Modul struktur dan pengikatan atom ruang lingkup ilmu material

Modul 1
STRUKTUR dan PENGIKATAN ATOM
1.1 Ruang lingkup ilmu material

Dalam kehidupan sehar-hari khususnya dibidang rekayasa kita sering

dihadapkan kepada kebutuhan akan material yang memiliki sifat-sifat tertentu seperti

kekerasan, kekuatan, kegetasan, respon terhadap magnet, keausan dan lain lain.

Rekayasawan dituntut untuk mendesain, mensintesis dan mengembangkan material

baru, menganalisis kegagalan, dan puncaknya membuat material dengan bangun,

bentuk, dan sifat-sifat yang diinginkan dengan harga terjangkau. Dalam aplikasi sektor

utama adalah mewakili logam, keramik dan polimer. Semua material ini dapat

diproduksi dalam bentuk non-kristalin, sehingga ditampilkan sebuah rongga mirip gelas.

Penggabungan dua atau lebih material yang sifatnya sangat berbeda, sebuah

penemuan yang sudah berusia ratusan tahun, menghasilkan material-material

komposit yang penting: polimer penguatan serat-karbon (CFRP, ceramic fiber

reinforced polymer) dan komposit adalah mutahir.

Ajektiva-ajektiva yang menerangkan perilaku makroskopik material tentunya

memainkan peranan yang sangat penting dalam setiap bahasa. Kita menulis dan

menyebut material sebagai keras, kuat, getas, tahan aus, mampu tempa, magnetik dan

lain-lain. Meskipun terkesan sederhana, istilah-istilah seperti ini memiliki kedalaman

kompleksitas ketika dihadapkan penelitian ilmiah, khususnya ketika kita berusaha

mengkaitkan suatu sifat tertentu dengan struktur internal material. Sifat-sifat material

sangat berkaitan dengan entitas struktural terkecil dalam material dan keadaan-

keadaan elektronik yang menyertainya.

1.2 Atom bebas

1.2.1 Keempat bilangan kuantum

Atom adalah inti yang bermuatan positif, yang membawa bagian terbesar dari

massa atom tersebut, dengan elektron-elektron yang berputar mengelilinginya (Teori

atom Rutherford). Lintasan elektron berbentuk orbit-orbit lingkaran sehingga gaya

sentrifugal dari elektron-elektron yang be-revolusi sama dengan gaya tarik menarik

elektrostatik antara inti atom yang bermuatan positif dengan elektron elektron yang

mengelilinginya.

1 http://www.mercubuana.ac.id

1.3 Tabel Periodik

Tabel periodik merupakan cara klasifikasi elemen kimia yang sangat berharga,

dimana elemen merupakan satu kumpulan yang berisi atom-atom sejenis. Dari 107

elemen yang muncul, 90 diantaranya terdapat di alam; sisanya diproduksi di reaktor-

reaktor nuklir atau akselerator-akselerator partikel. Disamping lambang kimia setiap

elemen dicantumkan bilangan atomik (Z) dari elemen bersangkutan, yang dianggap

sebagai jumlah proton dalam inti atau jumlah jumlah elektron yang mengorbit

mengelilingi atom. Elemen-elemen biasanya diklasifikasikan dalam (baris horizontal),

bergantung pada kulit elektron mana yang diisi, dan golongan (kolom vertikal). Elemen

yang terletak dalam satu golongan mempunyai konfigurasi elektron yang sama pada

kulit paling luar, dan sebagai akibat langsungnya, memiliki sifat-sifat kimia yang sama.

Prinsip penyusunan (Aufbau prinsip) untuk tabel periodik pada dasarnya

bertumpu pada dua kaidah. Pertama, Prinsip Ekslusi Pauli harus diikuti. Kedua sesuai

dengan kaidah Hund mengenai multisiplitas maksimum, keadaan dasar selalu harus

menghasilkan spin maksimum, seperti terlihat dalam gambar berikut.

3

						dalam kulit
Pertama K	1	0	0	+1/2	Dua keadaan 1s	2
Kedua L	2	0	0	+1/2	Dua keadaan 2s	8
		1	+1	+1/2	Eanam keadaan 2p
			0	+1/2
			-1	+1/2
Ketiga M	3	0	0	+1/2	Dua keadaan 3s	18
		1	+1	+1/2	Enam keadaan 3p
			0	+1/2
			-1	+1/2
			+2	+1/2	Sepuluh keadaan 3d
			+1	+1/2
		2	0	+1/2
			-1	+1/2
			-2	+1/2

http://www.mercubuana.ac.id

(Z = 36), dan sebagaimana telah dikemukakan sebelumnya, memiliki ciri yang

berbecla yaitu pengisian keadaan-4s sebelum. keadaan-3d. Jacli, kalium memiliki

kesamaan dengan natrium dan. litium yaitu bahwa elektron dengan energi

tertingginya berada dalam keadaan-s; sebagai akibatnya, elemenelemen ini memiliki

reaktivitas kimia yang sangat mirip, dan membentuk gugus yang dikenal sebagai

elemen-elemen logam-alkali. Setelah kalsium (Z = 20), pengisian keadaan-3d dimulai.

Keadaan-4s pada. kalsium. (Z = 20) telah terisi dan pengisian keadaan-3d dapat

terjadi karena energinya cukup, besar clan menghasilkan skandium (Z = 21).

Pengisian yang tertunda dari kelima orbital-3d dari skandium sampai selesainya

pengisian tersebut pada tembaga (Z = 29) merampungkan deret-deret pertama elemen

transisi. Satu anggota dari deret-deret ini, kromium (Z = 24), dengan sendirinya

berperilaku lain dari biasanya. Dengan menerapkan kaidah Hund, kita dapat

menjelaskan bahwa maksimalisasi spin sejajar tercapai dengan menempatkan

enam elektron, dengan spin sejenis, sehingga lima elektron mengisi keadaan-keadaan-

3d dan satu elektron memasuki keadaan-4s. Mode pengisian penuh keadaan-3d ini

sangat mengurangi energi dari elektron-elektron di dalam kulit ini. Sekali lagi, pada

tembaga. (Z = 29), anggota terakhir dari deret transisi ini, pengisian pe- nub semua

orbital-3d juga banyak mengurangi energi. Dari penjelasan tersebut jelas bahwa level

energi 3d dan 4s terletak sangat berdekatan. Setelah tembaga, keadaan-keadaan

energi terisi dengan cara yang biasa dan periode panjang pertama diakhiri dengan

kripton (Z = 36). Perlu dicatat bahwa elemen-elemen

1.4 Pengikatan interatomik pada material

Materi umumnya berbentuk tiga wujud yaitu wujud padat, cair dan gas. Pada

saat atom-atom berubah langsung dari wujud gas (desublimasi) atau wujud cair

(solidifikasi) ke wujud padat (solid) yang biasaya lebih rapat, atom-atom tersebut

membentuk agregat-agregat didalam ruang tiga dimensi. Gaya-gaya pengikatan

perlahan-lahan muncul ketika atom-atom didekatkan satu sama lain. Kadang-kadang

gaya-gaya ini memiliki arah tertentu di dalam ruang. Sifat dasar dari gaya-gaya ini

berdampak langsung pada struktur padatan yang terjadi dan karenanya berdampak

langsung pada sifat-sifat fisis material. Titik leleh memberikan petunjuk langsung yang

berguna mengenai jumlah energi thermal yang digunakan untuk memutuskan ikatan

interatomik atau interionik.


5 http://www.mercubuana.ac.id