PENGETAHUAN BAHAN DAN TEKNIK - STRUKTUR DAN CACAT KRISTAL
PENGETAHUAN BAHAN DAN TEKNIK
STRUKTUR DAN CACAT KRISTAL
DISUSUN OLEH :
NAMA : I GUSTI MADE KOMPYANG YASA
NIM
: J1B018042
PRODI :
TEKNIK PERTANIAN
PROGRAM STUDI TEKNIK PERTANIAN
FAKULTAS TEKNOLOGI PANGAN DAN AGROINDUSTRI
UNIVERSITAS MATARAM
2020
KATA PENGANTAR
Puji
syukur penyusu panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, atas segala rahmat-Nya
sehingga Makalah “STRUKTUR DAN CACAT KRISTAL” dapat terselesaikan, walaupun
hasilnya tidak sempurna jika dibandingkan dengan karya-karya besar yang lain,
namun hasil bukanlah tujuan yang utama, tetapi proses pembelajaran yang pernah
dijalani menjadi suatu hal yang utama bagi penulis. Karena disanalah pengalaman
dan nilai-nilai luhur itu ada, walaupun tidak dapat diukur dengan angka namun
sangat bermakna. Pengalaman yang telah terjadi mudah – mudahan dapat menjadi
refleksi, internalisasi, dan proyeksi bagi masa yang akan datang bagi penyusun
khususnya.
Penyusun
menyadari sebagai manusia bahwa masih banyak kekurangan dalam makalah ini.
Untuk itu penyusun mengharapkan kritik dan saran yang membangun untuk
menyempurnakan makalah ini. Terakhir semoga makalah ini dapat bermanfaat bagi
penyusun maupun bagi para pembaca.
Mataram, 7 Mei 2020
Penyusun
DAFTAR ISI
2.1.1. Ikatan tidak mengarah dan struktur ion
sederhana
2.1.2. Ikatan terarah dan struktur kovalen sederhana
2.1.3. Campuran ikatan kristal rumit
1.1.Latar
Belakang
Sistem kristal merupakan bagian yang paling terpenting untuk dipelajari
dalam ilmu material bahan. Untuk mempelajari ilmu material Bahan diperlukan
beberapa cabang ilmu pengetahuan yang di satukan yaitu ilmu kimia bahan dan
ilmu fisika bahan. Dalam mempelajari suatu susunan kristal material pada bahan,
sangat perlu mempelajari struktur dan cacat kristal pada material. Untuk itu
disini penyusun ingin membahas dan mempelajari lebih mendalam tentang bagaimana
struktur susunan dan cacat kristal pada suatu bahan.
Istilah "kristal" memiliki
makna yang sudah ditentukan dalam ilmu logam, dalam kehidupan sehari-hari
"kristal" merujuk pada benda padat yang menunjukkan bentuk geometri
tertentu, dan kerap kali sedap di mata. Berbagai bentuk kristal tersebut dapat
ditemukan di alam. Bentuk-bentuk kristal ini bergantung pada jenis ikatan
molekuler antara atom-atom untuk menentukan strukturnya, dan juga keadaan
terciptanya kristal tersebut. Bunga salju, intan, dan garam dapur adalah
contoh-contoh kristal.
Susunan yang sempurna ada di keseluruhan
material kristal pada skala atom tidaklah ada. Semua bahan padat mengandung
sejumlah besar cacat atau ketaksempurnaan. Beberapa material kristalin mungkin
menunjukkan sifat-sifat elektrik khas, seperti efek feroelektrik atau efek
piezoelektrik. Kebanyakan material kristalin memiliki berbagai jenis cacat
kristalografis. Jenis dan struktur cacat-cacat tersebut dapat berefek besar
pada sifat-sifat material tersebut.
1.2.Rumusan
Masalah
Adapun rumusan masalah makalah ini yaitu :
1.
Bagaimana struktur kristal dan contoh
masing-masing struktur kristal?
2.
Apa itu cacat kristal dan
jenis-jenisnya?
1.3.Tujuan
Pembahasan
Adapun
tujuan pembahasan makalah ini yaitu :
1. Mengetahui
dan memahami struktur kristal.
2. Mengetahui
dan memahami cacat kristal
2.1. Struktur Kristal
Susunan
atom dalam benda padat dapat diperkirakan kalau diketahui apakah ikatan antar
atomnya memiliki sifat keterarahan atau tidak. Atom-atom diikat oleh ikatan
mengarah (ikatan kovalen, ikatan dipol permanaen) berderet dalam satu aturan
tertententu untuk memenuhi sudut valensi. Kalau ikatannya bukan ikatan mengarah
(ikatan logam, ikatan ion, ikatan van der waals), maka atom-atom berkelakuan
seperti bola kaku dan membentuk susunan mengikuti bentuk geometri tertentu yang
ditentukan oleh perbandingan dimensi relatifnya. Dalam kristal senyawa
anorganik yang rumit sifat alamiah ikatan antar atomnya tidak dapat terlihat
jelas ciri khasnya, antara ikatan kovalen dan ikatan ion. Selanjutnya dalam
beberapa kasus berbagai jenis ikatan dapat bekerja pada satu kristal. Dalam hal
ini perlu dicatat bahwa berbagai struktur kristal yang dikemukakan dibawah ini
dikelompokkan oleh gaya utama yang bekerja pada ikatannya.
2.1.1. Ikatan tidak
mengarah dan struktur ion sederhana
Atom-atom tersusun serapat mungkin dalam
bentuk padat membentuk suatu zat tunggal berupa logam atau unsur tanah jarang.
Jumlah ikatan persatuan volume menjadi maksimum sedangkan energy ikatan
persatuan volume menjadi minimum. Struktur kristal yang terbentuk merupakan
suatu bentuk geometri dalam ruang dimana atom dianggap sebagai bola kaku yang
mempunyai ukuran sama.
Jumlah atom maksimum yang dapat disusun
disekeliling satu atom bersentuhan dengan semua atom tersebut adalah 12. Ada
dua bentuk susunan tersebut yaitu heksagonal susunan rapat dan kubus susunan
rapat atau kubus terpusat muka. Jika ukuran atom berbeda, atom yang memiliki
ikatan tak mengarah tidak dapat dijelaskan struktur kristalnya. Ukuran ion dari
kation dan anion biasanya berbeda, dan bentuk susunan ditentukan juga oleh
ukuran relatifnya.
Ukuran berbagai ion (radius ion) dalam
struktur ion ditentukan secara setengah empiric dari panjang ikatan antar atom
yang diamati dari kristal sebenarnya. Radius ion tak perlu mempunyai harga
tertentu, tetapi biasanya tetap untuk ion yang bersangkutan. Dibawah ini
dikemukakan struktur khas kristal ion yang sering ditemui dalam keramik.
a. Struktur
kristal garam batu
Anion besar tersusun dalam bentuk kubus dan semua
tempat interstisi dari koordinasi lipat 6 terisi oleh kation.
b. Struktur
sesium klorida
Pada struktur ini atom menempati tempat
ditengah-tengah kubus berupa struktur bcc terbentuk oleh atom isomer. Kation
dan anion keduanya dalam koordinasi lipat 8.
c. Struktur
wurtzit
Struktur ini mempunyai susunan heksagonal dari
anion, dan setengah dari interstisi tetrahedral diisi oleh kation kecil.
d. Struktur
paduan seng blen
Dalam struktur ini setengah dari interstisi
tetrahedral dalam kubus susunan rapat dari anion diisi oleh kation kecil.
e. Struktur
rutil
Struktur rutil mempunyai struktur satuan sedikit
terdistorsi dari oktahedron yang terbentuk oleh enam ion oksigen,
tengah-tengahnya sitempati oleh .
f. Struktur
fluorit
Struktur ini berdasarkan susunan kubus terpusat muka
dari . Sel satuan terbagi
menjadi delapan kubus kecil dari ion menempati titik tengah setiap kubus.
g. Struktur
-alumina, struktur
ilmenit
Ion oksigen tersusun dalam heksagonal susunan rapat dan ion mengisi dua pertiga dari tempat terkoordinasi
lipat 6 dalam susunan rapat.
h. Struktur
spinel
Dalam struktur spinel susunan atom oksigen merupakan kubus
susunan rapat. Seperdelapan dari tempat tetrahedral terbentuk dalam lapisan
susunan dari ion diisi oleh kation divalensi dan setengah dari
tempat octahedral diisi oleh kation trivlensi.
i.
Struktur perovskite
Dalam struktur perovskite sebagian kation berpartisipasi dalam
struktur susunan rapat. Dalam perovskite ion dan kation membentuk struktur kubus susunan rapat, dan
yang kecil ion yang bermuatan tinggi menempati tempat
interstisi octahedral.
2.1.2. Ikatan terarah dan
struktur kovalen sederhana
Jumlah
atom yang berdekatan terikat secara kovalen dengan atom tertentu, dibatasi oleh
valensi kovalen dari atom tersebut. Valensi kovalen itu biasanya kecil,
kebanyakan struktur kovalen adalah kristal molecular, dimana ikatan kovalen
terdapat hanya pada molekul yang bersangkutan, tetapi molekul-molekulnya
sendiri masing-masing terikat oleh ikatan dipol, yang berbeda dengan ikatan
kovalen. Banyak senyawa organik memiliki jenis struktur ini, tetapi banyak struktur
yang ikatan seluruhnya didasarkan pada ikatan kovalen. Pada umumnya struktur
kovalen mempunyai ikatan lebih kuat dibandingkan dengan struktur ikatan ion,
dan senyawa dari struktur ini lebih stabil dan lebih kuat pada temperature
tinggi. Jumlah atom pada satuan volume lebh sedikit dibandingkan pada struktur
susunan rapat karena ikatannya yang terarah dengan demikian massa jenisnya
lebih rendah.
Struktur
kovalen yang khas dikemukakan di bawah ini :
a. Struktur
intan
Unsur-unsur ringan dalam kelompok IV seperti intan C,
Si, Ge, timah kelabu memiliki struktur intan. Dalam struktur ini setiap atom
diikat oleh saling tumpangnya orbital hibrida dan diikat pada arah puncak oktahedron.
b. Struktur
grafit
Grafit adalah satu dari polimorf kristal karbon.
Atom karbon membentuk lapisan susunan rapat ikatan kovalen, yang diikat dengan
ikatan 
lemah diantaranya. Lapisan atas susunan padat
dari ikatan kovalen terbentuk oleh orbital hibrida .
2.1.3. Campuran ikatan
kristal rumit
Dalam
kristal yang rumit, berbagai macam atom berperan dan ikatannya merupakan ikatan
campuran dalam banyak hal. Struktur kristal demikian dapat dimengerti apabila
mengingat bahwa kristal tersusun oleh kombinasi dari polyhedron koordinasi,
dimana satuan kecil dari kation dikelilingi oleh beberapa anion. Salah satu
contoh adalah silikat yang merupakan bahan baku penting bagi keramik.
Struktur
dasar dari silikat adalah tetrahedron . Ikatan Si-O pada koordinasi tetrahedron
memenuhi keduanya baik keterarahan dari ikatan kovalen maupun perbandingan dari
radius atom relatif. Ada berbagai jenis struktur silikat karena berbagai cara
kombinasi mungkin terjadi diantara tetrahedron 
atau antara tetrahedron dengan ion lain. Karena besarnya muatan ion 
dan bilangan koordinasinya rendah, tetrahedron
jarang dihubungkan dengan sudut bersamanya dan
tak pernah dengan bidan bersamanya.
Suatu
silikat dimana tiap tetrahedron tidak dihubungkan dengan yang lainnya dinamakan
ortosilkat, yang termasuk kelompok ini adalah olivin dan garnet. Jika dua sudut
dari setiap tetrahedron dipakai bersama dengan tetrahedron lainnya maka
terbentuklah silikon rantai tunggal (siklosilikat) contohnya yaitu beril dan
kordierit. Jika 2,5 sudut tetrahedron sebagai rata-rata, dipakai bersama dengan
tetrahedron lainnya maka aka terbentuk silikat rantai ganda, contohnya yaitu
termolit dan ksonotlit. Jika 3 atau 4 ion oksigen dalam setiap tetrahedron
dipakai bersama, terjadi struktur berlapis yang terdiri dari , contoh bahan tersebut adalah mika,
bahan ini merupakan bahan baku keramik yang penting.
2.2. Cacat Kristal
Cacat
kristal dapat terjadi karena adanya solidifikasi (pendinginan) ataupun akibat
dari luar. Cacat palin sederhana adalah kehilangan atom pada posisi tertentu
dalam kristal (vacancy) yang sering disebut cacat schottky. Cacat kristal
kristal yang terjadi pada suatu bahan padat dapat mempengaruhi sifat fisis
tertentu seperti sifat mekanik atau sifat listrik
Berikut
ini merupakan jenis-jenis cacat kristal :
a. Cacat
titik yaitu adanya atom yang hilang atau terdapat sisipan atom asing dalam kisi
(kekosongan, interstitial dan subtitutional , cacat Schottky dan cacat
Frenkel).
1. Kekosongan
Di alam ini tidak terdapat Kristal yang sempurna
dengan susunan atom yang teratur. Selalu terdapat cacat dalam suatu Kristal,
dan yang paling sering dijumpai adalah cacat titik. Hal ini terutama ketika
temperature Kristal cukup tinggi dimana atom-atom bergetar dengan frekuensi
tertentu dan secara acak dapat meninggalkan kisi, lokasi kisi yang ditinggalkan
disebut vacancy atau kekosongan. Semakin tinggi suhu, semakin banyak atom yang
dapat meninggalkan posisi kesetimbangannya dan semakin banyak kekosongan yang
dapat dijumpai pada kristal.
2. Interstitial
dan substitutional
Interstitial yaitu Penekanan atau penumpukan antara
tempat kisi teratur. Jika atom interstitial adalah atom yang sejenis dengan atom-atom
pada kisi maka disebut self interstitial. Subtitutional yaitu Penggantian atom
pada matriks Kristal. Jika atom asing mengganti atau mensubtitusi matriks atom,
maka disebut subtitusional impurity
3. Schottky
dan frenkel
Cacat Frenkel adalah kekosongan pasangan ion dan
cation interstitial. Atau kekosongan pasangan ion dan anion interstitial. Namun
ukuran anion jauh lebih besar dari pada kation maka sangat sulit untuk
membentuk anion interstitial. Cacat Schottky adalah kekosongan pasangan kation
dan anion. Keduanya cacat Frenkel dan Schottky, pasangan cacat titik tetap
berdekatan satu sama lain karena tarikan coulomb yang kuat antara muatan yang
berlawanan.
b. Cacat
Linear yaitu sekelompok atom berada pada posisi yang menyimpang ( dislokasi
tepi dan dislokasi screw). Dislokasi adalah cacat garis. Ikatan interatomik
secara signifkan terdistorsi hanya dalam daerah sekitar dislokasi garis yang
cepat. Dislokasi juga membentuk deformasi elastic kecil kisi pada jarak yang
jauh. Dislokasi dengan arah vector Burger tegak lurus dengan dislokasi disebut
dislokasi tepi atau dislokasi edge. Ada tipe dislokasi kedua yang disebut
screw dislocation. Screw dislocation sejajar dengan arah Kristal yang
dipindahkan atau yang digeser (vector Burger sejajar dengan dislokasi garis).
Hampir seluruh dislokasi yang ditemukan pada Kristal bahan tidak terdiri daru
edge dislocation saja atau screw dislocation saja tetapi terdiri dari campuran
keduanya atau disebut mix dislocation.
c. Cacat
interfacial yaitu interface antara daerah sejenis pada bahan (permukaan
eksternal, grain boundaries, dan twin boundaries).
1. Permukaan
eksternal
Salah satu batas yang selalu ada adalah permukaan
luar atau permukaan eksternal, dimana permukaan ada disetiap ujung Kristal. Di
permukaan, atom tidak memiliki jumlah tetangga maksimum sehingga jumlah
ikatanya lebih kecil dan memiliki keadaan energy yang lebih besar dari atom
atom yang berada dibagian dalam. Ikatan atom pada permukaan Kristal yang tidak
terikat memberikan energy permukaan yang diekspresikan dalam satuan energy
persatuan luas permukaan (J/m2 atau org/cm2). Untuk
mengurangi energy tersebut, suatu bahan cenderung untuk memperkecil
permukaannya. Namun untuk zat padat hal ini sulit karena memiliki sifat yang
kaku.
2. Grain
boundaries
Jenis lain dari cacat interfacial adalah grain
boundaries yaitu batas yang memisahkan dua grain kecil atau Kristal yang
memiliki struktur Kristal yang berbeda dalam bahan polikristalin. Didalam
daerah batas, dimana terdapat jarak cukup lebar diantara atom, terdapat
beberapa atom yang hilang dalam transisi dari orientasi Kristal dalam satu
grain ke grain yang berdekatan.mBermacam-macam ketidak sejajaran kristalografi
diantara grain yang berdekatan merupakan hal yang mungkin. Ketika orientasi
yang tidak cocok ini diabaikan atau derajatnya kecil maka bentuk sudut kecil
grain boundaries digunakan.Batas ini
dapat digambarkan dalam bentuk susunan dislokasi.
3. Twin
boundaries
Twin boundaries atau batas kembar merupakan jenis
khusus dari grain boundaries dimana terdapat cermin kisi yang simetri. Atom
dalam satu sisi batas ditempatkan sebagai cermin atom pada sisi yang lainnya.
Daerah diantara dua sisi tersebut terbentuk bidang twin. Batas kembar
dihasilkan dari perpindahan atom yang diproduksi oleh gaya mekanik yang
dikerjakan pada bahan (mechanic twin) dan juga terbentuk selama proses
annealing panas yang mengikuti deformasi (annealing twins). Perkembaran terjadi
pada bidang Kristal tertentu dan arah tertentu juga dan keduannya tergantung
pada struktur Kristal. Annealing twin adalah tipe yang ditemukan dalam
metal yang berstruktur FCC dan mechanic twin dapat di observasi pada logam
berstruktur BCC dan HCP.
Cacat pada
Kristal dapat mengubah sifat listrik dan mekanik bahan. Kekosongan pada Kristal
dapat mengubah sifat listrik bahan. Sebagai contoh, kita memanfaatkan
kekosongan pada Kristal silicon untuk pendopingan oleh phospor sehingga
terbentuk semikonduktor tipe n. Selain itu cacat Kristal seperti kekosongan,
dislokasi, dan boundaries dapat meingubah sifat mekanik bahan. Grain Boundaries
dapat menghambat difusi atom dan gerak dislokasi sehingga deformasi bahan sulit
terjadi. Semakin kecil grain, semakin kuat bahan tersebut. Ukuran grain dapat
diatur dengan laju pendinginan. Laju pendinginan yang cepat menghasilkan
grain-grain yang kecil sedangkan proses-proses pendinginan yang lambat
menghasilkan grain-gran yang besar
3.1. Kesimpulan
Adapun kesimpulan dari
makalah ini yaitu sebagai berikut :
1.
Struktur kristal dikelompokkan oleh gaya
utama yang bekerja pada ikatannya yaitu ikatan tidak mengarah dan struktur ion
sederhana, ikatan terarah dan struktur kovalen sederhana, campuran ikatan
kristal rumit.
2.
Cacat kristal dapat terjadi karena
adanya solidifikasi atau akibat dari luar. Jenis-jenis cacat kristal yaitu
cacat titik, cacat linear, dan cacat interfacial.
DAFTAR PUSTAKA
Surdia,
Tata dan Shinroku Saito.1984.Pengetahuan
Bahan Teknik.Bandung : Balai Pustaka.
Wulan,
Niluh.2011.Cacat Kristal.
ciripo.wordpress.com Diakses pada 7 Mei 2020.
.JPG)
Komentar
Posting Komentar