Makalah Ikatan Logam

IKATAN LOGAM

            Sebelum kita membahas tentang ikatan logam, terlebih dahulu kita membahas tentang logam. Logam adalah unsur kimia yang mempunyai sifat-sifat kuat, liat, keras, penghantar listrik dan panas, serta mempunyai titik cair tinggi. Logam memiliki ciri-ciri sebagai berikut:

1.      Logam memiliki konduktivitas elektrik yang tinggi, dan konduktivitas ini akan menurun sesuai dengan turunnya suhu

2.      Logam merupakan koduktor panas yang baik

3.      Memiliki titik leleh dan titik didih yang tinggi

4.      Permukan logam bersinar

5.      Merupakan zat yang memiliki massa jenis yang tinggi dan keras

6.      Dapat ditempa dan direnggangkan

7.      Memiliki elastisitas yang tinggi

8.      Tak tembus cahaya

9.      Memiliki bilangan koordinasi  yang tinggi(8,12, 14) dalam system Kristal

10.  Dapat membentuk solid solution antar logam dengan mudah. Dan ini dikenal dengan alloy

11.  Logam cendrung membentuk senyawa yang tidak sesuai dengan stokiometri dengan atom lain(umumnya hydrogen, boron, carbon, dan nitrogen). Yang mana, atom lain tersebut terjebak dalam struktur Kristal.

12.  Logam umumnya merupakan unsure electropositive

13.  Semakin kecil ukuran logam maka semakin reaktif logam tersebut

Struktur Logam

      Pada Kristal logam, atom yang tersusun dalam susunan yang berulang kita sebut dengan kisi kristal. Penyusunan atom logam merupakan masalah besar dalam geometri. Oleh karena itu, kita focus pada penyusunan atom dengan ukuran yang sama tetapi dengan cara yang berbeda.

      Berdasarkan pada difraksi sinar X, pola atom logan dalam bentuk kristal dapat dibagi menjadi 4:

1.      Simple Cubic(sc)/ kubus sederhana

                              (a)                                                        (b)

Gambar 1. a.Lapisan pertama dari kubus sederhana, b. pola kubus sederhana yang terdiri dari banyak lapisan

                 Pola ini merupakan pola yang paling sederhana dari pola-polayang lain. Pada pola ini, atom disusun berdasarkan penyusunan sisi per sisi. Untuk lapisan  atas dan selanjutnya disusun sesuai lapisan dibawahnya. Setiap atom bersinggungan dengan 4 atom yang lain yang satu lapisan, dan 1 atom diatas dan 1 atom lagi dibawah atom tersebut. Jadi totalnya ada 6 atom. Berdasarkan hal ini bilangan koordinasi sc adalah 6.

                 Kubus sederhana tidak terlalu padat dan pola ini hanya ada pada struktur logam dari polonium, walaupun juga terdapat pada beberapa senyawa ion.

2.      Hexagonal close packed(hcp)

Pola lain dalam struktur logam adalah berdasarkan atas susunan hexagon untuk setiap lapisannya, yang mana setiap atom dikelilingi oleh 6 atom pada bidang yang sama. Pada pola hexagonal, lubang antar atom lebih sempit dari pola kubus, pada lapisan kedua dari pola hexagonal diletakkan diatas lapisan pertama, hal ini secara fisika tidak dimungkinkan untuk menempatkan  atom pada semua lubang pada lapisan pertama. Pada faktanya, hanya ½ bagian lubang yang dapat ditutupi. Jika pada lapisan ketiga  diletakkan di atas lubang lapisan kedua, maka secara otomatis mentupi  lapisan pertama, dan susunan ini dilakukan secara berulang-rulang. Maka dikenal dengan pola abab.

(a)                                                (b)                                                    (c)

Gambar 2. a) lapisan pertama pada pola hexagonal b) lapisan kedua pola hexagonal c) pola hexagonal closed-packed termasuk menempati lapisan ketiga diatas lapisan pertama(*)

3.      Face centered cubic(fcc)/ kubud berpusat muka

Pada fcc hampir sama dengan hcp, akan tetapi yang membedakan adalah pada lapisan ketiga menutupi lubang pada lapisan 1 dan 2. Dan untuk lapisan keempat mengulagi pola lapisan 1. Makanya pola ini dikenal dengan pola abcabc.

(a)                                               (b)

Gambar 3. a) lapisan ketiga pada pola kubus berpusat muka(*) b) pola kubus berpusat muka secara keseluruhan

4.      Body centerd cubic(bcc)/ kubus berpusat badan

Pada pola ini setip atom bersinggungan dengan 4 atom dibawahnya dan 4 arom diatasnya. Oleh karena itu bcc memiliki 8 bilangan koordinasi.

(a)                                          (b)

Gambar 4. a) lapisan 1 dan 2 pola kubus berpusat badan b) polakubus berpusat bada secara keseluruhan

            Ini merupakan tabel sifat-sifat  dari jenis pola yang berbeda

            Semakin kecil, ruang kosong dari suatu pola maka semakin dekat jarak antar atom. Oleh karena itu beberapa sifat logam dapat dikaitkan dengan dengan struktur logamnya. Seperti titik leleh dan kekerasannya, jika ruang kosong semakin kecil maka suatu logam akan memiliki titik leleh yang semakin tinggi, dan semakin keras. Sebab, dengan ruang kosong yang semakin kecil mengakibatkan jarak antar atom semakin dekat sehingga membutuhkan energy yang lebih besar untuk memutuskan hubungan itu.

            Suhu juga berpengaruh terhadap pola struktur logam. Contohnya pada besi, besi memiliki struktur bcc saat suhu ruangan, berubah menjadi fcc saat suhu diatas 910 ˚C, dan kembali menjadi struktur bcc sekitar suhu 1390˚C.

            Gambar 5.  Penyebaran pola struktur logam pada table periodic saat SATP

Unit Sel

            Susunan(pola) paling sederhana dari bidang, berulang dan ketika berulang-rulang akan membentuk struktur kristal , dan hal ini kita sebut dengan unit  sel. Sel yang paling mudah kita lihat pada pola kubus sederhana. Pada unit sel kubus sederhanan, kita telah memootong sebuah kubus dari inti pertengahan dari 8 atom. Sehingga setiap sudut sel memiliki 1/8 atom. Maka, untuk satu unit sel dari kubus sederhana memiliki 1/8 x 8 = 1 atom.

            Untuk body centered cubic, setiap susudt memiliki 1/8 atom dan 1 ditengah. Maka setiap satu unit sel memiliki 2 atom. Dan untuk fcc, setiap unit sel memilki 1/8 atom setiap sudutnya, dan ½ atom setiap sisinya, maka menjadi 4 atom.

(a)

gambar 6. a) kubus sederhana b) kubus berpusat badan c) kubus berpusat muka

Alloy

            Alloy merupakan campuran dari 2 atau lebih logam padatan. Kemungkinan terbentuknya alloy sangat banyak. Alloy sangat penting dalam kehidupan kita. Sebab dengan adanya alloy kita mendapatkan kelebihan dari masing-logam penyusunnya. Alloy berikatan logam seperti unsure komponen logam. Ikatan ini serupa dengan ikatan kovalen pada non logam.

            Ada dua jeni alloy, yaitu solid solution dan alloy compound. Pada pembentukaanya, lelehan metal bercampur membentuk campuran yang homogen. Dan khusus untuk membuat solid solution, atom- atom dari 2 logam tersebut harus memiliki jari-jari, struktur pola logam, dan sifat kimia yang hamper sama. Contohnya, adalah alloy antara emas dan tembaga. Emas memiliki jai-jari sebesar 144 ppm dan 128 ppm untuk tembaga. Dan mereka sama-sama memiliki struktur pola logam yang sama yaitu fcc.

Berikut ini merupakan table beberapa contoh alloy

Ikatan pada Logam

             Berbagai macam teori ikatan logam yang dapat diperhitungkan dalam menjelaskan sifat dari logam, yang pastinya menjelaskan tentang daya hantar alektrik yang tinggi dimiliki oleh logam. Model teori yang paling sederhana dalam menjelaskan teori ini adalah model lautan elektron. Pada model ini, elektron valensi bergerak bebas melintasi struktur metal yang raksasa dan lalu meninggalkan metal sehingga membentuk ion positive. Elektron valensi ini membawa arus listrik, dan melalui perpindahan elektron valensi ini juga panas dapat dipindahkan antar metal.

            Teori orbital molekul memberikan model yang lebih tepat dalam menggambarkan ikatan logam. Perluasan dari teori orbital ini disebut juga teori pita. Kita contohkan pada orbital litium. Kita lihat bahwa dua atom litium dikombinasikan pada pasa gas membentuk molekul dilitium. Diagram orbital molekul pada gambar 6 menunjukkan gabungan orbital atom 2s. sekarang anggaplah bahwa 4 orbital atom litium digabungkan.  Harus ada jumlah yang sama  dari σ_2s, orbital molekul sebagai orbital dari atom 2s, setengah untuk anti ikatan dan setengah lagi untuk ikatan. Dan untuk menghindari melanggari aturan kuantum, energy dari orbital tidak dapat digenerasi. Berarti energy σ_2s tidak akan sama dengan σ_2s yang lainnya.

(a)                                                             (b)

Gambar 6. a) diagram orbital molekul untuk molekul dilitium pada pasa gas b) diagram orbital molekul untuk perpaduan dari 4 atom litium

            Pada kristal logam yang besar berarti kita memilki orbital atom dengan jumlah yang banyak dan kita sebut n. Orbital ini berinteraksi sepanjang keseluruhan  kristal logam, dan sama dengan prinsip sebelumnya. Akan ada orbital molekul  ½ n σ_2s dan ½ nya lagi ½ n σ*_2s. dengan banyaknya jumlah energy, jarak antar tingkat energy menjadi dekat. Sehingga, pada dasarnya tingkatan energy tersebut merupakan rangkaian kesatuan, dan terlihat seperti pita. Pada litium pita berisi setengah penuh dari orbital 2s. Dan dapat kita lihat dari gambar 7, orbital bonding penuh sedangkan pada anti bondingnya kosong.

Gambar 7. Turunan pita dari orbital atom 2s gabungan dari n atom litium

            Dan dari model teori pita ini kita dapat membagi suatu zat berdasarkan daya hantanrnya menjadi 3 komponen:

1.      Konduktor

Dala kristal logam, elektron-elektron bergerak kesemua arah, bila diberi beda potensial e- bergerak sesuai dengan arah beda potensial dan akan mempunyai enegi ynag lebih besar dari arah sebaliknya. Karena elektron valensi bebas bergerak dalam logam sehingga logam dapat menghantarkan arus listrik.

Sesuai dengan teori pita energy:

      Logam yang memiliki pita energy ½ penuh akan memiliki sifat konduktor.

2.      Isolator

Pada isolator semua pita energy terisi penuh dengan elektron, berarti tidak ada elektron bebas sehingga tidak menghantarkan listrik/panas.

3.      Semi konduktor

Pada semi kondukktor perbedaan energy antara pita terisi dengan pita kosong besar. Adanya ketidak murnian dalam bahan(zat asing) memungkinkan adanya hantaran listrik. Apabila ketakmurnian pitanya kosong dan terlokasi dekat pita valensi yang terisi penuh, maka elektron dari pita valensi dapat loncat kepita ketakmurnian ini sehingga dapat menghantarkan arus listrik(semi konduktor)

Contoh: Galium + Germanium

(a)                                                                             (b)

Gambar 8. Pita energi a) isolator b) semi konduktor

DAFTAR PUSTAKA

Manku, G S. 1980. Theoretical Principles of Inorganic Chemistry. New Delhi: McGraw-Hill Publishing Company Limited

Mon, Irma. 2010. Bahan Ajar Ikatan Kimia. Padang : FMIPA UNP

Rayner, Geoff dkk. 2010. Descriptive Inorganic Chemistry, Edisi kelima. New York: W. H Freeman and Company