1 / 48

Mengenal Sifat Material #2 Klasifikasi Padatan

Mengenal Sifat Material #2 Klasifikasi Padatan. Cakupan Bahasan. Ada beberapa cara klasifikasi material. Namun yang dimaksudkan dengan klasifikasi di sini adalah : Klasifikasi menurut strukturnya , yang akan kita bahas sebagai padatan dengan struktur kristal dan struktur nonkristal

trevet
Download Presentation

Mengenal Sifat Material #2 Klasifikasi Padatan

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. MengenalSifat Material #2 KlasifikasiPadatan

  2. CakupanBahasan Ada beberapacaraklasifikasi material. Namun yang dimaksudkandenganklasifikasi di siniadalah: Klasifikasimenurutstrukturnya, yang akankitabahassebagaipadatandenganstrukturkristaldanstrukturnonkristal Klasifikasikedua yang akankitabahasadalahklasifikasimenurutsifatlistriknyayaitu material konduktor, material isolator (dielektrik), dan material semikonduktor. Untukpembahasninikitaakanmelihatteori pita energi.

  3. Struktur Kristal & Nonkristal

  4. Struktur Kristal

  5. Kristal 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: • kenetralan listrik terpenuhi • ikatan kovalen yang diskrit dan terarah terpenuhi • meminimalkan gaya tolak ion-ion • paking atom serapat mungkin

  6. Kristal 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.

  7. Kristal Sel Satuan pada Kisi-Kisi Ruang BRAVAIS [2,5]

  8. Kristal Setiaptitikkisidapatditempatiolehsatuataulebih atom, tetapi atom ataukelompok atom padasatutitikkisiharuslahidentikdenganorientasi yang sama agar memenuhidefinisikisiruang. 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 kisihanya pada sudut-sudutnya, atau dengan kata lain satu unit sel yang memuat hanya satu titik kisi, disebut sel primitif.

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

  10. Kristal Unsur Dengan Lebih Dari 3 Elektron Valensi 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, Cl2, Br2, J2. [2] Molekul diatomik tersebut membangun ikatan dengan molekul yang lain melalui ikatan sekunder yang lemah, membentuk kristal.

  11. Kristal Atom Group VI (S, Se, Te) [2] 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 Tebergabungdenganrantai yang lain membentukkristal hexagonal.

  12. Kristal [2] Atom Group V (P, As, Sb, Bi) Atom Group V (P, As, Sb, Bi) memiliki 5 elektron di kulitterluarnyadansetiap atom berikatandengantiga atom (dengansudutikatantertentu).

  13. Kristal 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, SiO2, 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.

  14. Kristal Contohstrukturkristalionik Kation Anion oktahedron tetrahedron

  15. Kristal 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 SiF4 terbentuk dengan ikatan ion, polihedra koordinasi atau polihedra anion berbentuk tetrahedra F mengelilingi kation Si yang kemudian tersusun dalam kisi-kisi BCC

  16. Kristal Pada es (H2O), 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 105o. Dalambentukkristal, atom-atom hidrogenmengikatmolekul-molekul air denganikatanionikatauikatan 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.

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

  18. Kristal Kebanyakanpolimer yang terbentuklebihdariduamacam atom, memilikiketidak-teraturan yang membuatiatidakmengkristal. Walaupundemikianada yang memilikipenampangsimetrisdanmudahmengkristal, sepertipolytetrafluoroethylene (Teflon). Molekul polytetrafluoroethylene Polimer yang komplekspun masih mungkin memiliki struktur yang simetris dan dapat mengkristal seperti halnya cellulose.

  19. KetidaksempurnaanPada Kristal

  20. Kristal Kebanyakankristalmengandungketidak-sempurnaan. Karenakisi-kisikristalmerupakansuatukonsepgeometris, makaketidak-sempurnaankristaljugadiklasifikasikansecarageometris. • ketidak-sempurnaanberdimensinol (ketidak-sempurnaantitik), • ketidak-sempurnaanberdimensisatu (ketidak-sempurnaangaris), • ketidak-sempurnaanberdimensidua (ketidak-sempurnaanbidang). • Selainituterjadi pula ketidak-sempurnaan volume danjugaketidak-sempurnaanpadastrukturelektronik

  21. Kristal Ketidaksempurnaantitik atom dariunsur yang sama (unsursendiri) berada di antara atom matriks yang seharusnyatidakterisiatom tidakada atom padatempat yang seharusnyaterisi interstitial (atom sendiri) kekosongan interstitial (atom asing) substitusi (atom asing) atom asingberada di antara atom matriks yang seharusnyatidakterisi(pengotoran) atom asingmenempatitempat yang seharusnyaditempatiolehunsursendiri (pengotoran)

  22. Kristal Ketidaksempurnaantitikpadakristalionik pasangantempatkosong yang ditinggalkandankation yang meninggalkannya kekosongankationberpasangandengankekosongan anion ketidaksempurnaanSchottky ketidaksempurnaanFrenkel pengotoran substitusi pengotoran interstitial kekosongan kation

  23. Kristal Dislokasi Dislokasimerupakanketidak-sempurnaankristalkarenapenempatan atom yang tidakpadatempat yang semestinya.  vector Burger  screw dislocation edge dislocation

  24. StrukturNonkristal

  25. Nonkristal Melihatstrukturnya, material nonkristaldapatdikelompokkanmenjadiduakelompokutama, yaitu: a) struktur yang terbangundarimolekulberbentukrantaipanjang b) struktur yang terbangundari jaringantigadimensi

  26. Nonkristal MolekulRantaianPanjang - Organik Beberapafaktor yang mendorongterbentuknyastrukturnonkristaladalah: a) molekulrantaian yang panjangdanbercabang; b) kelompokatom yang terikatsecaratakberaturansepanjangsisimolekul; c) rantaianpanjang yang merupakankombinasidariduaataulebihpolimer, yang disebutkopolimer; d) adanyaunsuraditif, yang akanmemisahkansaturantaiandarirantaian yang lain; unsuraditifinibiasadisebut plasticizer.

  27. Nonkristal Contohterbentuknyarantaianpanjang H H | | C C | | H H ethylene : C2H4 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 membentukrantaianpanjang polyethylene Dalamstrukturini polyethylene disebutlinear polyethylene

  28. Nonkristal Keadaanjauhberbedajikamolekul polyethylene bercabang. Makin bercabang, polyethylene makinnonkristal. Pengaruhadanyacabanginibisadilihatpadavinyl polymer, yaitu polymer dengan unit berulang C2H3X. Cabang X inibisaberupagugus atom yang menempatiposisi di mana atom H seharusnyaberada. H H | |  C  C | | H X

  29. Nonkristal Ada tigakemungkinancaratersusunnyacabanginiyaitu (a) ataktik(atactic), atauacak (b) isotaktik (isotactic), semuacabangberada di salahsatusisirantai H C X H H C (c) sindiotaktik (syndiotactic), cabang-cabang secara teratur bergantian dari satu sisi ke sisi yang lain. X H H C X H

  30. Nonkristal Jikaguguscabangkecil, sepertipadapolyvinyl alkoholdi mana X = OH, danrantaian linier, makapolimerinidenganmudahmembentukkristal. Akan tetapijikaguguscabangbesar, polimerakanberbentuknonkristalsepertipadapoyvinyl chloride, di mana X = Cl; jugapada polystyrene, di mana X = benzena yang secaraacakterdistribusisepanjangrantaian (ataktik). Polimer isotactic dansyndiotacticbiasanyamembentukkristal, bahkanjikacabangcukupbesar.

  31. Nonkristal Kopolimerisasiataupembentukankopolimer, selalumenyebabkanketidak-teraturandanolehkarenaitumendorongterbentuknyastrukturnonkristal. (a) dua macam polimer tersusun secara acak sepanjng rantai. (b) susunanberselang-selingsecarateratur (c) susunankopolimersecarablok (d) salahsatumacampolimermenjadicabangrantaianmacampolimer yang lain

  32. Nonkristal Cross-Linking Cross-linkingmerupakanikatanantarrantaianpanjang yang terjadi di berbagaititik, danikataninimerupakanikatan primer. Cross-link bisaterbentukolehsegmenkecildarirantaian. Cross-linkbisajugaterbentukoleh atom ataumolekulasing.

  33. Nonkristal JaringanTigaDimensi - Anorganik Suatusenyawaanorganikcenderungmembentukstrukturnonkristaljika: a) setiapanion terikatpadahanyaduakation; b) tidaklebihdariempat anion mengelilingisatukation; c) polihedraanion berhubungansudutkesudut, tidaksisikesisidantidak pula bidangkebidang; d) senyawamemilikisejumlahbesar atom penyusun yang terdistribusisecaratakmenentu di seluruhjaringan. Jikamuatankationbesar, sepertimisalnyasilika Si+4, denganpolihedron anion yang kecil, makastrukturnonkristalmudahsekali terbentuk. Kebanyakangelasanorganikberbahandasarsilika, SiO2, dengan sub-unit berbentuktetrahedra yang padagelassilikamurniterhubungsudutkesudut

  34. Nonkristal Penambahanoksida alkali padastruktur yang demikianinidapatmemutusrantaiantetrahedra; atom oksigendarioksidainimenyelippadatitikdimanaduatetrahedraterhubungdanmemutushubungantersebutsehinggamasing-masingtertrahedronmempunyaisatusudutbebas. Terputusnyahubunganantartetrahedradapatmenyebabkanturunnyaviskositas, sehinggagelaslebihmudahdibentuk.

  35. Padatan StrukturPadatan Strukturkristaldannonkristaladalahstrukturpadatandilihatdalamskala atom ataumolekul. Sesungguhnyakebanyakanpadatanmemilikidetilstruktur yang lebihbesardariskala atom ataupunmolekul, yang terbangundarikelompok-kelompokkristalataupunnonkristal. Kelompok-kelompokinidenganjelasdapatdibedakanantarasatudenganlainnyadandisebutfasa; bidangbatasantaramerekadisebutbatasfasa. Secaraformal dikatakanbahwafasaadalahdaerahdarisuatupadatan yang secarafisisdapatdibedakandaridaerah yang lain dalampadatantersebut. Padadasarnyaberbagaifasa yang hadirdalamsuatupadatandapatdipisahkansecaramekanis.

  36. Padatan Dalamsatu unit kristaljarakantara atom dengan atom hanyabeberapa angstrom. Jika unit-unit kristaltersusunsecarahomogenmembentukpadatanmakapadatan yang terbentukmemilikibangun yang samadenganbangun unit kristal yang membentuknyanamundenganukuran yang jauhlebihbesar, dandisebutsebagaikristaltunggal; padataninimerupakanpadatansatufasa. Padaumumnyasusunankristaldalampadatansatufasatidaklahhomogen. Dislokasidanperbedaanorientasiterjadiantarakristal-kristal. Padatanjenisinimerupakanpadatanpolikristal, walaupuntetapmerupakanpadatansatufasa. Kristal-kristal yang membentukpadataninibiasa di sebutgrain, danbatasantara grain disebutbatas grain. Padapadatannonkristalsulitmengenaliadanyastrukturteraturdalamskalalebihbesardaribeberapa kali jarak atom. Olehkarenaitukebanyakanpadatannonkristalmerupakanpadatansatufasa. Padatandapattersusundariduafasaataulebih. Padatandemikiandisebutsebagaipadatanmultifasa. Padatanmultifasabisaterdirihanyadarisatukomponen (komponentunggal) ataulebih (multikomponen).

  37. Teori Pita Energi

  38. Teori Pita Energi Planck : energi photon (partikel) De Broglie : Elektron sbg gelombang Ulas Ulang Kuantisasi Energi frekuensi gelombang cahaya bilanganbulat h = 6,63  10-34 joule-sec bilangangelombang: momentum: energi kinetik elektron sbg gelombang :

  39. Teori Pita Energi Energi elektron sebagai fungsi k (bilangan gelombang) E k

  40. Teori Pita Energi Makin tinggi nomer atom, atom akan makin kompleks, tingkat energi yang terisi makin banyak.

  41. Teori Pita Energi 0 7 7 7 7 6 6 6 7 6 5 5 5 6 5 4 4 4 1 5 3 4 3 2 4 3 3 2 4 5 3 6 [6] Sodium Hidrogen E [ eV ] 5,14 Kemungkinan terjadinya transisi elektron dari satu tingkat ketingkat yang lain semakin banyak

  42. Teori Pita Energi Molekul 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 membentukpita. Timbullah pengertian pita energi yang merupakan kumpulan tingkat energi yang sangat rapat.

  43. Teori Pita Energi 10 8 6 4 2 E [ eV ] 0 2 1 3 2 4 Penggabungan 2 atom H  H2 tak stabil Pada penggabungan dua atom, tingkat energi dengan bilangan kuantum tertinggi akan terpecah lebih dulu Å jarak antar atom stabil R0 Elektron yang berada di tingkat energi terluar disebut elektron valensi; elektron valensi berpartisipasi dalam pembentukan ikatan atom. Elektron yang berada pada tingkat energi yang lebih dalam (lebih rendah) disebut elektron inti;

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

  45. Teori Pita Energi 0 3d 3p 4s 3s 10 R0 = 3,67 Å E [ eV ] 20 30 2p 0 5 10 Å 15 [6] sodium

  46. Teori Pita Energi 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. Pada 0o K semua tingkat energi sampai ke tingkat EF terisi penuh, dan semua tingkat energi di atas EF kosong. EF, tingkat energi tertinggi yang terisi disebut tingkat Fermi, atau energi Fermi. Pada temperatur yang lebih tinggi, beberapa tingkat energi di bawah EF kosong karena elektron mendapat tambahan energi untuk naik ke tingkat di atasEF.

  47. Teori Pita Energi 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.

  48. Courseware MengenalSifatMaterial #2 KlasifikasiPadatan SudaryatnoSudirham

More Related