Dasar-Dasar Kristalografi Pada Logam

DASAR-DASAR KRISTALOGRAFI PADA LOGAM
(Oleh Okasatria Novyanto)

Sebelum membahas lebih jauh tentang Dasar-dasar kristalografi pada logam, tidak ada salahnya jika Anda membuka kembali catatan SMU tentang tabel periodik unsur-unsur kimia.
Sebagaimana kita telah ketahui bahwa semua zat terdiri atas atom-atom dan atom itu sendiri dari inti atom yang berupa sejumlah proton dan neutron yang dikelilingi oleh sejumlah elektron. Elektron ini menempati cell tertentu. Suatu atom dapat mempunyai satu atau bahkan lebih cell. Setiap cell dapat ditempati oleh elektron sebanyak 2 kali dari nomor cell (dihitung mulai dari yang terdalam sebagai cell nomor 1) yang dikuadratkan.
Jumlah elektron pada cell terluar banyak menentukan sifat dari unsur-unsur tersebut. Atom yang memiliki sejumlah elektron yang sama pada cell terluar yaitu unsur pada group yang sama akan memilki sifat yang hampir sama. Semua gas mulia mempunyai 8 elektron pada cell terluar, kecuali Helium yang hanya memiliki satu cell dan jumlah elektron pada cell itu adalah 2. Semuanya adalah unsur yang sangat stabil dan tidak bereaksi dengan unsur lain.
Atom-atom dapat membuat ikatan dengan atom yang sejenis atau atom lain membentuk molekul dari suatu zat atau senyawa. Molekul ialah sekelompok atom yang terikat oleh gaya tarik menarik antar atom itu sendiri dengan cukup kuat, sedang untuk atom-atom yang sejenis mempunyai ikatan yang lemah. Namun ikatan antar molekul itu lemah. Kristal ialah susunan pola ulang atom-atom (yang mengatur secara teratur) dalam 3 arah koordinat (dimensi).
Dalam beberapa hal atom-atom juga dapat menjalin ikatan dengan atom sejenis atau atom lainnya tanpa membentuk molekul seperti halnya pada logam.
Ikatan Atom
Ada tiga jenis ikatan atom yang utama, yaitu :
Ikatan ionic
Sebenarnya ikatan atom yang paling stabil itu seperti pada konfigurasi elektron pada gas mulia, yaitu terdapat delapan electron pada cell terluar (dua electron bila atom hanya memiliki satu cell). Bila suatu atom hanya memiliki satu electron pada cell terluar maka ia cenderung untuk melepas electron tersebut dan cell yang kebih kedalam yang biasanya sudah terisi penuh akan menjadi cell terluar, hal inilah yang menyebabkan lebih stabil. Tetapi hal ini pula mengakibatkan atom kelebihan proton (muatan positip) sehingga atom itu akan bermuatan positip (atom itu berubah menjadi ion positip). Sebaliknya bila suatu atom lain yang memiliki tujuh electron pada cell terluarnya, ia cenderung akan menerima satu electron lagi dari luar. Dan bila hal ini terjadi maka atom tersebut akan menjadi bermuatan negatip (karena akan menjadi ion negatip). Dan bila kedua ion ini berdekatan akan terjadi tarik menarik karena kedua ion ini memiliki muatan listrik yang berlawanan. Kedua ion ini akan terikat satu sama lainnya dengan gaya tarik menarik itu. Ikatan ini dinamakan ikatan ionic (ionic bonding), misalnya pada NaCl.
Ikatan kovalen
Beberapa atom dapat memperoleh konfigurasi electron yang stabil dengan saling meminjamkan elektronnya. Dengan saling meminjamkan electron ini atom-atom akan memperoleh susunan electron yang stabil tanpa menyebabkannya menjadi bermuatan. Elektron ini masih mempunyai ikatan dengan atom asalnya, tetapi juga sudah terikat dengan atom yang meminjamnya, misalnya Ikatan kovalen dari chloride
Ikatan Logam
Pada ikatan logam sebenarnya juga masih terdapat “kegiatan” saling meminjamkan electron, hanya saja jumlah atom yang bersama-sama saling meminjamkan elektron valensinya (elektron yang berada pada cell terluar) ini tidak hanya antara dua atau beberapa atom tetapi dalam jumlah yang tidak terbatas. Setiap atom menyerahkan electron valensinya untuk digunakan bersama. Dengan demikian akan ada ikatan tarik menarik antra atom-atom yang saling berdekatan. Jarak antar atom ini akan tetap sama, maksudnya seumpama ada atom yang bergerak menjauh maka gaya tarik menarik akan “menariknya” kembali ke posisi semula dan bila bergerak terlalu mendekat maka akan timbul gaya tolak menolak karena inti-inti atom berjarak terlalu dekat padahal muatan listriknya sama sehingga kedudukan atom relatip terhadap atom lain akan tetap.
Ikatan yang semacam ini biasanya terdapat pada logam sehingga dikenal dengan ikatan logam. Pada ikatan logam, inti-inti atom berjarak tertentu dan terlelat beraturan sedangkan elektron yang saling dipinjamkan seolah-olah membentuk “kabut elektron” yang mengisi sela-sela antar ini.
Mengingat atom-atom pada logam mempunyai posisi tertentu relatip terhadap atom lainnya maka dapat dikatakan bahwa atom logam tersusum secara teratur menurut suatu pola tertentu. Susunan yang teratur inilah yang dinamakan dengan Kristal dan susunan Kristal pada logam selalu kristalin (tersusun beraturan dalam suatu Kristal).
Struktur Kristal pada Logam
Sebenarnay struktur Kristal pada logam itu cukup banyak jenisnya, misalnya : Face Centered Cubic, Orthohombic, dll. Nah, pada ulasan kita kali ini akan menitik beratkan pada Face Centered Cubic (FCC), dan Body Centered Cubic saja.
Body Centered Cubic
Body Centered Cubic (BCC) secara bahasa artinya : Kubus pemusatan ruang. Umumnya struktrur Kristal ini dimiliki oleh : Crom (Cr), Besi Alpha, Molebdenum (Mo), Tantalum (Ta), dll. BCC ini mempunyai Number of atoms per unit cell (n), dimana n = 1 + (8 x 1/8) = 2. BCC juga mempunyai Coordination Number (CN) sejumlah = 8, CN ialah jumlah atom-atom tetangganya yang mengelilinginya. Karena atom yang terpadat itu berada pada diagonal ruang maka untuk mencari Unit cell length (a) pada BCC, dirumuskan sebagai berikut :
Atomic Packing Factor (APF) ialah Fraksi Volume yang diisi oleh atom, yang secara matematis diperoleh dari Volume atom pada unit cell satuan dibagi dengan Volume unit cell satuan.
Untuk BCC, APF-nya sebesar 0.68
Face Centered Cubic Face Centered Cubic (FCC) secara bahasa artinya : Kubus pemusatan sisi. Umumnya struktrur Kristal ini dimiliki oleh : Alumunium, Besi Gamma, Timbal, Nickel, Platina, Ag, dll. FCC ini mempunyai Number of atoms per unit cell (n), dimana n = (6 x ½) + (8 x 1/8) = 4. FCC juga mempunyai Coordination Number (CN) sejumlah = 12. Karena atom yang terpadat itu berada pada diagonal ruang maka untuk mencari Unit cell length (a) pada BCC, dirumuskan sebagai berikut :
Untuk FCC, APF-nya sebesar 0.74
Polymorphism and Allotropy
Beberapa material kemungkinan mempunyai lebih dari satu struktul Kristal, inilah yang disebut dengan polymorphism, misalnya : Carbon itu bisa dalam bentuk Diamond, Graphite maupun buckminsterfullerene (buckyball).
Jika material mempunyai lebih dari satu Kristal tetapi dalam keadaan padat yang tergantung dari temperature, maka inillah yang disebut dengan Allotropy, misalnya : Besi, itu pada batas kelarutan maksimum karbon 0,025%C pada temperature 723 Derajat Celcius berfasa besi alpha yang berstruktruk Kristal BCC sedang pada batas kelarutan maksimum karbon 2%C pada temperatur 1130 derajat celcius dia berfasa besi gamma (Austenite) yang berstruktur Kristal FCC. Dan pada batas kelarutan maksimum karbon 0,1% C pada temperature 1493 Derajat Celcius berfasa besi delta yang berstruktur Kristal BCC.
Arah dan Bidang Kristalografi
Arah Kristalografi
Untuk lebih sederhananya cobalah ikuti langkah-langkah berikut :
Bidang Kristalografi
Untuk lebih sederhananya cobalah ikuti langkah-langkah berikut :
Dan untuk menambah pemahaman Anda, silahkan baca kembali buku Introduction Physical Metallurgy (Sidney H. Avner) dan Callister