Setiap atom terdiri dari inti yang sangat kecil yang terdiri dari proton dan
neutron, dan di kelilingi oleh elektron yang bergerak. Elektron dan proton
mempunyai muatan listrik yang besarnya 1,60 x 10-19 C dengan tanda negatif
untuk elektron dan positif untuk proton sedangkan neutron tidak bermuatan listrik.
Massa partikel-partikel subatom ini sangat kecil: proton dan neutron mempunyai
massa kira-kira sama yaitu 1,67 x 10-27 kg, dan lebih besar dari elektron yang
massanya 9,11 x 10-31 kg.
Setiap unsur kimia dibedakan oleh jumlah proton di dalam inti, atau nomor
atom (Z). Untuk atom yang bermuatan listrik netral atau atom yang lengkap,
nomor atom adalah sama dengan jumlah elektron. Nomor atom merupakan
bilangan bulat dan mempunyai jangkauan dari 1 untuk hidrogen hingga 94 untuk
plutonium yang merupakan nomor atom yang paling tinggi untuk unsur yang
terbentuk secara alami.
Massa atom (A) dari sebuah atom tertentu bisa dinyatakan sebagai jumlah
massa proton dan neutron di dalam inti. Walaupun jumlah proton sama untuk
semua atom pada sebuah unsur tertentu, namun jumlah neutron (N) bisa
bervariasi. Karena itu atom dari sebuah unsur bisa mempunyai dua atau lebih
massa atom yang disebut isotop. Berat atom berkaitan dengan berat rata-rata
massa atom dari isotop yang terjadi secara alami. Satuan massa atom (sma)
bisa digunakan untuk perhitungan berat atom. Suatu skala sudah ditentukan
dimana 1 sma didefinisikan sebagai 1/12 massa atom dari isotop karbon yang
paling umum, karbon 12 (12C) (A = 12,00000). Dengan teori tersebut, massa
proton dan neutron sedikit lebih besar dari satu, dan
A=Z+N
Berat atom dari unsur atau berat molekul dari senyawa bisa dijelaskan
berdasarkan sma per atom (molekul) atau massa per mol material. Satu mol zat
terdiri dari 6,023 x 1023 atom atau molekul (bilangan Avogadro). Kedua teori berat
atom ini dikaitkan dengan persamaan berikut:
1 sma/atom (molekul) = 1 g/mol
Sebagai contoh, berat atom besi adalah 55,85 sma/atom, atau 55,85 g/mol.
Kadang-kadang penggunaan sma per atom atau molekul lebih disukai; pada
kesempatan lain g/mol (atau kg/mol) juga digunakan; satuan yang terakhirlah
yang akan digunakan pada buku ini.
2.2 IKATAN ATOM PADA BAHAN PADAT
GAYA DAN ENERGI IKAT
Ketika atom didekatkan dari suatu jarak yang tak terbatas. Pada jarak jauh,
interaksi bisa diabaikan, tetapi ketika atom saling mendekati, masing-masing
memberikan gaya ke yang lainnya. Gaya ini ada dua macam, tarik atau tolak,
dan besarnya merupakan fungsi jarak antar atom. Sumber gaya tarik FA
tergantung pada jenis ikatan yang ada antara dua atom. Besarnya berubah
dengan jarak, seperti yang digambarkan secara skematis pada Gambar 2.8a.
Akhirnya, kulit elektron terluar dari kedua atom mulai tumpang tindih, dan gaya
tolak yang kuat FR mulai timbul. Gaya netto FN antar dua atom adalah jumlah
kedua komponen tarik dan tolak, yaitu :
FN = FA + FR
yang juga merupakan fungsi jarak antar atom sebagaimana di plot pada Gambar
2.8a.Jika FA dan FR sama besar, tidak ada gaya netto, sehingga:
FA + FR = 0
Kemudian kondisi kesetimbangan muncul. Pusat kedua atom tetap terpisah
pada jarak keseimbangan ro seperti ditunjukkan gambar 2.8a. Pada sebagian
besar atom, ro kira-kira 0,3 nm (3Å). Ketika sudah berada pada posisi ini, keduaatom akan melawan semua usaha untuk memisahkannya dengan gaya tarik,
atau untuk mendorongnya dengan gaya tolak.
Kadang-kadang lebih menyenangkan untuk menggunakan energi potensial
antara dua atom daripada gaya. Secara matematik, energi (E) dan gaya (F)
dihubungkan dengan :
E = ∫ F dr
Sel satuan bisa kadang-kadang digambarkan dengan model sel satuan
bola diperkecil seperti terlihat pada gambar 3.1b.
SISTEM KRISTAL
Jika dilihat dari geometri sel satuan, ditemukan bahwa kristal mempunyai
tujuh kombinasi geometri yang berbeda seperti diperlihatkan pada tabel 3.2.
Pada sebagian besar logam, struktur kristal yang dijumpai adalah:
kubus pusat sisi, FCC (face-centered cubic), kubus pusat ruang, BCC (body-
centered cubic) dan tumpukan padat heksagonal, HCP (hexagonal close-
packed).
Beberapa logam, dan juga non-logam, bisa mempunyai lebih dari satu
struktur kristal, fenomena ini disebut polimorfisme. Jika kondisi ini dijumpai pada
bahan padat elemental maka disebut alotropi.
KUBUS PUSAT SISI, FCC
Struktur kristal ini termasuk kristal kubus dimana terdapat atom disetiap
sudut kubus ditambah masing-masing satu buah atom di setiap permukaan/sisi
kubus. Sifat ini banyak dijumpai pada logam seperti tembaga, aluminium, perak
dan emas. Gambar 3.1 memperlihatkan kristal jenis ini. Panjang sisi kubus a dan
jari-jari atom R dihubungkan dengan persamaan:
a = 2R 2
Fraksi volume bola padat di dalam sel satuan atau disebut faktor
penumpukan atom, FP dirumuskan:
FP = volume atom didalam sel satuan
volume total sel satuan
Untuk struktur FCC, Faktor Penumpukan Atom adalah 0,74. Logam
umumnya mempunyai faktor penumpukan atom yang relatif besar untuk
memaksimalkan efek pembungkusan oleh elektron bebas.
KUBUS PUSAT RUANG, BCC
Struktur kristal ini mempunyai atom di setiap sudut kubus ditambah
sebuah atom didalam kubus, seperti yang ditunjukkan gambar 3.2.
Panjang sel satuan dirumuskan dengan:
4R
a=
3
Faktor Penumpukan Atom kristal ini adalah 0,68.
TUMPUKAN PADAT HEKSAGONAL, HCP
Gambar 3.3 memperlihatkan sel satuan jenis ini. Sel satuan jenis ini
adalah jenis sel satuan heksagonal. Permukaan atas dan bawah sel satuan
terdiri dari enam atom yang membentuk heksagonal yang teratur dan
mengelilingi sebuah atom ditengah-tengahnya. Bidang lain yang mempunyai tiga
atom tambahan pada sel satuan terletak antara bidang atas dengan bidang
bawah. Enam atom ekivalen dipunyai oleh setiap sel satuan ini.
aktor penumpukan atom untuk sel satuan HCP adalah sama dengan sel
satuan FCC. Logam yang mempunyai struktur kristal ini antara lain: cadmium,
magnesium, titanium dan seng.
KERAPATAN ATOM
Kerapatan atom struktur kristal bisa dicari dengan persamaan:
nA
ρ=
VC N A
dimana : n = jumlah atom yang terkait dengan sel satuan
A = berat atom
VC = volume sel satuan
NA = bilangan avogadro (6,023 x 1023 atom/mol)
ARAH KRISTALOGRAFI
Ketika berurusan dengan material kristal, sering diperlukan untuk
menentukan beberapa bidang kristalografi atau arah kristalografi. Arah
kristalografi didefinisikan sebagai sebuah garis antara dua titik, atau sebuah
vektor. Langlah-langkah dalam menentukan indeks arah:
1. Sebuah vektor dengan panjang tertentu diletakkan sedemikian sehingga
vektor tersebut melewati titik asal sistem koordinat. Vektor bisa ditranlasikan
di sepanjang kisi kristal tanpa perubahan, jika keparalelannya dijaga.
2. Tentukan panjang proyeksi vektor pada masing-masing sumbu; Proyeksi
diukur dalam dimensi sel satuan yaitu a, b, dan c.
3. Ketiga angka ini dikali atau dibagi dengan suatu faktor untuk mendapatkan
bilangan bulat terkecil.
4. Tiga indeks yang didapat, ditulis tanpa memakai koma dan diberi tanda
kurung persegi, [u v w]. u, v, dan w adalah harga proyeksi pada sumbu x, y
dan z.
Catatan: Jika indeks negatif, tanda negatif ditulis dengan strip diatas indeks.
