5/23/2012

1

Ikatan Dalam Padatan Ion,Logam, Dan Molekul

Akhmad Syoufian, Ph.D

5.1 Ikatan ion; pemantapan ion dalam kristal

Dalam bab terdahulu disebutkan bahwa atom yang konfigurasi elektron terluarnya hampir menyerupai gas mulia (atom di bagian kanan atau bagian kiri tabel berkala) cenderung mencapai konfigurasi gas mulia dengan melepas atau memperoleh elektron secukupnya. Tetapi, jika kita mengkaji hubungan energi yang menyertai proses seperti ini untuk atom terkucil, pernyataan ini sekilas tampak tidak masuk akal. Ambilah sebuah sistem yang mengandung 1 mol atom Na berwujud gas yang terpisah dari 1 mol atom Cl berwujud gas. Jika kepada sistem ini kita pasok sejumlah energi I1, yaitu energi pengionan pertama dari Na, proses yang terjadi ialah

I1 + Na - > Na+ e-

Untuk 1 mol atom Na, I1 ialah 496 kJ.

Jika 1 mol elektron dipasok untuk atom Cl dalam sistem, energi sebanyak afinitas elektron (EA) bagi Cl akan dilepaskan. Afinitas elektron Cl ialah

348 kJ/mol.

e + Cl -> Cl + EA

Jadi untuk menciptakan ion dalam fase gas, sebelum ada interaksi ion, kita harus melakukan kerja 148 kJ.

148 kJ + Na + Cl -> Na+ + Cl

Karena itu di dalam gambar 5.1 keadaan sistem ion terkucil dinyatakan sebagai keadaan kurang mantap dibandingkan atomnya yang terkucil. Yang membebaskan kita dari keadaan yang tidak menyenangkan ini ialah kenyataan

bahwa ion sebagai partikel bermuatan, tarik menarik menurut hukum Coulomb, dan untuk menjadi satu pasangan ion (pi) maka energi pemantapan elektrostatik secara klasik dinyatakan dengan;

zk dan za adalah bilangan bulat positif yang khas bagi ion positif (kation) dan ion negatif (anion), +zke ialah muatan total kation yang dinyatakan sebagai kelipatan muatan elektron, dan r ialah jarak antara pusat-pusat ion. Semakin

dekat jarak ion, semakin besar energi pemantapan. Sekarang, walaupun kita memperlakukan ion sebagai pusat muatan jika kita membahas gaya tarik, kita harus juga mengenal ukuran pastinya. Ada jarak terdekat d (gambar 5.2), yang

ditentukan bila orbital terisi terluar pada ion mulai bertabrakan dan tolak menolak.

Kemantapan luar biasa dari konfigurasi gas mulia memungkinkan kita menganggap ion sebagai bulatan keras, paling tidak untuk

anggapan awal. Imbangan antara tarikan dan tolakan elektrostatik oleh elektron menyebabkan ada kesetimbangan jarak antar

ion, seperti halnya jarak kesetimbangan antara atom dalam molekul.

Untuk pasangan Na+- Cl dalam fase gas, jarak antar inti d ialah 0,2814 nm. Dengan faktor konversi e2/1 nm = 138,5 kJ/N, energi satu pasang ion dapat dinyatakan sebagai

N ialah bilangan Avogadro. Sebanyak 1 mol Na + dan 1 mol Cl cukup untuk membentuk 1 mol ion atau N pasangan ion. Jadi, energi pemantapan total karena pembentukan pasangan ion, Upi , dapat dihitung sebagaiUpi = Nepi = -492,1 kJ

Energi itu cukup membuat sistem menjadi lebih mantap dibandingkan, atom terkucilnya (gambar 5.1). Jika dua pasang ion mengelompok

membentuk bujur sangkar ion(gambar 5.3), energi pemantapan meningkat. Untuk satu bujur sangkar ion (bi), energinya ialah;

Untuk rakitan ion, ada N/2 bujur sangkar ion yang dapat dibuat, sehingga energi pemantapan total akibat pembentukan ion bujur sangkar, Ubi, menjadi;

Jika semua, ion dalam tumpukan dikumpulkan menjadi satu kelompok, yaitu dengan menumpuk bujur sangkar ion dalam segala arah, maka hasilnya ialah padatan kristal makroskopik NaCl, yang merupakan kisi ion tiga dimensi.

Sebagaimana diramalkan, pemantapan yang ditimbulkannya lebih besar daripada pemantapan dalam kasus bujur sangkar ion.

5/23/2012

2

Energi pemantapan UL disebut sebagai energi kisi padatan dan selalu dikaitkan dengan istilah AM (tetapan Madelung), bilangan Avogadro N, dan energi satu pasang ion:

UL = AMNEpi

Tetapan Madelung untuk padatan dapat dipadankan dengan tetapan 1,293 yang diperoleh dari bujur sangkar ion dan dihitung dengan cara yang sama, yaitu dengan menjumlahkan interaksi dalam semua arah dalam padatan sampai

jumlahnya cocok. Jadi, tetapan Madelung bergantung pada cara pengelompokan ion, dengan kata lain, bergantung pada geometri kristal., Untuk padatan yang mengkristal seperti NaCl (bujur sangkar dan bujur sangkar membentuk

struktur kubus), besarnya tetapan Madelung ialah 1,7476. Jadi, UL untuk 1 mol NaCl ialah 860 kJ. Gambar 5.1 menunjukkan pemantapan total yang diperoleh.

Untuk memperoleh gambaran lengkap tentang pengaruh energi yang menyertai pembentukan padatan ion dari unsur-unsur dalam keadaan alaminya,

maka dalam gambar 5.1 dinyatakan beberapa proses yang melibatkan energi.

Yang pertama ialah energi yang diperlukan untuk mengubah logam padat menjadi atom gas (kalor penyubliman logam), dan kedua, energi yang diperlukan untuk menciptakan calon anion (dalam hal klorin ialah energi disosiasi molekul gas Cl2).

Energi kisi menyatakan penaksiran awal energi pengikatan ion dalam kristal. Perlakuan yang lebih cermat mengemukakan kenyataan bahwa ion tidak benar-benar berupa titik yang bermuatan atau bahkan bukan bulatan yang keras, melainkan benda yang dapat ditekan; tetapi pengaruh ini hanya mengakibatkan koreksi yang nisbi kecil terhadap energi elektrostatik.

Besarnya energi kisi mempunyai pengaruh nyata pada sifat fisika padatan, misalnya titik leleh dan kelarutannya. NaCl dan KCI, yang struktur kristalnya sama, menunjukkan titik leleh masing-masing 801 dan 768C; penurunan yang kecil ini disebabkan oleh meningkatnya d, dengan demikian menurunkan UL. MgO yang juga berstruktur kubus, meleleh pada 2800C, selisih ini sebagian disebabkan oleh menurunnya d, tetapi yang penting ialah akibat meningkatnya muatan ion.

Dari pengujian rumus sepasang ion, kita lihat bahwa Epi (dengan demikian UL) meningkat empat kali lipat jika muatan ion dinaikkan dari 1 menjadi 2.

Perbedaan kelarutan berbagai garam dapat dikaitkan dengan perbedaan energikisi dan yang disebut energi hidrasi dari ion dalam larutan. Ion positif dalamlingkungan air dapat memperoleh energi pemantapan dengan menarikpasangan elektron sunyi dari oksigen molekul air. Memang ikatan elektrostatikini demikian kuat, sehingga jika kation mengembara dalam larutan, molekul air juga terseret bersamanya. Anion juga mendapat pemantapan yang sama denganmenarik atom hidrogen dari molekul air. Karena pemakaian elektron yang tidak sama dalam ikatan 0 H (0 lebih elektronegatif, sedangkan atom H hampir merupakan proton telanjang, dapat dikatakan ada muatan positif padaujung OM ikatan sigma (ikatan OH). Anion bergerak menuju muatan positif danmemperoleh pemantapan melalui tarikan elektrostatik.

Pada permukaan kristal yang direndam air, ada persaingan antara pemantapan kisi dengan pemantapan hidrasi. Jika pemantapan hidrasi lebih besar, kristal larut.

Kemungkinan pemantapan hidrasi menyebabkan besarnya kelarutan dalam air bagi kebanyakan senyawa ion dibandingkan dengan kebanyakan molekulkovalen.

5.2 Ukuran ion

Sejauh ini tersirat bahwa ion yang dipandang sebagai bulatan keras dalam padatan kristal, memiliki ukuran yang dapat diukur; hal ini tidak seluruhnya benar. Kita dapat mengukur jarak di antara pusat ion dalam padatan dengan cara difraksi sinar-x. Dengan mengetahui panjang gelombang radiasi sinar-x,

pengukuran sudut belok berkas cahaya memungkinkan kita menghitung jarak antara dua pusat ion. Untuk mendapatkan jari-jari bulatan keras, kita harus menggunakan cara yang lebih berliku-liku. Ambillah padatan LiBr, dan anggap

bahwa dari kajian sinar-x kita sudah mengetahui -

letak ion dalam kristal (dalam struktur kubus yang lazim), serta jarak antara pusat ion. Ion Li+, dengan hanya dua elektron, tentu lebih kecil daripada ion Br dengan 36 elektron, jadi dengan yakin dapat dianggap bahwa pengemasan

LiBr sangat ditentukan oleh ion Br, seperti ditunjukkan dalam gambar 5.4. Setengah dari jarak d yang terukur dapat diambil sebagai jari-jari bromida. Kemudian dengan cara pengkajian yang sama terhadap KBr, yang ionnya

berukuran kira-kira sama (gambar 5.4), tentukan rK+ dengan mengurangkanrBr- dari jarak d yang terukur. Hal yang mengherankan ialah bahwa jari-jari yang ditetapkan ini tampaknya selalu tetap dalam berbagai senyawa. Misalnya, jika rl-,ditentukan dengan LiI padat dan diteruskan ke KI untuk memperoleh rK+, nilai yang didapatkan sangat dekat dengan yang diperoleh dari pengkajian bromida. Melalui cara seperti ini untuk banyak unsur dalam tabel berkala, dapat

ditetapkan seperangkat jari-jari ion rataan, beberapa, di antaranya ditunjukkan pada tabel 5.1. Tetapnya jari-jari ion memungkinkan kita membuat banyak ramalan berharga tentang struktur kristal.

5.3 Kecenderungan dalam jari-jari ion

Pola utama yang nyata dalam tabel 5.1 mudah dijelaskan dari segi teori orbital dan dapat digolongkan dalam empat aturan umum.

Aturan 1; Untuk anggota deret isoelektron (deret ion yang sama jumlahelektronnya) jari-jari ion menurun dengan meningkatnya nomor atom. Hal inidisebabkan hanya oleh pengaruh meningkatnya tarikan inti terhadap awanelektron.

5/23/2012

3

Aturan 2; Jari-jari ion dalam satu golongan tabel berkala semakin meningkat jika kita bergerak ke bawah kolom, yaitu sebagai akibat bertambahnya elektron dengan peluang lebih besar untuk menjauhi inti.

rF- < rCl- < rBr- < rI-

Aturan 3; Untuk kation dari unsur yang sama, jari-jari menurun dengan

meningkatnya muatan ion karena jumlah elektron yang semakin berkurang untuk saling tolak menolak dan melebarkan muatan awannya. Misalnya, jari-jari Fe2+ ialah 0,076 nm, tetapi jari-jari Fe 3+ 0.064 nm. Kebalikannya terjadipada

anion, yaitu 02- lebih besar daripada 0- .

Aturan 4 Ion logam transisi yang muatannya sama (misalnya, Ti2+ sampai Ni2+) menunjukkan perubahan jari-jari yang kurang mencolok dengan meningkatnya

nomor atom (lihat tabel 5.1). Penambahan proton ke dalam inti dan elektron pada orbital d tampaknya hampir merupakan proses pengimbangan.

5.4 Nisbahjari-jari dan pengemasan ion dalam kristal

Konsep nisbah jari-jari memungkinkan kita menerapkan tabel jari-jari ion pada ramalan kualitatif tentang bagaimana ion paling mungkin mengelompok dalam kristal dan apa rumus yang paling mungkin dari sekumpulan ion, misalnya ion kompleks yang dijumpai dalam larutan. Mula-mula kita definisikan bilangan

koordinasi (BK) dari ion pusat sebagai jumlah ion bermuatan berlawanan yang benar-benar menyentuhnya. Jika ion A dikelilingi oleh tiga ion B dalam konfigurasi trigonal planar, maka BK-nya ialah 3.

Jika tetangganya berada dalam planar bujur sangkar atau penataan tetrahedral, BK-nya ialah 4. Penataan lain disebutkan dalam tabel 5.2.

Nisbah jari-jari Rr untuk padatan ion biner kation-anion (KA) didefinisikan sebagai rk /ra ; rk dan ra masing-masing ialah jari-jari kation dan anion. Sekarang jelas, mengapa dalam penaksiran bulatan keras, jika kation semakin besar dibandingkan anionnya (jika Rr meningkat), maka lebih banyak anion dapat masuk di sekitar kation. Dengan perkataan lain, BK kation dapat meningkat. Tabel 5.2 menunjukkan kemungkinan BK untuk berbagai nisbah jari-jari sebagaimana dihitung dari pertimbagan geometri sederhana dalam pengemasan bends bulat. Dengan bekal ini kita dapat membuat ramalan sederhana (tetapi tidak mutlak). Misalnya kita mengetahui bahwa ion berilium dalam larutan membentuk ion kompleks dengan ion fluorida dengan rumus [BeFn]

(n-2)- .Dengan menghitung Rr dari Be

2+ dan F- , didapatkan 0,232, yang menunjukkan ion BeF4

2- tetrahedral, yang secara kebetulan cocok dengan hasil percobaan. Untuk padatan NaCl, Rr ialah 0,525, taat asas dengan BK = 6. Untuk CsCl diperoleh Rr 0,934, sama dengan BK = 8, sesuai hasil percobaan. Konsep nisbah jari-jari biasanya lebih berhasil jika diterapkan pads padatan dibandingkan pada ion kompleks dalam larutan, namun dalam semua kasus kita dibatasi oleh kenyataan bahwa jari-jari ion sendiri agak beragam menurut bilangan koordinasinya.

5.5 Potensial ion dan kovalen parsial

Konsep kedua yang berfaedah (tetapi sekali lagi tidak mutlak) yang terkaitdengan jari-jari ion ialah potensial ion, yang memungkinkan kita menalar, penyimpangan antara ramalan teoretis berdasarkan ciri ion sempurna dan hasilpercobaan.

Potensial ion* (PI) suatu ion didefinisikan sebagai

zc ialah muatan ion yang dinyatakan sebagai penggandaan e (muatan elektron) dengan bilangan bulat. Kation dengan potensial ion yang besar memiliki daya polarisasi yang besar

sekali, atau kemampuan untuk menggeser awan elektron tetangga ke arahnya, sehingga mengimbas sifat kovalen parsial. Karena itu, pembandingan potensial ion memungkinkan kita membuat perbandingan derajat sifat kovalen secara kualitatif. Misalnya, oksida natrium, Na2O, dianggap lebih bersifat ion dibandingkan tetangganya, MgO. PI untuk Na + ialah 1/0,95 atau 1,05; sedangkan untuk Mg 2+ ialah 2/0,65 atau 3,08.

5.6 Logam

Peninjauan sifat logam yang teramati menyatakan bahwa sifat gaya yang

memegangi atom dalam kristal mestinya luar biasa. Logam bersifat liat dan dapat ditempa serta memiliki kekuatan tarik yang tinggi; logam merupakan penghantar panas dan listrik yang baik; dapat tak tembus pandang sampai cerah, tetapi mengkilap; dapat dicampur dengan Logam lain atau nonlogam

menghasilkan Logam campur dengan sifat yang beragam. Semua ciri tersebut merupakan akibat langsung dari gabungan ikatan/struktur kristal

yang aneh yang dimiliki logam. Kebanyakan logam mengkristal dalam salah satu dari struktur kemasan yang diperlihatkan pads gambar

5.5.Dalam struktur kubus pusat badan (kpb) (gambar 5.5a) dapat dilihat bahwa hanya atom yang terletak pada diagonal kubus yang bersinggungan dengan

delapan atom tetangganya. Rapatan kristal kpb ialah 0,162 m/R2; m dan R masing-masing ialah massa dan jari-jari atom.

Untuk kemasan rapat heksagonal (krh), mulailah dengan satu lapis atom yang bersinggungan (gambar 5.5b) dan tutuplah dengan lapis kedua yang semua atomnya sama (gambar 5.5c). Perhatikan, hanya setengah jumlah lubang pada

lapis pertama yang dapat ditutup oleh lapis kedua tadi. Dalam struktur krh, atom-atom pada lapis ketiga menempati kedudukan tapak yang sama di atas lapis pertama, dan semua atom pada lapis keempat mengulangi pola seperti

lapis kedua. Lapis berikutnya mengulangi lapis 1 dan 2. Dengan demikian, lubang yang dinyatakan dalam gambar 5.5c tidak pernah tertutupi, sehingga struktur krh memiliki ciri berupa deretan lubang yang menembus kisi. (Supaya mudah

diingat: struktur krh (berlubang-lubang!)

Dalam kemasan rapat kubus (krk), yang juga disebut kubus pusat muka (kpm), struktur terdiri dari lapis 1 dan 2 yang sama seperti struktur krh. Namun, atom pada lapis ketiga tidak menempati tapak ulangan lapis 1, tetapi sebagaimana ditunjukkan pada gambar 5.5d, menutupi lubang yang terlihat

pada gambar 5.5c. Lapis selanjutnya mengulangi pola lapis 1, 2, dan 3, sehingga dalam struktur krk tidak tampak lubang- lubang yang menembus kisi.

5/23/2012

4

Baik krh dan krk mempunyai rapatan 0,176 m/R 3 , dan ada 12 atom tetangga terdekat untuk setiap atom.

Dengan 8 atau 12 tetangga terdekat, sebagaimana terjadi dalam banyak logam yang lazim (Na, Ag, Au), hanya satu elektron tersedia untuk ikatan. Teori pasangan elektron ikatan tidak dapat menjelaskan dengan memuaskan ikatan antara begitu banyak atom dengan jumlah elektron yang demikian sedikit. Kekuatan ikatan logam juga tidak dapat dijelaskan berdasarkan gaya van der Waals yang lemah.

Untuk memahami sifat ikatan dalam kristal logam, kita harus mempertimbangkan teori orbital molekul (OM). Dalam perlakuan OM pada

molekul dwiatom Li2, kedua orbital 2s pada atom bergabung membentuk OM ikatan dan anti ikatan seperti ditunjukkan pada gambar 5.6a, dengan dua elektron menempati tingkat yang lebih rendah. Untuk 3 atom yang berderet,

akan diperoleh OM ikatan, anti ikatan, dan nonikatan yang penghuniannya dijelaskan pada gambar 5.6b. Untuk empat atom Li dalam barisan, diperoleh empat OM dengan energi dan pengisian ditunjukkan dalam gambar 5.6c. Jika

kita ambil langkah melompat dalam rasionalisasi dan mengambil satu kristal dengan N (misalnya bilangan Avogadro) atom Li dalam susunan tiga dimensi,

kita dapat menyimpulkan bahwa orbital 2s sebanyak N bertumpang tindih membentuk OM lebar (sejumlah N) untuk kristal dengan energi sedemikian rapat sehingga hasilnya `hampir' kontinuum (kuasi kontinuum) (gambar 5.6b). Kelompok OM yang keadaan energinya berdekatan disebut pita, dan elektron sebanyak N yang semula berkedudukan pada masing-masing atom Li sekarang menempati keadaan yang lebih rendah, yaitu sebanyak N/2 OM.

Diagram rapatan elektron yang berkaitan dengan keadaan ini

(gambar 5.7) dapat diturunkan dengan menindihkan ('superimpos') semua

OM ikatan dalam kristal, hasilnya merupakan pola delokalisasi semua

elektron 2s pada kristal di seputar teras 1s2 . Dalam bahasa yang lebih berbunga, semua teras tadi terendam dalam'laut' elektron, atau semua teras dipengangi oleh `lem' elektron yang tersebar di sela-selanya. Gambaran ikatan

tak berarah dan terdelokalisasi ini akan berguna kemudian dalam menjelaskan banyak sifat logam.

Kekuatan ikatan logam (atau keampuhan lem elektron elektron) tercermin dalam kalor sublimasi logam, dengan kata lain, perubahan entalpi untuk proses endoterm:

M(padat) > M (atom terkucil berwujud gas) AH = HSub

Tabel 5.3 memuat energi sublimasi untuk logam alkali. Perhatikan bahwa ada kesejajaran antara kedudukan yang rendah dalam tabel berkala dengan rendahnya energi disosiasi molekul dwiatom.

Penurunan dapat disebabkan oleh meningkatnya ukuran atom dan jarak

antaratom, meningkatnya ukuran dan tersebarnya orbital atom penyumbang,serta menipisnya lem elektron yang ditimbulkannya.

Gambar 5.8 menunjukkan bagaimana AHsub beragam pada logam dalam periode panjang yang pertama. Penjelasan akan kecenderungan ini akan jauh lebih rumit dibandingkan pada logam alkali karena ada beberapa faktor yang terlibat:

perbedaan dalam struktur kristal dan ukuran atom logam, dan jumlah serta jenis elektron yang berperan, serta keadaan spinnya. Beberapa hasil amatan yang berguna ialah (1) bahwa kekuatan ikatan meningkat dari K ke Ca (satu elektron s

tambahan ternyata berpengaruh) dan (2) elektron d dalam logam transisi memang berperan dalam ikatan. Cekungan kurva pada Mn (d5) mungkin disebabkan oleh kemantapan spin tambahan pada kulit d yang setengah terisi, karena elektron

memilih tinggal pada orbital terlokalisasi daripada berperan serta dalam pembentukan ikatan logam

Dalam logam seperti litium, orbital kosong yang lebih tinggi lainnya di samping 2s dapat bertumpang tindih membentuk pita kosong. Luasnya pertumpang tindihan dan lebarnya pita bergantung pada ukuran orbital dan jarak antar

atom dalam kristal. Gambar 5.9a (analog dengan kurva energi potensial dwiatom) menunjukkan bagaimana lebar pita beragam menurut jarak antar inti. Untuk beberapa logam, pita 2s dan 2p dapat bertumpang tindih pada jarak kesetimbangan dalam kristal. Skema pada gambar 5.9b meringkas perihal pita yang lebih lengkap, menunjukkan lebar pita dan jarak kesetimbangan dalam kristal Li.

Perhatikan bahwa pita energi menggantikan keadaan energi diskret yang dijumpai dalam atom terkucil dan bahwa celah di antara pita menyatakanenergi terlarang untuk elektron dalam logam, sama halnya dengan energi diantara keadaan 1s dan 2s, 2s dan 2p adalah keadaan terlarang untuk elektrondalam atom hidrogen. Energi terlarang dalam kristal disebut celah energi.

Berbekalkan teori yang cukup banyak mengenai logam, kita coba untukmenjelaskan beberapa sifat logam yang aneh dan menakjubkan. Pertama-tama akan dikaji sifat mekanis, yaitu sifat liat dan ketertempaan.

Logam yang liat mudah dibengkokkan atau direngang menjadi kawat tanpaputus; logam dapat ditempa ke bentuk yang baru. Kedua sifat itu berkaitandengan kekuatan lem, elektron dan dengan kemudahan bidang-bidang kristalsaling menggeser satu sama lain.

5/23/2012

5

Yang disebut bidang geser ialah bidang yang merupakan rintangan berenergi nisbi rendah bila terjadi kerja penggeseran, dengan demikian, jika ada tekanan maka satu lapis atom mudah digeser satu sama lain ke kedudukan

kesetimbangan yang baru (gambar 5.10a dan b). Ikatan yang tak berarah diperlukan agar geseran dapat berlangsung tanpa mematahkannya. Dari gambar 5.10c dapat dilihat bahwa struktur krk memiliki banyak bidang geser dalam

berbagai arah; logam dengan struktur demikian (Cu, Ag, Au, Pb) mudah dibentuk. Struktur krh dikaitkan dengan bidang geser yang lebih sedikit, dan logam dengan struktur ini (Zn, Co, Ti) cenderung lebih getas.

Daya hantar yang tinggi pada logam mudah dijelaskan dari segi model pita elektron terdelokalisasi. Perhatikan pita 2s setengah terisi pada litium (gambar

5.11a). Keadaan energi tertinggi yang digambarkan dengan pita tepat setengah terisi dinamakan tingkat Fermi, EF . Tepat di atas tingkat Fermi ada keadaan tak terisi yang tersedia untuk elektron dalam pita. Elektron dalam pita 2s bergerak

ke seluruh arah dengan peluang yang sama. Karena itu, tidak ada aliran bersihdalam arah mana pun, sehingga tidak ada arus.

Ketika medan listrik diterapkan, elektron di dekat tingkat Fermi di bawah pengaruh medan meningkatkan energi kinetiknya searah dengan medan, sehingga arus dapat mengalir. Kenaikan energi dimungkinkan karena ada tingkat yang kosong yang energinya lebih tinggi, yaitu di sebelah EF, kesanalah perginya elektron. Hanya elektron di dekat tingkat Fermi yang mampu meningkatkan energinya dan berperan dalam penghantaran. Elektron yang terletak jauh di

bagian bawah pita benar-benar dikelilingi oleh keadaan kuantum yang terisi penuh, dan prinsip pengucilan Pauli melarang eksitasi ini.

Untuk kejelasan akan kebutuhan tingkat kosong dekat EF , perhatikan logam berilium (gambar 5.11b), yang menghantar listrik dengan baik walaupun pita

2s-nya terisi penuh. (Konfigurasi atom Be ialah 1s2

2s2). Jika skema energi yang cocok dengan berilium sama dengan pada Li, maka tidak ada tingkat yang

dekat untuk dihampiri elektron pada waktu dipengaruhi medan listrik; karena itu Be padat merupakan insulator.

Bahwa padatan ini menghantar listrik berarti bahwa pita 2s dan 2p bertumpang tindih dan bahwa keadaan kosong yang ada harus bersebelahan dengan tingkat Fermi.

Daya hantar listrik tidak bergantung pada banyaknya elektron yang terlibat dalam ikatan. Percobaan menyatakan bahwa sekitar satu elektron per atom

sudah dapat membawa arus. Bagaimana pun, daya hantar memang bergantung pada pengemasan atom dalam kristal logam. Jika elektron pembawa arus merupakan gelombang, maka elektron ini mampu bergerak melalui kisi kristal

yang sangat teratur tanpa hambatan, seperti layaknya sinar x melalui kristal, atau gelombang cahaya melalui jeruji (grating). Dalam keadaan yang sesungguhnya, kristal logam mempunyai banyak cacat (pengotor, batas butiran, kekosongan)

yang membaurkan gelombang elektron, sama halnya dengan sampah terapung membaurkan gelombang di danau. Karena itu hantaran lebih kecil jika dibandingkan nilainya dalam kristal logam 'ideal'.

Hantaran listrik pada logam menurun dengan meningkatnya suhu. Sekali lagi, dalam model elektron berupa gelombang untuk elektron pembawa arus, gambaran yang disarankan ialah bahwa gelombang elektron bertabrakan

dengan atom yang bergetar. Getaran kisi meningkat dengan meningkatnya suhu, dengan demikian meningkatkan gangguan dan bauran gelombang elektron pembawa.

Karena ciri yang tidak berarah pada ikatan logam, kebanyakan atom logam tidaklah dapat dipakai untuk menunjukkan identitas atom logam lain

didekatnya. Karena itu, logam dapat menerima atom logam lain yang seukuran sebagai bagian dari kisinya. Alasan ini menjelaskan dapat dilakukannya proses pengelasan atau penyolderan, yaitu proses pelakuran dua jenis logam. Alasan

itu juga menjelaskan keberadaan segolongan besar bahan antarlogam dengan susunan beragam yang disebut logam campur.

Rancangan logam campur dan semua sifatnya dapat dipahami dengan memeriksa bagaimana logam asing atau atom nonlogam dapat ditempatkan dalam kisi kristal, seperti diperlihatkan pada gambar 5.12. Atom asing dalam

logam campur substitusional biasanya adalah atom logam lain yang ukurannya sama, sedangkan dalam logam campur interstisial adalah atom nonlogam yang lebih kecil seperti C, B, atau H.

Perhatikan bahwa dalam kedua kasus yang diutarakan, atom asing enempati tapak secara acak sehingga terjadilah ketidakteraturan dalam kisi dasar.

Ketidakteraturan ini menyebabkan banyak sifat fisika logam campur berbeda dengan logam. Misalnya, daya hantar listrik logam campur lebih rendah daripada logam murni, sebab pembawa gelombang elektron terbaurkan oleh

atom asing yang tidak teratur di dalam kisi. Logam lunak dapat dibuat menjadi lebih keras dengan pencampuran. Atom asing, karena ukurannya yang berbeda dan letaknya yang acak, akan mengganggu bidang geser, dan bertindak sebagai

rintangan fisis untuk usaha penggeseran (gambar 5.13).

Sebagian besar uraian terdahulu didasarkan pada anggapan bahwa kita memiliki kristal logam 'ideal', bebas cacat dan pengotor. Tetapi dalam kenyataan, logam tidak memadat dari lelehannya sebagai satu kristal campuran yang besar, melainkan ada satu atau beberapa cacat: batas butiran di antara kristalit kecil, kekosongan (atom yang 'lupa akan gilirannya' dalam proses pengkristalan), pengotor yang tidak diinginkan dan dislokasi (seluruh logam menjadi tidak

tersambung).

5/23/2012

6

5.7 Semikonduktor

Semikonduktor merupakan salah satu kelompok besar padatan kovalen

dengan kisaran lebar dalam daya hantar listrik, berada di antara insulator dan logam sejati. Akan dipaparkan sifat semikonduktor yang penting dengan mengkaji struktur elektron silikon padat, yang mengkristal dengan koordinasi tetrahedral pada semua atom silikon yang ada. Pada penaksiran awal, untuk memerikan ikatan dianggap bahwa setiap atom silikon (tahana dasar 3s23p2)

membentuk hibrida sp3 tetrahedral yang masing-masing mengandung satu elektron. Pertumpangtindihan dengan hibrida yang

sama dari atom silikon di sebelahnya akan Membentuk OM ikatan sigma yang terlokalisasi (berisi sepasang elektron) untuk membentuk jaringan kovalen, yang

ditunjukkan dalam dua dimensi pada gambar 5.14.

Untuk setiap OM ikatan, ada OM anti ikatan yang biasanya tidak dibahas sebab OM ini pada keadaan normal lebih tinggi energinya, tidak mengandung elektron, dan tidak penting dalam pemerian tahana dasar. Sama saja, tahana anti ikatan ada dalam semua molekul. Dalam, kristal silikon, karena orbital atom penyusunnya (n = 3) besar dan tersebar, maka OM 'terlokalisasi bertumpangtindih, berantaraksi dengan sesamanya, dan dengan

cara yang sama seperti diperikan pada logam, membentuk pita energi dalam kristal, seperti ditunjukkan pada gambar 5.15.

Pada 0 K, pita terendah yang disebut pita valensi (PV, seperti kebanyakan keadaan OM ikatan) terisi penuh, sedangkan pita yang atas, yang disebut pita konduksi (PK, terdiri dari banyak tahana anti ikatan), yang benar-benar kosong

tak ada elektron. Pemisah kedua ikatan ini adalah zone terlarang yang disebut celah energi, Eg, yang tidak pernah mempunyai tahana elektronik.

Dalam gambar 5.16 kita mempertentangkan antara gambaran pita dalamlogam, insulator, dan semikonduktor intrinsik seperti silikon. Perbedaan utamaialah bahwa dalam logam, tahana kosong energi yang lebih tinggi yang diperlukan untuk hantaran listrik mudah dicapai oleh elektron dalam pita; dalam insulator tahana ini tidak mudah dicapai (kecuali ada kerusakandielektrik di bawah tegangan yang sangat tinggi); sedangkan di dalamsemikonduktor celah energi cukup kecil sehingga peningkatan suhu padatandapat menyebabkan beberapa elektron-dalam pita valensi mempunyai cukupenergi untuk pindah ke pita kosong diatasnya dan bergerak karena pengaruhperbedaan tegangan. Meningkatnya suhu akan meningkatkan hantaran karenalebih banyak elektron tereksitasi. (Ingat bahwa hantaran logam selalu menurundengan meningkatnya suhu).

Golongan semikonduktor lain meliputi semikonduktor tak murni atauekstrinsik. Semikonduktor intrinsik seperti Ge dengan 1 ppm (1 dalam 106

atom As atau Ga sebagai pengotor substitusional menunjukkan peningkatanhantaran ribuan kali dibandingkan dengan germanium murni. Perubahan inisangat mencolok dibandingkan dengan yang teramati pada logam jikamengandung pengotor, dan arahnya pun berlawanan. (Dalam logam, atom pengotor membaurkan gelombang elektron dan menurunkan hantaran.)

Untuk memahami efek ini, perhatikan gambar dua dimensi atom As dalam kisi Ge tetrahedral yang diperlihatkan

pada gambar 5.17. Satu atom As menggantikan satu atom Ge dalam kisi dan atom itu mengandung satu

elektron lebih banyak (s2p3) dibandingkan semua atom Ge (s2p2). Di dalam model pita, kelebihan elektron ini menempati tingkat energi diskret terlokalisasi sedikit (sekitar 0,8 kJ) di bawah pita konduksi dalam Ge

(gambar 5.18a).

Tingkat ini dihasilkan dari OM anti ikatan antara orbital As dan Ge, yang energinya lebih rendah dibandingkan pita konduksi, disebabkan oleh meningkatnya muatan inti pada As. Hantaran dalam semikonduktor tak murni

jenis n ini dihasilkan jika elektron negatif dieksitasikan dari tingkat diskret ke pita konduksi. Ketika atom pengotor dengan elektron lebih sedikit dibandingkan inangnya dimasukkan ke dalam kristal, misalnya Ga (s2 p) ke

dalam Ge (s2 p2) akan dihasilkan semikonduktor jenis p (gambar5.18b). Dalam hal ini, tingkat kosong yang diskret berada tepat di atas pita valensi. Jika

elektron dieksitasikan ke tahana ini, lubang positif tercipta di dalam pita valensi. Gerakan lubang positif ini menyebabkan hantaran listrik..

Semikonduktor jenis n dan p secara gabungan digunakan dalam membangun transistor, yang sudah menggantikan tabung elektron meruah yang kuno dan memungkinkan perancangan sirkit listrik yang cukup kecil untuk dilewatkan

melalui lubang jarum!

5/23/2012

7

TERIMA KASIH