Ikatan dan Unsur

Ikatan dan Unsur

Klasifikasi Ikatan Kimia

Ikatan yang menggunakan pasangan elektron untuk mengikat atom A dan atom B disebut ikatan kovalen dan ditulis menjadi A-B atau A:B. Karena ada dua pasang elektron yang terlibat dalam ikatan ganda dan tiga pasang di ikatan rangkap tiga. Ikatan itu ditandai berturut-turut menjadi A=B ,  , A≡B atau A::B, A:::B.

Ikatan elektrostatik antara kation (ion positif)  dan anion (ion negatif), seperti dalam NaCl disebut dengan ikatan ionik.  Karena muatan elektrik total senyawa harus nol, muatan listrik kation dan anion harus sama.  Ada sumbangan parsial ikatan kovalen bahkan dalam senyawa ionik, dan ion-ionnya tidak harus terikat satu sama lain melalui interaksi elektrostatik saja. Ikatan karena elektron konduksi dalam logam disebut dengan ikatan logam. (Mulyono, 2011)

Faktor geometri

A.    Jari – jari Atomik dan Ion

1.      Jari-Jari Atom

Kerapatan elektron dalam atom secara perlahan akan menuju nol tetapi tidak pernah mencapai nol ketika jarak dari inti meningkat. Oleh karena itu, secara ketat dapat dinyatakan bahwa jari-jari atom atau ion tidak dapat ditentukan. Namun, secara eksperimen kita dapat menentukan jarak antar inti atom. Jari-jari atomik yang ditentukan secara eksperimen merupakan salah satu parameter atomik yang sangat penting untuk mendeskripsikan kimia struktural senyawa.

2.      Jari-Jari Ionik

Karena kation dan anion unsur yang berbeda dalam senyawa ion diikat dengan interaksi elektrostatik, jarak ikatan adalah jumlah jari-jari ionik yang diberikan untuk kation dan anion.
Jari-jari ionik standar satu spesies ditetapkan terlebih dahulu dan kemudian dikurangkan dari jarak antar ion untuk menentukan jari-jari ion partnernya.

3.      Entalpi Kisi

Ketika ion-ion dalam keadaan gas bereaksi satu dengan yang lainnya membentuk senyawa kemudian melepaskan entalpi atau mengubah nilai entalpi, itulah yang disebut entalpi kisi. Sebagai contoh adalah pembentukan NaCl yang biasanya melepaskan kalor ke lingkungan:

Na⁺ (g) + Cl ^- (g) ⇌ NaCl (s)

4.      Tetapan Madelung

Energi potensial Coulomb total antar ion dalam  senyawa ionik yang terdiri atas ion A dan B adalah penjumlahan energi potensial Coulomb interaksi ion individual, Vab.  Karena lokasi ion-ion dalam kisi kristal ditentukan oleh tipe struktur, potensial Coulomb total antar ion dihitung dengan menentukan jarak antar ion d. N_A adalah tetapan Avogadro sedangkan   z_A dan  z_B adalah muatan listrik kation dan anion.  Interaksi elektrostatik antara ion-ion yang bersentuhan merupakan yang terkuat, dan tetapan Madelung biasanya menjadi lebih besar bila bilangan koordinasinya meningkat.

B.   Struktur Kristal Logam

Logam adalah suatu unsur yang mempunyai sifat-sifat seperti : kuat, liat, keras, mengkilat, dan penghantar listrik dan panas. Sifat-sifat metal pada umumnya dapat digolongkan atas :

a.       Sifat-sifat Ekstraktif/kimia (Chemical Properties)

Meliputi ciri-ciri dari komposisi kimia dan pengaruh unsur terhadap metal (logam)

b.       Sifat –sifat Mekanik (Mechanical Properties)

Yang disebut sifat mekanik ialah sifat bahan bilamana dipengaruhi gaya dari luar. yaitu : kekuatan tarik, kuat bengkok, kekerasan, kuat pukul, kuat geser, dan lain-lain.

c.        Sifat – sifat Fisik (Physical Properties)

Meliputi sifat logam yang tidak dipengaruhi oleh tenaga luar, yaitu : berat jenis, daya hantar listrik dan panas, sifat magnet, dan struktur mikro logam

1.     Struktur Kristal

Logam seperti bahan lainnya, terdiri dari susunan atom-atom. Untuk lebih memudahkan pengertian, maka dapat dikatakan bahwa atom-atom dalam kristal logam tersusun secara teratur dan susunan atom-atom tersebut menentukan struktur kristal dari logam. Susunan dari atom-atom tersebut disebut cell unit.

Pada temperatur kamar, besi atau baja memiliki bentuk struktur BCC (Body Centered Cubic). Dalam hal ini cell unit dari atom-atom disusun sebagai sebuah kubus dengan atom-atom menempati kedelapan dari sudut kubus dan satu atom berada di pusat kubus. Pada temperatur yang tinggi, besi atau baja memiliki bentuk struktur FCC (Face Centered Cubic). Dalam hal ini, cell unit adalah sebuah kubus dengan atom-atom menempati kedelapan dari sudut kubus dan atom lainnya berada pada pusat masing-masing dari enam keenam bidang kubus. Disamping berbentuk kubus, cell unit lainnya dapat berupa HCP (Hexagonal Close Packed), seperti halnya pada logam seng. Dalam hal ini atom-atom menempati kedua belas sudut, atom lain menempati dua sisi dan ketiga atom lagi menempati tengah.

Susunan atom-atom dalam struktur kristal sangat menentukan sifat-sifat logamnya. Logam dengan struktur kristal BCC mempunyai kerapatan atom yang lebih rendah dibandingkan logam dengan struktur kristal FCC. Perbedaan kerapatan atom itu dapat dilihat dari jumlah bidang gesernya. Pada struktur kristal BCC, jumlah bidang gesernya lebih sedikit dari struktur kristal FCC, sehingga kemampuan atom-atom untuk bergeser lebih sulit. Dengan demikian, logam dengan struktur kristal BCC membutuhkan energi lebih besar untuk mengerakkan dislokasi. Hal ini yang menyebabkan logam dengan struktur kristal BCC lebih sulit dibentuk jika dibandingkan logam dengan struktur kristal FCC yang mempunyai kekuatan rendah tetapi memiliki keliatan yang tinggi (ductility)

2.     Struktur Mikro

Struktur mikro logam merupakan penggabungan dari satu atau lebih struktur kristal. Pada umumnya logam terdiri dari banyak kristal (majemuk), walaupun ada diantaranya hanya terdiri dari satu kristal saja (tunggal). Tetapi logam dengan kristal majemuk memungkinkan pengembangan berbagai sifat-sifat yang dapat memperluas ruang lingkup pemakaiannya. Dalam logam, kristal sering disebut sebagai butiran. Batas pemisah antara dua kristal pemisah antara dua kristal disebut batas butir

Struktur kristal logam Kebanyakan bahan logam mempunyai tiga struktur kristal:

a.       kubus berpusat muka (face-centered cubic).

b.       kubus berpusat badan (body-centered cubic).

c.        heksagonal tumpukan padat (hexagonal close-packed).

FACE CETERED CUBIC (FCC)  

a.     gambar 2a tersebut menunjukkan model bola pejal sel satuan FCC,

b.    gambar 2b pusat-pusat atom digambarkan dengan bola padat kecil

c.     Struktur FCC mempunyai sebuah atom pada pusat semua sisi kubus dan sebuah atom pada setiap titik sudut kubus. Beberapa logam yang memiliki struktur kristal FCC yaitu tembaga, aluminium, perak, dan emas.

d.    Sel satuan FCC mempunyai empat (4) buah atom, yang diperoleh dari jumlah delapan seperdelapan-atom pada delapan titik sudutnya plus enam setengah-atom pada enam sisi kubusnya (8 1/8  + 6 1/2).

e.     Atom-atom atau inti ion bersentuhan satu sama lain sepanjang diagonal sisi. Hubungan panjang sisi kristal FCC, a, dengan jari-jari atomnya, R, ditunjukkan oleh persamaan berikut:

Tiap atom dalam sel satuan FCC ini dikelilingi oleh duabelas (12) atom tetangga, hal ini berlaku untuk setiap atom, baik yang terletak pada titk sudut maupun atom dipusat sel satuan (lihat Gambar 2a). Jumah atom tetangga yang mengelilingi setiap atom dalam struktur kristal FCC yang nilainya sama untuk setiap atom disebut dengan bilangan koordinasi (coordination number). Bilangan koordinasi struktur FCC adalah 12.

Faktor tumpukan atom (atomic packing factor, APF) adalah fraksi volum dari sel satuan yang ditempati oleh bola-bola padat, seperti ditunjukkan oleh persamaan berikut: 

 BODY CENTERED CUBIC (BCC)

Struktur kristal kubus berpusat badan (BCC):

(a) gambaran model bola pejal sel satuan BCC

(b)Sel satuan BCC digambarkan dengan bola padat kecil,

(c) Sel satuan BCC yang berulang dalampadatan kristalin

·         Logam–logam dengan struktur BCC mempunyai sebuah atom pada pusat kubus dan sebuah atom pada setiap titik sudut kubus

·         Sel satuan BCC mempunyai dua (2) buah atom, yang diperoleh dari jumlah delapan seperdelapan atom pada delapan titik sudutnya plus satu atom pada pusat kubus (8 1/8 + 1).

·         Atom-atom atau inti ion bersentuhan satu sama lain sepanjang diagonal ruang. Hubungan panjang sisi kristal BCC, a, dengan jari-jari atomnya, R, diberikan sebagai berikut:

Tiap atom dalam sel satuan BCC ini dikelilingi oleh delapan (8) atom tetangga (lihat Gambar 3a), sebagai akibatnya bilangan koordinasi struktur BCC adalah 8.Karena struktur BCC mempunyai bilangan koordinasi lebih kecil dibandingkan dengan bilangan koordinasi FCC, maka faktor tumpukan atom struktur BCC, yang bernilai 0.68, adalah juga lebih kecil dibandingkan dengan faktor tumpukan atom FCC.

HEXAGONAL CLOSE PACKED (HCP)

Gambar Struktur kristal heksagonal tumpukan padat (HCP):

(a) sel satuan HCP digambarkan dengan bola padat kecil,

(b) sel satuan HCP yang berulang dalam padatan kristalin. 

·         Ciri khas logam–logam dengan struktur HCP adalah setiap atom dalam lapisan tertentu terletak tepat diatas atau dibawah sela antara tiga atom pada lapisan berikutnya

·         Sel satuan HCP mempunyai enam (6) buah atom, yang diperoleh dari jumlah dua-belas seperenam-atom pada dua belas titik sudut lapisan atas dan bawah plus dua setengah-atom pada pusat lapisan atas dan bawah plus tiga atom pada lapisan sela/tengah (12 1/6 + 2  1/2 + 3).

·         Jika a dan c merupakan dimensi sel satuan yang panjang dan pendek (lihat Gambar 4), maka rasio c/a umumnya adalah 1.633. Akan tetapi, untuk beberapa logam HCP, nilai rasio ini berubah dari nilai idealnya.   

·         Bilangan koordinasi struktur HCP dan faktor tumpukannya sama dengan struktur FCC, yaitu 12 untuk bilangan koordinasi dan 0.74 untuk faktor tumpukan.

Kristal Ionik

Dalam kristal ionik, seperti logam halida, oksida, dan sulfida, kation dan anion disusun bergantian, dan padatannya diikat oleh ikatan elektrostatik. Banyak logam halida melarut dalam pelarut polar misalnya NaCl melarut dalam air, sementara logam oksida dan sulfida, yang mengandung kontribusi ikatan kovalen yang signifikan, biasanya tidak larut bahkan di pelarut yang paling polar sekalipun. Struktur dasar kristal ion adalah ion yang lebih besar (biasanya anion) membentuk susunan terjejal dan ion yang lebih kecil (biasanya kation) masuk kedalam lubang oktahedral atau tetrahedral di antara anion. Kristal ionik diklasifikasikan kedalam beberapa tipe struktur berdasarkan jenis kation dan anion yang terlibat dan jari-jari ionnya.

Aturan jari-jari

Biasanya, energi potensial Coulomb total Ec senyawa ionik univalen MX diungkapkan dengan persamaan

Ec -NAe24πεoR

NA=konstanta Avogadro

A=konstanta Madelung

R= jarak antar ion

Menurut rumus ini, struktur dengan rasion A/R akan lebih stabil. Konstanta Madelung senyawa MX meningkat dengan meningkatnya bilangan koordinasi. Di pihak lain, akan menguntungkan menurunkan bilangan koordinasi untuk menurunkan nilai R dalam hal ukuran M kecil, agar kontak antara M dan X dapat terjadi lebih baik. Dalam kristal ionik, rasio rM dan rX dengan anion saling kontak satu sama lain dan juga berkontak dengan kation bergantung pada bilangan koordinasi.

Dalam bagian struktur yang terdiri hanya anion, anion membentuk koordinasi polihedra di

sekeliling kation. Jari-jari anion rX adalah separuh sisi polihedral dan jarak kation di pusat

polihedral ke sudut polihedral adalah jumlah jari-jari kation dan anion rX + rM. Polihedra dalam CsCl adalah kubus, struktur NaCl adalah oktahedral, dan ZnS adalah tetrahedral.

Variasi ungkapan struktur padatan

Banyak padatan anorganik memiliki struktur 3-dimensi yang rumit.  Ilustrasi yang berbeda dari senyawa yang sama akan membantu kita memahami struktur tersebut.  Dalam hal senyawa anorganik yang rumit, menggambarkan ikatan antar atom, seperti yang digunakan dalam senyawa organik biasanya menyebabkan kebingungan.  Anion dalam kebanyakan oksida, sulfida atau halida logam membentuk tetrahedral atau oktahedral di sekeliling kation logam.  Walaupun tidak terdapat ikatan antar anion, strukturnya akan disederhanakan bila struktur diilustrasikan dengan polihedra anion yang menggunakan bersama sudut, sisi atau muka.  Dalam ilustrasi semacam ini,atom logam biasanya diabaikan.
Seperti telah disebutkan struktur ionik dapat dianggap sebagai susunan terjejal anion.  (Baru, 2016)

Grafik Energi Ionisasi (Ei)

Atom Ei Besar = periode kecil, golongannya besar

Atom Ei Kecil = periode besar, golongannya kecil

Partikel Penyusun Atom dan Bilangan Kuantum

Partikel Penyusun Atom

Partikel penyusun atom merupakan unit dasar dan bahan bangunan dari sebuah unsur. Atom akan  memulai reaksi dan proses kehidupan terpenting.

Partikel penyusun atom terdiri dari:

1.      Elektron

Elektron ditemukan oleh J.J Thomson pada tahun 1897. Suatu elektron merupakan partikel subatomic yang ringan dan terikat pada inti dengan gaya tarik menarik diantara elektron negatif dan proton yang bermuatan positif.  Besar muatan atom dalam elektron ditemukan oleh Robert Andrew Milikan pada tahun 1908 melalui proses percobaan dengan tetes minyak milikan.

2.      Neutron

Neutron ditemukan oleh James Chadwick. Neutron tidak mempunyai muatan. Chadwick telah menemukan bahwa neutron terletak pada inti. Neutron terdiri dari partikel fundamental yang disebut sebagai quark. Hasil eksperimen Ruttherford pada penelitian penembakan lempengan emas menyatakan bahwa atom tersusun dari inti atom yang bermuatan positif dan dikelilingi elektron yang bermuatan negatif. Hal inilah yang menyebabkan atom bersifat netral.

3.      Proton

Proton ditemukan oleh Eugene Goldstein pada tahun 1886 dengan melakukan percobaan tabung crookes yang telah dimodifikasi. Jumlah proton yang berada dalam inti atom disebut nomor atom unsur. Massa neutron dan  proton hampir sama tetapi proton 1.836 kali lebih berat jika dibandingkan dengan elektron. Muatan positif diantara proton akan menyebabkan saling tolak.

4.      Inti Atom

Ketika elektron dan proton telah ditemukan, Ernest Ruttherford melakukan penelitian penembakan lempeng tipis emas. Apabila atom hanya terdiri dari dua partikel bermuatan negatif dan positif, seharusnya sinar alfa yang ditembakan akan menembus lempengan tersebut. Namun saat percobaan dilakukan, sinar alfa tersebut tidak menembus lempengan sehingga muncul istilah inti atom. 

Bilangan Kuantum

Bilangan kuantum adalah suatu harga yang menyatakan keadaan orbital suatu atom. Bilangan kuantum terdiri dari :

1.      Bilangan Kuantum Utama (n)

Yang menyatakan tingkat energi atau kulit atom.

2.      Bilangan Kuantum Azimuth (l)

Menyatakan sub kulit atom dan bentuk geometri orbital.

3.      Bilangan Kuantum Magnetik (m)

Yaitu menyatakan banyak dan posisi/orientasi orbital.

4.      Bilangan Kuantum Spin (s)

Menyatakan kedudukan elektron dalam suatu orbital.

A.     Bilangan Kuantum Utama

Bilangan kuantum utama/prinsipal (n) adalah suatu harga yang menyatakan tingkat energi atau kulit dalam atom. Bilangan kuantum utama merupakan dasar penentu harga bilangan kuantum lainnya.

B.     Bilangan Kuantum Azimuth

Bilangan kuantum azimuth/orbital (l) adalah suatu harga yang menyatakan sub-kulit atom dan bentuk geometri orbital.

Harga l yag diizinkan di setiap kulitnya adalah:

0<l<(n-1)

Sub Kulit	Nama	Harga	Bentuk Orbital
s	sharp	0	1 balon
p	principal	1	1balon terpilin
d	diffuse	2	2 balon terpilin
f	fundamental	3	4 balon terpilin

 Kulit-kulit atom dalam keadaan penuh terisi elektron beserta harga bilangan kuantum azimuth

Kulit	K	L
Harga	0	0,1
Sub-kulit	1s	2s 2p
Elektron Maks	2	8
Kulit	M	N
Harga	0,1,2	0,1,2,3
Sub-kulit	3s 3p 3d	4s 4p 4d 4f
Elektron Maks	18	32

C.     Bilangan Kuantum Maknetik

Bilangan kuantum magnetik (m) adalah suatu harga yang menyatakan banyak dan posisi/orientasi orbital.

Harga m yang diizinkan di setiap sub kulitnya adalah

-l < m < +1

Posisi/orientasi atau orbital adalah tempat dimana elektron bergerak didalam atom dan masing-masing orbital maksimal menampung sepasang elektron.

Sub kulit adalah keadaan terisi penuh elektron beserta harga bilangan kuantum magnetik

D.     Bilangan Kuantum Spin

Bilangan kuantum spin (s) adalah suatu harga yang menyatakan kedudukan dan arah rotasi elektron pada suatu orbital.

Bilangan kuantum spin tidak digunakan dalam menentukan keadaan orbital, namun hanya digunakan untuk menentukan perbedaan elektron pada orbital.

Karena terdapat dua elektron dalam satu orbital sedangkan keduanya memiliki kutub, maka nilai elektron yang berpasangan dalam orbital tersebut harus berbeda nilai

Harga bilangan kuantum spin terdiri dari:

(gambar)

  

E.      Bentuk Orbital

Bentuk orbital bergantung pada harga bilangan kuantum azimuth (l) dan setiap l memiliki bentuk orbital berbeda.

1.      Orbital S

Orbital s berbentuk satu buah balon atau satu buah bola.

2.      Orbital P

Orbital p berbentuk satu buah balon yang dipilin atau 2 buah bola

3.      Orbital D

Orbital d berbentuk dua buah balon yang dipilin atau 4 buah bola

4.      Orbital F

Orbital f berbentuk empat buah balon yang dipilin atau 8 buah bola

F.      Diagram Orbital

Diagram orbital menggambarkan urutan konfigurasi elektron dalam setiap kulit atom.

Konfigurasi yang ditulis menggunakan bilangan kuantum harus memenuhi kaidah berikut:

1.      Azas Aufau

Azas aufbau berbunyi “pengisian elektron pada sub-kulit diisi dari tingkat energi yang lebih rendah ke tingkat energi yang lebih besar.

Aturan pengisian sub-kulit:

Contoh soal:

₈O : 1s² 2s² 2p⁴

₁₉K : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹

₂₆Fe : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁸

2.      Aturan Hund

Aturan Hund berbunyi “pengisian elektron pada orbital yang satu sub-kulit, mula-mula elektron mengisi satu di tiap orbital baru kemudian berpasangan.

Contoh Soal: 

Penyimpangan pengisian sub-kulit terjadi pada sub-kulit d karena mengiginkan kestabilan.  Sub-kulit d stabil apabila terisi 5 atau 10 elektron. Sehingga apabila terdapat 4 atau 9 elektron pada sub-kulit d,maka sub-kulit d akan meminjam elektron dari sub-kulit s.

Contoh:

4s² 3d⁴ menjadi 4s¹ 3d⁵

Sub-kulit d juga mengalami penyimpangan pada unsur-unsur lantanida dan aktinida. Dimana sebelum mengisi sub-kulit f, terdapat satu elektron yang mengisi sub-kulit d terlebih dahulu.

Contoh:

6s² 4f⁸ menjadi 6s² 5d¹ 4f⁷

3.      Larangan Pauli

Larangan pauli berbunyi “tidak ada elektron dengan keempat bilangan kuantum yang sama dalam satu atom”.

Elektron ke	n	l	m	s
1	1	0	0	+1/2
2	1	0	0	-1/2
3	2	0	0	+1/2
4	2	0	0	-1/2
5	2	1	-1	+1/2
6	2	1	0	+1/2

Penulisan konfigurasi elektron dapat dipersingkat dengan menggunakan notasi gas mulia.

Contoh :

Unsur halogen dapat dipersingkat konfigurasi elektronnya dengan :

₉F : [He] 2s² 2p⁵

₁₇Cl:[Ne] 3s² 3p⁵

₃₅Br: [Ar] 4s² 4p⁵

₅₃I: [Kr] 5s² 5p⁵

₈₅At: [Xe] 6s² 6p⁵

 Daftar Pustaka:

https://www.academia.edu/28441912/Partikel_Penyusun_Atom

https://materi78.files.wordpress.com/2014/04/kuant_kim1_4.pdf