antara molekul dalam tiap komponen. Larutan semacam ini disebut larutan ideal. Gambar 7.6 menunjukkan tekanan uap larutan ideal sebagai fungsi konsentrasi zat teralrut. Tekanan total campuran gas adalah jumlah p_A dan p_B, masing-masing sesuai dengan hukum Raoult.

c. Larutan ideal dan nyata

Sebagaimana juga perilaku gas nyata berbeda dengan perilaku gas ideal, perilaku larutan nyata berebeda dengan perilaku larutan ideal, dengan kata lain berbeda dari hukum Raoult. menunjukkan kurva tekanan uap sistem biner dua cairan yang cukup berbeda polaritasnya, aseton Me₂CO dan karbon disulfida CS₂. Dalam hal ini, penyimpangan positif dari hukum Raoult (tekanan uap lebih besar) diamati.
Penyebab penyimpangan dari perilaku ideal sebagian besar disebabkan oleh besarnya interaksi molekul. Bila pencampuran komponen A dan B menyebabkan absorpsi kalor dari lingkungan (endoterm), interaksi molekul antara dua komponen lebih kecil daripada pada masing-masing komponen, dan penyimpangan positif dari hukum Raoult akan terjadi. Sebaliknya, bila pencampuran menghasilkan kalor ke lingkungan (eksoterm), penyimpangan negatif akan terjadi.
Bila ikatan hidrogen terbentuk antara komponen A dan komponen B, kecenderungan salah satu komponen untuk meninggalkan larutan (menguap) diperlemah, dan penyimpangan negatif dari hukum Raoult akan diamati. Kesimpulannya, penyebab penyimpangan dari hukum Raoult sama dengan penyebab penyimpangan dari hukum gas ideal.

d. Kenaikan titik didih dan penurunan titik beku

Tetapan kesebandingannya K_b khas untuk tiap pelarut dan disebut dengan penurunan titik beku molal.

Kenaikan titik didih dan penurunan titik beku molal.

pelarut	titik didih (°C)	Kb	pelarut	titik beku (°C)	Kf
CS2	46	2.40	H2O	0	1.86
aseton 55,9	1,69	benzen	5,1	5,07
benzen	79,8	2,54	asam asetat	16,3	3,9
H2O	100	0,51	kamfer	180	40

Di  beberapa nilai umum kenaikan titik didih dan penurunan titik beku molal diberikan. Dengan menggunakan nilai ini dan persamaan dimungkinkan untuk menentukan massa molar zat terlarut yang belum diketahui. Kini, penentuan massa molekul lebih mudah dilakukan dengan spektrometer massa. Sebelum spektrometer massa digunakan dengan rutin, massa molekul umumnya ditentukan dengan menggunakan kenaikan titik didih atau penurunan titik beku. Untuk kedua metoda, derajat kesalahan tertentu tak terhindarkan, dan keterampilan yang baik diperlukan agar didapatkan hasil yang akurat.

e. Tekanan osmosis

Bila dua jenis larutan dipisahkan denga membran semipermeabel, pelarut akan bergerak dari sisi konsentrasi rendah ke sisi konsentrasi tinggi melalui membran. Fenomena ini disebut osmosis. Membran sel adalah contoh khas membran semipermeabel. Membran semipermeabel buatan juga tersedia.
Bila larutan dan pelarut dipisahkan membran semipermeabel, diperlukan tekanan yang cukup besar agar pelarut bergerak dari larutan ke pelarut. Tekanan ini disebut dengan tekanan osmosis.

f. Viskositas

Gaya tarik menarik antarmolekul yang besar dalam cairan menghasilkan viskositas yang tinggi. Koefisien viskositas didefinisikan sebagai hambatan pada aliran cairan. Gas juga memiliki viskositas, tetapi nilainya sangat kecil. Dalam kasus tertentu viskositas gas memiliki peran penting, misalnya dalam peawat terbang.
Viskositas

1. Viskositas cairan yang partikelnya besar dan berbentuk tak teratur lebih tinggo daripada yang partikelnya kecil dan bentuknya teratur.
2. Semakin tinggi suhu cairan, semakin kecil viskositasnya.

g. Tegangan permukaan

Tegangan permukaan juga merupakan sifat fisik yang berhubungan dengan gaya antarmolekul dalam cairan dan didefinisikan sebagai hambatan peningkatan luas permukaan cairan. Awalnya tegangan permukaan didefinisikan pada antarmuka cairan dan gas. Namun, tegangan yang mirip juga ada pada antarmuka cairan-cairan, atau padatan dan gas. Tegangan semacam ini secara umum disebut dengan tegangan antarmuka. Tarikan antarmolekul dalam dua fas dan tegangan permukaan di antarmuka antara dua jenis partikel ini akan menurun bila tempeartur menurun. Tegangan antarmuka juga bergantung pada struktur zat yang terlibat. Molekul dalam cairan ditarik oleh molekul di sekitarnya secara homogen ke segala arah. Namun, molekul di permukaan hanya ditarik ke dalam oleh molekul yang di dalam dan dengan demikian luas permukaan cenderung berkurang. Inilah asal mula teori tegangan permukaan. Bentuk tetesan keringat maupun tetesan merkuri adalah akibat adanya tegangan permukaan.