Struktur Padatan Kristal

A. Judul : Struktur Kristal

B. Tujuan :

• Mempelajari bagaimana atom atau ion dalam zat padat dengan menggunakan bola pimpong
• Mempelajari kubus berpusat badan, kubus berpusat muka, sruktur NaCl dan struktur CsCl

C. Dasar Teori

Kristal merupakan susunan atom-atom yang teratur dalam ruang tiga dimensi. Keteraturan susunan tersebut terjadi karena kondisi geometris yang harus memenuhi adanya ikatan atom yang berarah dan susunan yang rapat. Walaupun tidak mudah untuk menyatakan bagaimana atom tersusun dalam padatan, namun ada hal-hal yang diharapkan menjadi faktor penting yang menentukan terbentuknya polihedra koordinasi susunan atom-atom.

Kristal merupakan zat padat akan tetapi zat padat tidak selalu berstruktur Kristal. Zat padat dikatakan berstruktur kristal jika atom-atom penyusunnya tertata secara teratur dan periodik.

Kisi ruang (space lattice) adalah susunan titik-titik dalam ruang tiga dimensi di mana setiap titik memiliki lingkungan yang serupa. Titik dengan lingkungan yang serupa itu disebut simpul kisi (lattice points). Simpul kisi dapat disusun hanya dalam 14 susunan yang berbeda, yang disebut kisi-kisi Bravais. Jika atom-atom dalam kristal membentuk susunan teratur yang berulang maka atom-atom dalam kristal haruslah tersusun dalam salah satu dari 14 bentuk kisi-kisi tersebut. Perlu dicatat bahwa setiap simpul kisi bisa ditempati oleh lebih dari satu atom, dan atom atau kelompok atom yang menempati tiap-tiap simpul kisi haruslah identik dan memiliki orientasi sama sesuai dengan pengertian simpul kisi. Karena kristal yang sempurna merupakan susunan atom secara teratur dalam kisi ruang, maka susunan atom tersebut dapat dinyatakan secara lengkap dengan menyatakan posisi atom dalam suatu kesatuan yang berulang. Kesatuan yang berulang di dalam kisi ruang itu disebut sel unit (unit cell). Jika posisi atom dalam padatan dapat dinyatakan dalam sel unit ini, maka sel unit itu merupakan sel unitstruktur kristal. Rusuk dari suatu sel unit dalam struktur kristal haruslah merupakan translasi kisi, yaitu vektor yang menghubungkan dua simpul kisi.

Dalam membentuk padatan (membeku) atom-atom gas mulia tersusun dalam susunan yang rapat. Konfigurasi yang mantap dari gas mulia menjadi konfigurasi yang cenderung untuk dicapai oleh unsur-unsur lain dalam membentuk ikatan atom. Selain gas mulia, atom metal juga membentuk susunan rapat dalam padatan. Hal disebabkan karena ikatan metal merupakan ikatan tak berarah. Syarat utama yang harus dipenuhi dalam membentuk padatan adalah terjadinya susunan yang rapat. Tiga sel satuan yang paling banyak dijumpai pada metal (dan gas mulia dalam keadaan beku) adalah FCC, HCP, dan BCC.

Pada umumnya zat padat terdiri dari susunan yang teratur dari atom, molekul atau ion. Jika setiap partikel penyusun dinyatakan sebagai titik, maka struktur Kristal dapat dinyatakan sebagai suatu pola teratur yang berulang dan di sebut kisi Kristal.

Dalam eksperimen ini, dipelajari bagaimana atom, ion itu tersusun dalam zat padat, dengan menggunakan bola pimpong. Srtruktur Kristal yang dipelajari dalam eksperimen adalah kubus berpusat badan, kubus berpusat muka, struktur NaCl dan struktur CsCl.

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, polihedra anion (polihedra koordinasi) tersusun sedemikian rupa sehingga tercapai kenetralan listrik dan energi ikat per satuan volume menjadi minimum, seimbang dengan terjadinya gaya tolak antar muatan yang sejenis. tidak murni ionik, ikatan kovalen atau metal menentukan juga posisi-posisi ion.

Kubus berpusat muka adalah kubus yang dalam kristalnya satu atom bersentuhan dengan empat atom pada lapisan atas dan empat atom pada lapisan bawah dan empat atom pada lapisannya. akibatnya bilangan koordinasinya menjadi 12.

Kubus berpusat badan adalah struktur yang atom pusatnya bersentuhan dengan empat atom lapisan atas dan empat atom di lapisan bawah, akibatnya bilangan koordinasinya menjadi 8.

Heksagonal terjejal adalah struktur yang satu atom pusatnya bersentuhan dengan 3 atom lapisan atas, tiga atom lapisan bawah dan 6 atom pada lapisannya. Jadi bilangan koordinasinya ada dua belas.

Pada struktur Sesium klorida, ion sesium lebih besar (0,168 nm) dibandingkan ion natrium. Satu ion sesium dikelilingi oleh 8 ion klorida, begitu pula sebaliknya satu ion klorida dikelilingi oleh 8 ion sesium, membentuk koordinasi 8:8 sesium maupun klorida secara independen membentuk kubus sederhana dan satu on sesium terletak di pusat kubus yang di bentuk oleh 8 ion klorida.

Pada struktur Natrium klorida. Jari-jari ion klorida (0,181 nm) lebih besar di banding natrium. Setiap ion natrium dikelilingi oleh enam ion klorida dan sebaliknya, sehingga bilangan koordinasinya menjadi 6:6

Jika bilangan koordinasi besar dan muatan kation kecil, atom-atom bisa tersusun lebih rapat yang berarti hubungan sisi ke sisi bahkan bidang ke bidang antar polihedron koordinasi bisa terjadi, tanpa menyebabkan jarak antar kation terlalu dekat. Kation membentuk polihedra koordinasi kation berbentuk oktahedron, tetrahedron tegak, ataupun tetrahedron terbalik. Pada kristal dengan karakter ionic yang sangat dominan, posisi kation yang menempati sebagian dari ruang sela yang tersedia adalah sedemikian rupa sehingga terjadi jarak antar kation rata-rata menjadi maksimal. Pada kristal yang tidak murni ionik, ikatan kovalen atau metal menentukan juga posisi-posisi ion.

D. Alat dan Bahan
1. Bola pimpong berfungsi sebagai model atom



2. Lem berfungsi untuk melekatkan bola pimpong




E. Prosedur Kerja
1. Kubus berpusat badan

Meletakkan suatu pola sehingga dapat bersentuhan dengan 4 bola lapisan pertama

Meletakkan 4 bola pada lapisan kedua dengan lem

Meletakkan lapisan ketiga bola sehingga menyentuh lapisan kedua

Meletakkan di depan model yang telah di buat

2. Kubus Berpusat muka

Meletakkan lapisan kedua sehingga ke empat bola menyentuh bola yang ditengah

Meletakkan lapisan ketiga sehingga tepat berada di atas lapisan pertama

Merekatkan bola-bola pada tempat sentuhan

3. Heksagonal Terjejal

Meletakkan perangkat pertama sehingga bola dan bentuk ketiga tepat berada di depan pengamat

Meletakkan lapisan kedua sehingga bola berada di celah tengah lapisan pertama

Mengusahakan masing-masing bola lapisan pertama dengan 3 bola lapisan ketiga

Meletakkan lapisan ketiga sehingga tepat berada pada lapisan pertama

4. Struktur NaCl

Menyusun ketiga lapisan ion Natrium klorida berselang seling

5. Struktur CsCl

Meletakkan empat bola ukuran ¾ bola pimpong di celah kesembilan bola lapisan pertama

Meletakkan perangkat ketiga ini tepat diarah bola-bola lapisan pertama

F. Hasil Pengamatan

1. Kubus Berpusat Muka

– Bilangan koordinasi : 12

– Atom Pojok : 8

– Atom Rusuk : 0

– Atom Bidang : 6

– Atom Pusat : 0

2. Kubus Berpusat Badan

– Bilangan koordinasi : 8

– Atom Pojok : 8

– Atom Rusuk : 0

– Atom Bidang : 0

– Atom Pusat : 1

3. Heksagonal Terjejal

– Bilangan koordinasi : 12

4. Struktur NaCl

- Ion Na⁺

• Bilangan Koordinasi : 6
• Ion pusat : 0
• Ion pojok : 8
• Ion rusuk : 0
• Ion bidang : 6

• Ion Cl^-

• Bilangan koordinasi : 6
• Ion pusat : 1
• Ion pojok : 0
• Ion rusuk : 12
• Ion bidang : 0

5. Struktur CsCl

- Ion Cs⁺

• Bilangan Koordinasi : 8
• Ion pusat : 0
• Ion pojok : 8
• Ion rusuk : 8
• Ion bidang : 2

• Ion Cl^-

• Bilangan koordinasi : 8
• Ion pusat : 0
• Ion pojok : 8
• Ion rusuk : 0
• Ion bidang : 0

G. Perhitungan dan Pembahasan

a. Perhitungan

1. Kubus berpusat badan

• Atom natrium yang mengkristal dalam bentuk kubus berpusat badan memiliki bilangan koordinasi sebanyak 8
• % volume kubus ini ditempuh bola dalam struktur ini

• Banyaknya atom persatuan sel

= 1/8 x pojok + ¼ rusuk + ½ bidang + banyaknya atom pusat

= (1/8 x 8) + (¼ x 0) + (½ x 0) + 1

= 1 + 0 + 0 + 1 = 2

• Volume bola = 4/3 πr³ Volume kubus = a³ dimana a = 4πr√2
• % volume = banyaknya atom persatuan sel x v bolav kubusx100 %

= 2 x 43πr3(4r3)3x 100 %

= 83π r364 r32√3x 100 %

= 83π64/3√3x 100 %

= 83×3,1412,31 x100 %

= 2,67 x 3,1412,31 x 100 %

= 8,383812,31

= 0,68 x 100 %

= 68 %

2. Kubus berpusat muka

1) Atom tembaga yang mengkristal dalam bentuk kubus berpusat muka memiliki bilangan koordinasi = 12

2) Banyaknya atom persatuan sel

= 1/8 x pojok + ¼ rusuk + ½ bidang + banyaknya atom pusat

= (1/8 x 8) + (¼ x 0) + (½ x 6) + 0

= 1 + 0 + 3 + 0 = 4

3) % volume kubus yang ditempuh bola dalam struktur ini

• Volume bola = 4/3 πr³ Volume kubus = a³ dimana a = 4πr√2
• % volume = banyaknya atom persatuan sel x v bolav kubusx100 %

= 4 4/3πr3(4r/√2)3x 100 %

= 163π r364 r3/2√2 x 100 %

= 163π 64 /2√2x 100 %

= 163 3,1422,63x 100 %

= 16,7422,62 x 100 %

= 0,74 x 100 %

= 74 %

3. Heksagonal terjejal

1) Jumlah bola yang dapat menyentuh setiap bola dalam struktur heksagonal terjejal adalah = 12 bola

2) Perbedaan struktur heksagonal terjejal dengan kubus berpusat muka :

• Jumlah rusuk pada heksagonal = 18, pada kubus berpusat muka = 12
• Pada heksagonal ion pojok tidak ada sedangkan pada kubus berpusat muka ada 8

4. Struktur NaCl

• Jumlah ion Na⁺ persatuan sel

= 1/8 x pojok + ¼ rusuk + ½ bidang + banyaknya atom pusat

= (1/8 x 8) + (¼ x 0) + (½ x 6) + 0

= 1 + 0 + 3 + 0 = 4

• Jumlah ion Cl^- yang terdapat dalam satuan sel

= 12 x ¼ rusuk + 1 = 3 + 1 = 4

• Jarak antara pusat ion Na⁺ dan Cl^- (R)

R Ion Na⁺ = 1,18 Ǻ , R Ion Cl^- = 1,64 Ǻ

R = 1 (1,18 Ǻ) + 1 (1,64) = 2,82 Ǻ

• Bilangan koordinasi setiap ion

Ion Na⁺ = 6 , Ion Cl^- = 6

5. Struktur CsCl

• Jumlah ion Cs⁺ persatuan sel

= 1/8 x pojok + ¼ rusuk + ½ bidang + banyaknya atom pusat

= (1/8 x 8) + (¼ x 8) + (½ x 2) + 0

= 1 + 2 + 1 + 0 = 4

• Jumlah ion Cl^- yang terdapat dalam satuan sel

= 1/8 x pojok + ¼ rusuk + ½ bidang + banyaknya atom pusat

= (1/8 x 8) + (¼ x 0) + (½ x 0) + 0

= 1 + 0 + 0 + 0 = 1

b. Pembahasan

Dengan menggunakan bola pimpong, kita dapat mempelajari dengan mudah bagaimana atom atau ion dalam kristal zat padat. Pada percobaan menggunakan bola pimpong ini yang di bahas adalah Kubus berpusat badan, Kubus berpusat muka, Struktur NaCl, dan Struktur CsCl.

Sel satuan Kristal tidak terisi penuh oleh atom atau ion, tetapi ada ruang kosong. Besar ruang yang terisi bergantung pada jenis partikel dan jenis kristalnya. Untuk menghitung jumlah partikel dalam sel satuan, kita harus membayangkan seolah-olah atom dibelah menjadi beberapa bagian, karena partikel itu milik beberapa sel satuan. Di sini akan dibahas jumlah partikel struktur Kristal.

1. Kubus Berpusat Badan

Pada kubus berpusat badan, terdapat jumlah atom keseluruhan sebanyak 9 buah. Kubus berpusat badan mempunyai bilangan koordinasi 8, atom pusat 1 atom pojok 8, dan tidak memiliki atom rusuk serta bidang. Satuan sel yang dimiliki kubus berpusat badan adalah 1/8 x pojok + ¼ x rusuk + ½ bidang + banyaknya atom pusat. Tiap partikel pojok di bagi 8, karena partikel pojok tersebut merupakan milik 8 kubus, di atas dan di bawah. Partikel rusuk di bagi 4 karena partikel rusuk tersebut adalah milik 4 kubus buah kubus, atom bidang di bagi 2 karena atom bidang adalah milik 2 buah kubus.

2. Kubus berpusat muka

Jumlah atom yang terdapat pada kubus antara lain bilangan koordinasi 12, atom pojok 8, atom bidang 6, tetapi tidak memiliki atom rusuk dan atom pusat. Kubus berpusat muka tidak meiliki atom rusuk dan atom pusat. Sama seperti Kubus berpusat badan, Satuan sel yang dimiliki kubus berpusat muka adalah 1/8 x pojok + ¼ x rusuk + ½ bidang + banyaknya atom pusat. Tiap partikel pojok di bagi 8, karena partikel pojok tersebut merupakan milik 8 kubus, di atas dan di bawah. Partikel rusuk di bagi 4 karena partikel rusuk tersebut adalah milik 4 kubus buah kubus, atom bidang di bagi 2 karena atom bidang adalah milik 2 buah kubus. Pada perhitungan di dapat bahwa satuan sel kubus berpusat muka adalah 4.

3. Heksagonal terjejal

Berdasarkan hasil pengamatan, pada struktur heksagonal terjejal diperoleh bilangan koordinasi 12, enam dalam satu lapisan, di tambah 3 di lapisan atas, dan 3 di lapisan bawah.

4. Struktur NaCl

Kristal Natrium klorida berbentuk kubus berpusat muka. Dalam struktur NaCl masing-masing ion mempunyai bilangan koordinasi 6. Ion Na⁺ tidak ada pada rusuk dan pusat, ion pojok ada 6 dan ion bidang 6, sedangkan ion Cl^- memiliki atom 12 pada rusuk, 1 atom pusat. Satuan sel yang dimiliki struktur NaCl adalah 1/8 x pojok + ¼ x rusuk + ½ bidang + banyaknya atom pusat. Dalam hasil perhitungan di dapat 4 satuan kubus.

5. Struktur CsCl

Sesium klorida (CsCl) berbeda dengan NaCl, CsCl membentuk kubus berpusat badan. Setiap ion pada sesium klorida dikelilingi oleh 8 ion dengan muatan yang berlawanan. Pada sesium klorida ion Cs⁺ memiliki bilangan koordinasi 8, ion pojok 8, ion rusuk 8, dan ion bidang 2. Sedangkan ion Cl^- memiliki bilangan koordinasi 8, dan ion pojok 8.

H. Kesimpulan

Berdasarkan pengamatan pada percobaan ini dapat disimpulkan bahwa :

• Struktur kristal zat padat ada beberapa macam, dan yang di amati dalam percobaan antara lain adalah kubus berpusat muka, kubus berpusat badan, dan heksagonal terjejal.
• Struktur NaCl adalah kubus berpusat muka dan CsCl adalah kubus berpusat badan.
• Dengan menggunakan bola pimpong, dapat mempermudah kita untuk mengamati model dari atom atau ion dalam zat padat yang membentuk struktur Kristal.

I. Kemungkinan Kesalahan

• Kurang terampilnya praktikan dalam merangkai model atom berdasarkan ion (warna yang berbeda)