Struktur kristal zat padat

Struktur Kristal

Kristal merupakan susunan atom-atom yang teratur dalam ruang tiga

dimensi. Keteraturan susunan tersebut terjadi karena harus

terpenuhinya kondisi geometris, ketentuan ikatan atom, serta susunan

yang rapat. Walaupun tidak mudah untuk menyatakan bagaimana

atom tersusun dalam padatan, namun ada hal-hal yang bisa menjadi

faktor penting yang menentukan terbentuknya polihedra koordinasi

susunan atom-atom. Secara ideal, susunan polihedra koordinasi paling

stabil adalah yang memungkinkan terjadinya energi per satuan volume

yang minimum. Keadaan tersebut dicapai jika:

(1) kenetralan listrik terpenuhi,

(2) ikatan kovalen yang diskrit dan terarah terpenuhi,

(3) gaya tolak ion-ion menjadi minimal,

(4) susunan atom serapat mungkin.

Penggolongan

Suatu kristal dapat digolongkan berdasarkan susunan partikelnya dan dapat pula berdasarkan jenis partikel penyusunnya atau interaksi yang menggabungkan partikel tersebut.

Jenis-jenis kristal
Logam	Ionik	Molekular	Kovalen
Li	NaCl	Ar	C (intan)
Ca	LiF	Xe	Si
Al	AgCl	Cl	SiO2
Fe	Zn	CO2

Sifat- Sifat Kristal

Kristal memiliki berbagai sifat khas, dimana kita dapat menentukan kristal tersebut dengan menggunakan ke khasan dari suatu kristal. Berikut sifat-sifat khas dari mineral:

A. Rasa
Rasa bukanlah yang pertama atau mungkin yang terakhir dalam mendiskripsi mineral. Namun, rasa kadang-kadang merupakan suatu karakteristik yang sangat baik dan suatu kunci dalam mengidentifikasi beberapa mineral. Umumnya mineral yang biasa dirasa/dicicipi adalah garam-batuan atau halit, tetapi ada beberapa lain mineral yang mempunyai suatu rasa yang membedakan.

Ketika merasakan suatu mineral, janganlah langsung menjilat mineral tersebut karena kemungkinan mineral tersebut beracun. Hal yang perlu dilakukan yaitu membasahi jari lalu sentuhkan jari tersebut ke mineral kemudian jilatlah jari tersebut. Dengan cara ini, seandainya mineral tersebut beracun maka hanya sedikit racun yang masuk ke mulut.
Beberapa mineral mempunyai rasa yang unik dan tidak dapat diuraikan kecuali garis besarnya, tetapi dengan berlatih dan mencoba, mineral bisa dengan mudah dikenali.

Berikut ini beberapa contoh mineral yang mempunyai rasa tertentu :

- Borax(alkali manis)
- Chalcanthit(logam manis)
- Glauberit(pahit agak asin)
- Halit (asin)
- Hanksit (asin)
- Silvit (pahit)

B. Ketembusan Cahaya
Ketembusan cahaya adalah kemampuan mineral untuk melewatkan cahaya/sinar. Sifat ini dibedakan menjadi 3 kelompok, yaitu :

1. TRANSPARAN MINERAL
Transparan mineral ialah sifat mineral dimana mineral tersebut mampu melewatkan cahaya dan tembus pandang seperti kaca.
Contoh transparan mineral :
- Topaz
- Kalsit

2. TRANSLUCENT MINERAL
Translucent mineral ialah sifat mineral dimana mineral tersebut tembus cahaya tetapi tidak tembus pandang.
Contoh translucent mineral :
- Witherit
- Gipsum

3. OPAK MINERAL
Opak adalah sifat mineral dimana mineral tidak tembus cahaya meskipun dalam bentuk helaian/lembaran yang sangat tipis. Biasanya mineral ini mempunyai kilap metalik.
Contoh Opak mineral :
- Bixbyite
- Hematit

C. BAU MINERAL
Beberapa mineral mempunyai bau tertentu. Pada umumnya, bau mineral tidaklah begitu tercium kecuali mineral tersebut baru saja digali. Contoh mineral yang memiliki bau yaitu :

• Mineral sulfur dan juga kelompok mineral sulfida ( markasit, galena, kalkosit, dll) mempunyai bau yang sangat menyengat dan khas.
• Arsenopirit (mineral arsenik yang beracun) berbau seperti bawang putih ketika mineral ini dihancurkan.

D. REAKSI DENGAN ASAM
Mineral yang dapat bereaksi dengan asam cenderung merupakan kelompok mineral karbonat. Kelompok ini dicirikan dengan adanya gugus anion kompleks, yaitu CO32-. Reaksi dengan asam akan menyebabkan mineral menjadi tidak stabildan akan memutuskan ikatan dan membentuk air dan CO2. Sebagai contoh kalsit, reaksinya yaitu:

CaCO3 + 2H(+1) -------> Ca(+2) + H2O + CO2 (gas)

Pada reaksi ini terjadi suatu gelembung dan buih. Gelembung dan buih ini merupakan reaksi yang menandai adanya ion karbonat. Untuk mendeteksi ion karbonat biasanya digunakan asam HCl.

Kisi atom raksasa

Suatu kisi kristal yang terdiri dari atom yang saling berikatan dengan ikatan kovalen, misalnya, intan. Zat dengan kisi atomik raksasa sangat kuat serta mempunyai titik leleh dan didih yang sangat tinggi.

Kisi ion raksasa

Suatu kisi kristal yang terdiri dari ion yang terikat satu sama lain dengan ikatan ion, misalnya, natrium klorida. Ikatan ion sangat kuat, ini berarti zat akan mempunyai titik leleh dan titik didih yang tinggi.

Kisi logam raksasa

Suatu kisi kristal yang terdiri dari atom logam yang saling berikatan dengan ikatan logam, misalnya, zink. Elektron terdelokalisasi bebas bergerak, menjadikan logam penghantar listrik dan panas yang baik. Lapisan logam dapat saling melipat di atas yang lain, membuat logam dapat ditempa dan dapat ditarik.

Kisi molekular

Suatu kisi kristal yang terdiri dari molekul yang saling berikatan dengan gaya-gaya antarmolekul, misalnya, iodin. Gaya ini lemah, sehingga kristal mempunyai titik leleh dan didih yang rendah bila dibandingkan dengan senyawa ion dan dapat dengan mudah diputuskan. Ikatan kovalen di dalam molekulnya lebih kuat dan tidak terlalu mudah untuk diputuskan.

Ada banyak sekali sistem atau tipe kristal, akan tetapi setidaknya ada 7 (tujuh) tipe kristal yang banyak dijumpai di alam ini. Berikut adalah ke-tujuh sistem kristal tersebut.

Kubik (atau isometrik)

Tipe kristal ini memeiliki tiga sumbu yang saling berpotongan membentuk sudut siku – siku, dan ketiganya memiliki panjang yang sama. Pirit (Fe₂S₃, salah satu mineral besi) dan kristal Halit (NaCl, garam) merupakan contoh dari kristal yang berbentuk isometrik ini.

Tetragonal

Kristal ini memiliki dua sumbu yang sama, sumbu horisontal yang bersudut 90 derajat dan satu sumbu (yang lebih panjang dibandingkan dengan dua lainnya) tegak lurus terhadap bidang antara dua sumbu yang sama tadi. Dengan kata lain, semua sumbu membentuk sudut siku2 atau 90 derajat terhadap satu sama lain, dan dua sumbu adalah sama panjang. Kalkopirit (atau tembaga-besi sulfida) adalah contoh dari sitem kristal tetragonal ini.

Ortorombik

Tipe kristal ini memiliki 3 (tiga) sumbu yang berbeda yang berpotongan tepat 90 derajat dari sistem kristalnya. Topas (sebuah silikat fluorin-alumunium) adalah contoh yang sangat baik untuk menggambarkan sistem kristal ortorombik ini.

Monoklin

Tipe kristal ini memiliki 3 (tiga) sumbu yang tidak sama satu dengan yang lainnya dan berpotongan membentuk sudut siku – siku terhadap sistem dan salah satu sumbu memiliki sudut lebih miring terhadap bidang yang dibentuk oleh kedua sumbu yang lainnya. Augit (sebuah silikat besi dan magnesium) adalah anggota dari sistem kristal monoklin ini.

Triklin

Tipe kristal ini memiliki 3 (tiga) sumbu yang tidak sama yang saling berpotongan pada sisi miringnya. Felspar-Albit (sebuah silikat natrium dan aluminium) merupakan contoh dari mineral dengan sistem kristal triklin.

Felspar Albit

Heksagonal

Kristal ini memiliki tiga sumbu yang sama yang saling bersinggungan di sudut 60 derajat pada bidang horizontal. Mereka juga memiliki (lebih panjang atau pendek) keempat sumbu tegak lurus terhadap bidang yang dibentuk oleh tiga sumbu lainnya. Atau ada empat sumbu, tiga dari panjang yang sama pada 120 derajat satu sama lain dan sudut terakhir membentuk siku terhadap bidang sebelumnya. Beryl (batu permata dikenal sebagai silikat berilium) adalah bagian dari sistem kristal heksagonal.

Trigonal (Rombohedral)

Tipe kristal ini memiliki sumbu – sumbu yang sama yang saling berpotongan pada sisi miring sistem ini. Tipe kristal ini biasanya memiliki kombinasi dengan sistem kristal Hexagonal.

Kristal Kuarsa

Kisi kristal yang biasa disebut kisi dapat dikatakan sebagai abstraksi dari kristal, sehingga kisi merupakan pola dasar atau pola geometri dari kristal, ilustrasi kisi dapat digambarkan seperti gambar 1.3

· · · · ·

· · · · ·

· · · · ·

· · · · ·

· · · · ·

Gambar 1.3. Kisi kristal

Titik-titik pada gambar 1.3 merupakan tempat kedudukan atom dalam suatu kristal, pada suatu kristal setiap titik tersebut dapat ditempati oleh atom yang sama atau atom berbeda, namun masing-masing posisi satu dengan yang lain tetap periodic.

Kisi ada dua kelompok: kisi Bravais dan non-Bravais. Kisi disebut kisi Bravais jika semua titik kisinya equivalen, sedangkan kisi non-Bravais jika ada beberapa titik kisi yang tidak equivalen. Gambar 1.3 merupakan ilustrasi dari kisi Bravais, sebab setiap titik pada gambar tersebut sama, sedangkan gambar 1.4 merupakan ilustrasi dari kisi non-Bravais sebab ada titk kisi yang berupa “ titik “yang bulat dan kecil.

· · · · ·

· · · · ·

· · · · ·

· · · · ·

· · · · ·

Gambar 1.4. Kisi non-Bravais

BAB IIDIFRAKSI SINAR-X OLEH KRISTAL

Sinar X

·         Merupakan radiasi elektromagnetik berenergi tinggi

·         Dihasilkan akibat interaksi antara berkas berkas elektron eksternal dengan elektron pada kulit atom.

·         Spektrum sinar x memiliki:

panjang gelombang antara10^-5-1 nm,

frekuensi antara 10¹⁷-10²⁰ Hz,

Energi antara 10³-10⁶ eV.

·         Panjang gelombnag Sinar X memiliki orde yang sama dengan jarak antara atom.

Prinsip difraksi Sinar X

·         Sinar X terpancar dari tabung Sinar X.

·         Difraksi sinar X yang konvergen diterima slit.

·         Sinar X diterima detektor,

diubah menjadi sinyal listrik.

·         Sinyal ini dihitung sebagai analisa pulsa tinggi.

Interaksi Sinar X dengan material

1.      Energi berkas Sinar X terserap oleh atom.

2.      Energi berkas Sinar X dihamburkan oleh atom

Difraksi Sinar X

1. Proses hamburan sinar X oleh bahan kristal.
2. Difraksi tergantung pada struktur kristal dan panjang gelombang.

1.  
1. jika (λ) ukuran atom, tidak terjadi difraksi
2. jika (λ) < ukuran atom, terjadi difraksi

Difraksi Sinar X

o    Teknik yang digunakan dalam karakterisasi material.

o    Untuk mendapatkan informasi mengenai ukuran atom.

Hukum Bragg

n = 1,2,3,…. orde pertama, kedua, ketiga dst

d jarak antara 2 bidang pantul yang berdekatan

θ sudut antara sinar datang dan sinar pantul

Interferensi konstruktif terjadi jika selisih lintasan antara dua sinar berurutan merupakan kelipatan dari panjang gelombangnya (λ)

SEMIKONDUKTOR

Semikonduktor adalah atom yang berisi empat elektron valensi. Karena jumlah elektron valensi di dalam semikonduktor adalah ditengah antara satu (konduktor) dan delapan (isolator) maka atom semikonduktor bukan konduktor yang baik dan bukan isolator yang baik. Bahan semikonduktor yang banyak digunakan adalah silikon (Si), germanium (Ge), dan karbon (C). Silikon dan germanium digunakan untuk membuat komponen-komponen zat padat (solid state), sedangkan karbon terutama untuk membuat resistor dan potensiometer.

Bila tidak ada gaya luar yang menyebabkan konduksi, cacah elektron dan proton adalah sama. Karena muatan elektron(negatif) dan proton (positif) adalah sama dan berlawanan maka muatan netto pada atom adalah nol. Bila atom kehilangan elektron valensi maka muatan atom menjadi positif, sebaliknya bila menerima elektron, muatan netto menjadi negatif. Semikonduktor terbagi atas dua yaitu semikonduktor intrinsik dan semikonduktor ekstrinsik.

1.         Semikonduktor Intrinsik

Atom-atom semikonduktor yang mempunyai empat elektron valensi tersusun sebagai kristal tetrahedral oleh adanya ikatan kovalen dengan mekanisme hantarannya digunakan gambaran dua dimensi susunan kristalnya. Lingkaran dengan tanda +4 melukiskan ion semikonduktor yakni atom beserta elektron-elektronnya selain empat elektron valensi. Ikatan kovalen dilukiskan dengan garis lengkung dengan dua elektron valensi di dalamnya. Pada suhu 0 K, elektron valensi terikat erat dengan ikatan kovalen dan tidak ada elektron bergerak bebas. Kalau suhu kristal dinaikkan sehingga ada elektron yang kenaikan tenaga termalnya melebihi celah tenaga maka elektron-elektron ini akan meloncat ke bidang konduksi menjadi elektron bebas.

Kalau pada suatu ikatan kovalen terbentuk lubang maka elektron valensi dari atom yang berdekatan akan melepaskan diri dari ikatan kovalen untuk mengisi lubang tersebut. Elektron ini akan meninggalkan lubang pada tempat yang ditinggalkan. Maka lubang akan bergerak dengan arah yang berlawanan dengan elektron. Maka semikonduktor intrinsik pada suhu 0K bersifat sebagai isolator, dan pada suhu yang sangat tinggi bersifat sebagai konduktor karena terjadi pembentukan pasangan elektron bebas dan lubang yang banyaknya sama dan berlaku sebagai pembawa muatan.

1.         Semikonduktor Ekstrinsik

Untuk menyusun devais elektronik diperlukan bahan yang kaya akan satu jenis pembawa muatan saja yaitu lubang saja atau elektron saja. Untuk itu diperlukan doping, yakni memasukkan atom asing bervalensi 5 atau 3 dengan prosentasi kecil sehinga dihasilkan semikonduktor ekstrinsik. Adapun semikonduktor terbagi atas 2 yaitu semikonduktor tipe n dan semi kondutor tipe p. Pada semikonduktor tipe n diperoleh dengan doping atom asing bervalensi 5, seperti fosfor(P), arsen(As), dan antimon(Sb), kedalam semikonduktor intrinsik. Atom valensi 5 ini disebut sebagai atom donor karena dalam membentuk ikatan kovalen dibebaskan kelebihan elektronnya. Atom donor setelah membebaskan satu elektron valensi menjadi ion positif yang terikat ditempat.Pada semikonduktor tipe p diperoleh dengan doping atom asing bervalensi 3, seperti boron (B), alumunium (Al) dan galim (Ga) ke dalam semikonduktor instrinsik. Atom bervalensi 3 ini disebut sebagai atom akseptor, karena untuk membentuk ikatan kovalen memperoleh sebuah elektron. Karena menerima sebuah elektron maka atom akseptor menjadi ion negatif yang terikat di tempat.