Loading Preview
Sorry, preview is currently unavailable. You can download the paper by clicking the button above.
Capaian Pembelajaran:
Setelah menyelesaikan seluruh proses pembelajaran pada modul ini maka mahasiswa diharapkan memiliki kemampuan:
- Memahami karakteristik dan sifat logam
- Mengetahui hubungan energi ikatan dan struktur logam
- Menerapkan teori ikatan dalam struktur logam
- Membedakan jenis senyawa ionik, alloy interstitial, dan substitutional
Pada Modul 1 ini mahasiswa akan mempelajari sifat-sifat umum logam seperti kilau logam, konduktivitas, dan kemudahan ditempa dan gaya kohesiv. Dengan memahami sifat-sifat umum logam mahasiswa dapat membedakan sifat fisika dan sifat kimia. Reaksi-reaksi logam dapat pula dipahami setelah mempelajari energi ikatan dan struktur.
Ada dua proses pembelajaran untuk dapat mengkaji Karakteristik Logam yaitu:
Proses Pembelajaran 1.1: Sifat umum logam, Energi Ikatan dan Struktur
Proses Pembelajaran 1.2: Alloy
Untuk memudahkan anda mencapai tujuan pembelajaran ini maka modul ini dilengkapi dengan urain materi, pengayaan atau latihan, intisari, dan evaluasi. Pelajarilah dengan seksama setiap uraian, dan lakukan pengayaan, serta kerjakan evaluasi dinakhir setiap proses pembelajaran.
Pembelajaran 1.1
Sifat umum logam, Energi Ikatan, dan Struktur
Sifat Umum Logam
Logam-logam mempunyai sifat fisika yang sangat karakteristik termasuk [i] reflektivitas yang tinggi [sering disebut kilau logam]; [ii] konduktivitas listrik yang tinggi, yang bertambah dengan peningkatan temperatur; [iii] konduktivitas termal yang tinggi dan [iv] dapat ditempa.
Kilau Logam
Permukaan licin dari logam-logam membuatnya mempunyai tampilan kilau berkilat. Semua logam kecuali tembaga dan emas, berwarna yang berkilau. Sifat berkilat ini agak spesial dan terobservasi pada semua sudut pandang, kebalikan sifat kekilatan dari beberapa unsur-unsur non-logam seperti sulfur dan iodin yang mempunyai kekilatan ketika dipandang pada sudut yang kecil. Logam-logam digunakan sebagai cermin karena logam-logam dapat merefleksi cahaya pada semua sudut. Hal ini dikarenakan elektron-elektron ‘bebas’ dalam logam yang mengabsorpsi energi dari cahaya dan memancarkan kembali ketika elektron-elektron turun kembali dari keadaan tereksitasi ke tingkat energi awalnya. Oleh karena cahaya dari semua panjang gelombang [warna] diabsorpsi, dan dengan segera dipancarkan kembali, dapat dikatakan semua cahaya direfleksi kembali - inilah kekilauan. Warna kemerahan dan keemasan dari tembaga dan emas disebabkan karena kedua logam ini mengabsorpsi beberapa warna lebih cepat dibanding logam-logam lainnya.
Kebanyakan logam-logam mengemisi elektron ketika terkena cahaya-efek fotolistrik. Beberapa logam mengemisi elektron ketika teradiasi dengan radiasi gelombang-pendek dan yang lainnya mengemisi elektron pada pemanasan [emisi termionik].
Tabel 1.1 Konduktivitas listrik berbagai padatan.
| Senyawa | Tipe Ikatan | Konduktivitas [ohm cm–1] |
| Perak | Logam | 6,3 x 105 |
| Tembaga | Logam | 6,0 x 105 |
| Natrium | Logam | 2,4 x 105 |
| Zink | Logam | 1,7 x 105 |
| Natrium Klorida | Ion | 10–7 |
| Intan | Kovalen molekul raksasa | 10–14 |
| Kuarts | Kovalen molekul raksasa | 10–14 |
Konduktivitas
Semua logam merupakan konduktor panas dan listrik yang sangat baik. Konduksi listrik muncul oleh adanya pergerakan elektron. Hal ini kebalikan dengan pergerakan ion-ion yang bertanggung jawab terhadap konduksi dalam larutan akua atau leburan senyawa ion seperti natrium klorida, dimana ion-ion natrium bermigrasi ke katoda dan ion-ion klorida bermigrasi ke anoda. Dalam padatan, senyawa ion dapat mengkonduksi sangat kecil [semikonduktor] jika terdapat defek dalam kristal. Terdapat perbedaan yang begitu besar atas konduktivitas antara logam-logam dan tipe padatan lainnya [Tabel 1.1].
Kebanyakan unsur-unsur sebelah kiri dari karbon dalam sistem periodik unsur merupakan logam. Suatu atom karbon mempunyai empat elektron terluar. Jika kesemua empat elektron ini digunakan untuk membentuk ikatan, kulit terluar menjadi lengkap dan tidak ada elektron bebas yang mengkonduksi listrik.
Unsur-unsur sebelah kiri dari karbon mempunyai elektron yang lebih sedikit, sehingga mempunyai orbital yang kosong. Jumlah elektron yang terdapat pada kulit terluar dan adanya orbital yang kosong pada kulit valensi, keduanya merupakan sifat yang penting dalam menjelaskan konduktivitas dan ikatan logam.
Kemudahan ditempa dan Gaya Kohesiv
Sifat mekanik logam adalah bahwa logam-logam pada dasarnya dapat ditempa dan dapat diulur. Hal ini menunjukan bahwa tidak ada resistan terhadap pengubahan struktur, tetapi ada suatu gaya kohesiv yang besar yang menahan struktur tetap bersama.
Kebanyakan sifat-sifat logam seperti reaktivitas kimia, kekerasan, kekuatan, titik lebur dan titik didih dapat dihubungkan dengan kekuatan yang dengannya atom-atom logam diikat bersama. Kekuatan ikatan ini paling sederhana diukur oleh energi yang dibutuhkan untuk merusak logam-logam menjadi atom-atom gas yaitu energi atomisasi [Tabel 1.2]. Kemungkinan yang diharapkan logam-logam dengan energi atomisasi yang rendah umumnya adalah lunak dan mempunyai titik leleh yang rendah dan logam-logam dengan energi atomisasi yang tinggi umumnya keras dan mempunyai titik leleh yang tinggi.
Dalam hal logam-logam non-transisi [golongan 1 hingga 3] energi atomisasi meningkat dari kiri ke kanan. Dalam artian lain, energi kohesi meningkat sepanjang sistem periode dan kecenderungan ini berlanjut untuk posisi dua dan tiga dalam deret transisi, dalam periode 3, 4 dan 5. Kecenderungan ini merupakan fakta yang kuat bahwa energi ikatan logam berhubungan langsung dengan jumlah elektron valensi. Energi kohesi pertama-tama meningkat sepanjang seri transisi Sc–Ti–V ketika jumlah elektron d tak-berpasangan meningkat. Selanjutnya sepanjang seri transisi jumlah elektron per atom yang terlibat dalam ikatan logam menurun saat elektron-elektron d menjadi berpasangan, mencapai suatu maksimum pada Zn. Atom magnesium dengan konfigurasi elektron 3s2 dapat dibuat menjadi ikatan kovalen dengan mempromosikannya ke konfigurasi 3s1 3p1, dengan dua elektron tak-berpasangan.
Tabel 1.2 Entalpi atomisasi ∆Ho [kJ mol–1] [diukur pada 25 oC kecuali untuk Hg].
| Logam | ∆Ho | Titik Leleh [oC]] | Titik Didih [oC] |
| Li | 162 | 181 | 1331 |
| Na | 108 | 98 | 890 |
| K | 90 | 64 | 766 |
| Rb | 82 | 39 | 701 |
| Cs | 78 | 29 | 685 |
| Be | 324 | 1277 | 2477 |
| Mg | 146 | 650 | 1120 |
| Ca | 178 | 838 | 1492 |
| Sr | 163 | 768 | 1370 |
| Ba | 178 | 714 | 1638 |
| B | 565 | 2030 | 3927 |
| Al | 326 | 660 | 2447 |
| Ga | 272 | 30 | 2237 |
| Sc | 376 | 1539 | 2480 |
| Ti | 469 | 1668 | 3280 |
| V | 562 | 1900 | 3380 |
| Cr | 397 | 1875 | 2642 |
| Mn | 285 | 1245 | 2041 |
| Fe | 415 | 1537 | 2887 |
| Co | 428 | 1495 | 2887 |
| Ni | 430 | 1453 | 2837 |
| Cu | 339 | 1083 | 2582 |
| Zn | 130 | 420 | 908 |
Sumber: Brewer, L., Science, 1968, 161, 115 dengan beberapa tambahan
Konduktivitas logam menurun dengan meningkatnya temperatur. Logam-logam menunjukan beberapa derajat paramagnet yang mengindikasikan bahwa logam-logam ini memiliki elektron-elektron tak-berpasangan.
Jadi atom magnesium dapat mendistribusi dua ikatan terhadap tetangganya dalam kisi. Secara energetik hal ini dapat diilustrasikan sebagai berikut:
Energi Ikatan
Atom aluminium dengan tahana dasar 3s2 3p1 dapat dipromosikan ke tahana 3s1 3p2 dan olehnya dapat membentuk ikatan tiga per atomnya dalam kisi logam. Peningkatan lebih lanjut dalam hal jumlah ikatan per atom terjadi pada logam golongan 3 seperti skandium ke deretan logam transisi, dimana elektron-elektron d terlibat dalam ikatan. Akan tetapi karena penjolian elektron-elektron d dan peningkatan energi promosinya, jumlah ikatan per atom akhirnya menurun.
Struktur
Konfigurasi elektron tereksitasi yang terletak paling rendah dengan elektron tak-berpasangan yang lebih dari pada konfigurasi tahapan dasar mungkin penting jika energi ikatan dari ikatan-ikatan pasangan elektron tambahan mengimbangi energi promosinya.
Kaidah Engel dan Brewer yang kedua mengenai struktur kristal logam:
Struktur kristal logam bergantung pada jumlah rata-rata orbital s dan p per atom yang terlibat dalam ikatan, yaitu pada jumlah rata-rata elektron-elektron s dan p tak-berpasangan dalam atom-atom pada keadaan siap untuk berikatan-nya.
Bila jumlah elektron-elektron s,p ikatan kurang atau sama dengan 1,5 maka struktur bcc [body-centered cubic] yang terobservasi. Bila jumlah elektron-elektron s,p ikatan antara 1,7 dan 2,1, struktur hcp [hexagonal-close-packed] yang terobservasi. Bila jumlah elektron-elektron s,p dalam rentang 2,5 hingga 3,2, maka struktur ccp [cubic close-packed] yang akan terobservasi. Tentunya bila jumlah elektron-elektron s,p mendekati nilai 4 suatu struktur seperti intan non-logam yang akan ditemukan.
Tabel 1.3 Prediksi struktur logam dari jumlah elektron s dan p.
| Jumlah electron s dan p per atom yang terlibat dalam ikatan | Struktur |
| < 1,5 1,7 – 2,1 2,5 -3,2 Mendekati 4 | bcc hcp ccp Struktur intan-bukan logam |
Keistimewaan dari kaidah kedua tersebut adalah hubungannya struktur logam hanya pada jumlah elektron s dan p tak-berpasangan dalam keadaan siap-untuk-berikatan. Kenyataanya kaidah kedua dapatdinyatakan-ulang dalam hal jumlah electron p: elektron-elektron s,p 1, 2, 3 dan 4 adalah ekivalen dengan jumlah elektron-elektron p 0, 1, 2 dan 3. Dalam hal yang lain, walaupun jumlah elektron d tak-berpasangan relevan berkenaan dengan energi atomisasi, itu tidak relevan berkenaan dengan struktur. Ketergantungan struktur pada jumlah elektron p kemungkinan mengacu pada faktor bahwa dibanding orbital-orbital s dan p, orbital p merupakan pengarah karakter yang tinggi. Akan tetapi belum nampak suatu penjelasan sederhana untuk struktur khusus yang terobservasi.
Dalam Tabel 1.4 ditabulasi struktur kristal terobservasi untuk logam-logam. Seperti yang diprediksi oleh kaidah kedua, logam-logam alkali semuanya mempunyai struktur bcc. Akan tetapi, logam-logam alkali tanah hanya berlium dan magnesium yang mematuhi aturan tersebut dengan hanya memiliki struktur hcp. Struktur bcc yang diperlihatkan oleh Ca, Sr dan Ba dapat dijelaskan dengan aturan umum kepentingan relatif orbital d meningkat dengan nomor atom. Jadi dalam hal ini, eksitasi ke tahana [n–1] d ns secara energetik lebih baik dibanding eksitasi ke tahana ns np. Sayangnya tidak ada penjelasan sederhana untuk struktur ccp yang ditunjukan oleh Ca dan Sr.
Struktur bcc dan hcp yang ditunjukan oleh Sc, Y dan La [kebalikan dari struktur normal dari Al] dapat dijelaskan dalam kaitan partisipasi orbital d seperti dalam kasus Ca, Sr dan Ba. Nyatanya, struktur bcc yang ditunjukan oleh empat anggota pertama tiap deret transisi dapat dijelaskan dengan mengasumsi bahwa setiap atom dipersiapkan untuk berikatan dengan cara meningkatkan konfigurasi elektron valensi dv-1 s [dimana v adalah jumlah elektron valensi].
Untuk Cr, Mo dan W, elektron-elektron tertambah umumnya menempati orbital p untuk menjaga jumlah maksimum yang mungkin ikatan orbital d. Akan tetapi dengan penambahan lebih lanjut dari elekton, elektron-elektron d terjolikan dan akhirnya ikatan disebabkan hanya oleh orbital-orbital s,p.
Dalam Cu, Ag dan Au, keadaan elektronik tersiapkan adalah d8 sp2, korespon terhadap struktur ccp dan lima ikatan per atomnya. Bila sampai pada Zn dan Cd, elektron-elektron d terikat sangat erat untuk dipromosikan dengan mudah dan keadaan elektronik tersiapkan adalah d10 sp1, korespon terhadap struktur hcp dan dua ikatan per atomnya.
Tabel 1.4 Tipe struktur logam
Kisi ccp mempunyai empat set lapisan tertata-rapat [close-packed] parallel tegak lurus terhadap keempat diagonal badan dari sel unit tersebut. Sebaliknya, kisi hcp hanya mempunyai satu set lapisan tertata-rapat. Kelunakan dan mudah-tidaknya ditempa dari suatu logam bergantung pada kemudahan lapisan-lapisan berdampingan dari atom-atom tersebut dapat digesek satu sama lain. Pergesekan dapat terjadi dengan mudah sekali sepanjang bidang close-packed dan karena ada empat kali lebih banyak bidang ini pada ccp dibanding dalam logam hcp, logam-logam ccp lebih lunak daripada logam-logam hcp, faktor-faktor yang lain adalah sama. Jadinya kita dapat merasionalisasi kelunakan Cu, Ag dan Au dibandingkan logam-logam lain, kobal ccp relatif terhadap kobal hcp, dan besi ccp relatif terhadap bentuk hcp tekanan tinggi dari besi.
Kaidah Engel-Brewer dapat diaplikasikan pada alloy logam. Logam- logam setengah-pertama seri transisi yang mempunyai lebih sedikit elektron-elektron d dalam keadaan siap-untuk berikatannya, menyediakan orbital-d untuk elektron hingga konfigurasi d5 dicapai. Fakta ini serta kaidah kedua menghasilkan kesimpulan bahwa suatu alloy logam-transisi akan mempunyai struktur bcc jika rerata jumlah elektron valensi kurang dari 6,5, korespon dengan konfigurasi elektron tersiapkan d5s1p0,5. Berdasarkan hal ini kita dapat memprediksi kelarutan maksimum dari logam-logam seperti Re, Os, Ir dan Pt dalam wolfram fasa bcc menjadi mol fraksi yang korespon dengan 6,5 elektron valensi per atom. Mol fraksi observasi dan prediksi dinyatakan dalam Tabel 1.5.
Seperti terlihat dalam Tabel 1.4, bahwa Ti, Zr, dan Hf mempunyai struktur entah bcc [yang korespon dengan konfigurasi d3s] atau struktur hcp [yang korespon dengan konfigurasi d2sp]. Penambahan logam-logam yang kaya akan elektron-d pada sebelah kanan dari logam-logam ini menguntungkan ikatan orbital-d sehingga menstabilisasi struktur bcc. Penambahan logam-logam yang tidak mengandung elektron-d menstabilisasi struktur hcp karena struktur tersebut akan berkurang oleh reduksi dalam jumlah ikatan orbital-d.
Struktur ccp pada umumnya merupakan struktur yang lebih lunak dan lebih mudah diubah-bentuk dari pada struktur hcp maupun bcc.
Tabel 1.5 Maksimum solubilitas beberapa logam dalam wolfram fasa bcc.
| Logam | Solubilitas Prediksi | Solubilitas Observasi | |
| Re | 50 | 35 | - 43 |
| Os | 25 | 10 | - 20 |
| Ir | 16.7 | 10 | - 15 |
| Pt | 12.5 | 4 | - 10 |
Intisari
Sifat fisika logam yaitu: 1. memiliki reflektivitas yang tinggi [sering disebut kilau logam]; 2. Mempunyai konduktivitas listrik yang tinggi, yang bertambah dengan peningkatan temperatur; 3. Memiliki konduktivitas termal yang tinggi; 4. dapat ditempa.
Struktur kristal bergantung pada jumlah rata-rata orbital s dan p per atom yang terlibat dalam ikatan, yaitu pada jumlah rata-rata elektron-elektron s dan p tak-berpasangan dalam atom-atom pada keadaan siap untuk berikatan-nya.