Mengenal Sifat Material - HandOut 0812 - Ee-cafe.org

8/19/2012Darpublic12Kuliah Terbukadalam format ppsx beranimasi tersedia diwww.ee-cafe.orgBukuMengenal Sifat Material(pdf)tersedia diwww.buku-e.lipi.go.iddanwww.ee-cafe.org34• Pendahuluan: PerkembanganKonsep Atom• Elektron Sebagai Partikel danSebagai Gelombng• Persamaan Gelombang Schrödinger• Aplikasi Persamaan Schrödingerpada Atom• Konfigurasi Elektron Dalam Atom• Ikatan Atom dan Susunan Atom• Struktur Kristal dan Nonkristal• Teori Pita Energi• Sifat Listrik Metal• Sifat Listrik Dielektrik• Sifat-Sifat Thermal• Pengertian Dasar Thermodinamika• Sistem Multifasa• Gejala Permukaan• Difusi• Oksidasi dan Korosi• Karbon dan Ikatan Karbon• Senyawa Hidrokarbon561

8/19/2012Sudaryatno SudirhamPerkembangan Konsep AtomPendahuluanPerkembangan pengetahuan tentang material dilandasioleh konsep atom yang tumbuh semakin rumitdibandingkan dengan konsep awalnya yang sangatsederhana.Dalam tayangan ini kita hanya akan melihat selintasmengenai perkembangan ini. Uraian agak rinci dapatdilihat dalam buku yang dapat diunduh dari situs ini juga.78± 460 SM∼ Democritus1803 Dalton : berat atom1897 Thomson : atom bukan partikel terkecil → elektronAkhir abad 19 : Persoalan radiasi benda hitamDijelaskan:gelombangcahaya sepertipartikel; disebutphoton1880 Kirchhoff1901 Max Planck E osc = h × f h = 6,626 × 10−34 joule-sec1905 Albert Einsteinefek photolistrikE maks0φ 1φ 2φ 3metal 1metal 2metal 3f1913 Niels Bohrtingkat energi54321LYMANBALMERPASCHEN1923 Compton : photon dari sinar-X mengalami perubahan momentum saatberbenturan dengan elektron valensi.1924 Louis de Broglie : partikel sub-atom dapat dipandang sebagai gelombang1926 Erwin Schrödinger : mekanika kuantum1927 Davisson dan Germer : berkas elektron didefraksi oleh sebuah kristal1927 Heisenberg : uncertainty Principle ∆ ∆x≥ hp x∆E∆t≥ h1906-1908 Rutherford : Inti atom (+) dikelilingi oleh elektron (-)91930 Born : intensitas gelombang*I = Ψ Ψ10Model Atom BohrModel atom Bohr dikemukakan dengan menggunakan pendekatanmekanika klasik.Model atom Bohr berbasis pada model yang diberikan oleh Rutherford:Partikel bermuatan positif terkonsentrasi di inti atom, dan elektron berada disekeliling inti atom.rZeF c−19e = −1,60× 10 C2ZeF c =2r2mvF c =rZemv2 2=r2 2mv ZeE k = =2 2r2ZeE p = − = −2E kr2ZeEtotal= E p + Ek= − = −Ek2rPerbedaan penting antara kedua model atom:Model atom Rutherford: elektron berada di sekeliling inti atom dengan carayang tidak menentuModel atom Bohr: elektron-elektron berada pada lingkaran-lingkaran orbit yangdiskrit; energi elektron adalah diskrit.11Gagasan Bohr :orbit elektron adalah diskrit; ada hubungan linierantara energi dan frekuensi seperti halnya apayang dikemukakan oleh Planck dan Einstein∆E = nhfh∆f= n2m( 2πr)122

8/19/2012Jari-Jari Atom BohrDalam model atom Bohr :energi dan momentum sudut elektron dalam orbitterkuantisasiSetiap orbit ditandai dengan dua macam bilangan kuantum:bilangan kuantum prinsipal, nbilangan kuantum sekunder, l2 2n hr =2 24πmZe2n−8r = k k1= 0,528 × 10 cm1ZUntuk atom hidrogen pada ground state, di mana n = 1 dan Z = 1,maka r = 0,528 Å1314Tingkat-Tingkat Energi Atom HidrogenSpektrum Atom Hidrogenenergi total [ eV ]2 2 42πmZ eE n = −2 2n h= −13,62nbilangan kuantum prinsipaleVn : 1 2 3 4 50−1,510 1 2 3 ≈41,89 eV 5 6−3,4E n=13,6− 2n≈ 10,2 eVDeret n 1 n 2 RadiasiLyman 1 2,3,4,… UVBalmer 2 3,4,5,… tampakPaschen 3 4,5,6,… IRBrackett 4 5,6,7,… IRPfund 5 6,7,8,… IRTingkat Energi543deret Paschen2deret Balmer1deret Lyman−13,6-16ground state151617 183

-0 .9 3 4 -0 .3 0 6 0 .3 2 21-108/19/2012Sudaryatno SudirhamGelombangGelombang Tunggalu = Acos( ωt− θ)j( ωt−θ)u = Aeu = Aej ( ωt−kx )k = 2π/ λbilangan gelombangKecepatan rambat gelombang dicari dengan melihat perubahanposisi amplitudoωt− kx = 0ωtdx ωx = v f = = = f λk dt kKecepatan ini disebutkecepatan fasa1920Paket Gelombangu =Paket gelombang adalah gelombang komposityang merupakan jumlah dari n gelombang sinus⎡j(ωnt−knx)Ane= ⎢n⎢⎣n∑∑j(ωnt−knx)u = Anen∑A⎤n j[(ωn−ω0) t−(kn−k0) x]j(ω0t−k0x)e⎥A0eA0⎥⎦⎡ A⎤n j[(∆ωn) t−(∆kn) x]j(ω0t−k0x)= ⎢∑e⎥ A0e⎢⎣An 0⎥⎦dengan k 0 , ω 0 , A 0 , berturut-turut adalah nilai tengahdari bilangan gelombang, frekuensi dan amplitudoBilangan gelombang: k⎛ ∆k⎞ ⎛ ∆k⎞⎜ k0− ⎟ ≤ k ≤ ⎜k0 + ⎟⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠Perbedaan nilai k antara gelombang-gelombang yang membentuk paket gelombangtersebut sangat kecil → dianggap kontinyu demikian juga selang ∆k sempit sehinggaA n / A 0 ≈ 1. Dengan demikian maka⎡⎤j[( ∆ωn) t−(∆kn) x]j(ω0 t−k0x)j(ω0t−k0x)u = ⎢ e⎥A0e= S(x,t)A0e⎢ ∑⎣ n⎥⎦Pada suatu t tertentu, misalnya pada t = 0 persamaan bentuk amplitudo gelombang menjadi⎡ ⎤j(kn) xA( x,0)= S(x,0)A0= ⎢∑ e− ∆ ⎥ A0⎢⎣n ⎥⎦Karena perubahan nilai k dianggap kontinyu makavariasi ∆k sempit+∆k/ 2− j( ∆kj k xx kn ) x − ( ∆ ) 2sin( ∆ /2)S(x,0)= ∑ e = e d∆k=∫xn−∆k/ 22122Persamaan gelombangPersamaan gelombang komposit untuk t = 0 menjadi2sin(x∆k/2)− jk0xu =A et=00xPersamaan ini menunjukkan bahwa amplitudo gelombang komposit initerselubung oleh fungsi2sin( x∆k/2)S(x)=xlebar paket gelombang∆xselubung2sin( x ∆k/2)x2sin( x∆k/2)A0 cos( k0x)xKecepatan Gelombang⎡⎤j[( ∆ωn) t−(∆kn) x]j(ω0 t−k0x)j(ω0t−k0x)u = ⎢ e⎥ A0e= S(x,t)A0e⎢⎣∑n⎥⎦kecepatan fasa: v f = ω / k 0 0kecepatan group: Amplitudo gelombang akan mempunyai bentuk yangsama bila S(x,t) = konstan. Hal ini terjadi jika (∆ω)t = (∆k)x untuk setiap n∂x∆ω ∂ωv g = = =∂t∆k∂kKecepatan group ini merupakankecepatan rambat paket gelombangπ∆x= 2 ×∆x∆k= 2π∆k23244

8/19/2012Panjang gelombang de Broglie, Momentum, KecepatanElektron Sebagai Partikel dan Elektron Sebagai GelombangωEinstein : energi photon E ph = hf = h = hω2π2mvgde Broglie: energi elektron Ek= = hω22πhmv g = hk= h =λ λElektron dapat dipandang sebagai gelombang tidaklah berarti bahwa elektron adalahgelombang; akan tetapi kita dapat mempelajari gerakan elektron dengan menggunakanpersamaan diferensial yang sama bentuknya dengan persamaan diferensial untukgelombang.Elektron sebagai partikel:massa tertentu, m.Elektron sebagai gelombangmassa nol, tetapi λ = h/mv e .Panjang gelombangλ =hmv ghλ =pkonstanta Planckmomentum elektronElektron sebagai partikel:E total = E p + E k = E p + mv e2 /2.Elektron sebagai gelombang:E total = hf = ħω.MomentumKecepatanp = mvg = hkhkh 2πhve= vg= = =m m λ mλElektron sebagai partikel:p = mv e2Elektron sebagai gelombang:p = ħk = h/λ.Dalam memandang elektron sebagai gelombang, kita tidak dapat menentukanmomentum dan posisi elektron secara simultan dengan masing-masingmempunyai tingkat ketelitian yang kita inginkan secara bebas. Kita dibatasi olehprinsip ketidakpastian Heisenberg: ∆p∆x ≥ h. Demikian pula halnya denganenergi dan waktu: ∆E∆t ≥ h .252627 28Sudaryatno SudirhamPersamaan Schrödinger29305

8/19/2012Sebagai partikel elektron memiliki energiE merupakanfungsi p dan x2pE ≡ H ( p,x)= + V ( x)2mH = Hamiltonianenergi kinetik + energi potensial22mv pE = + V ( x)= + V ( x)2 2m∂ H ( p,x)p dx= = v e =∂pm dt∂H( p,x)∂V( x)dv dp− = − = F ( x)= m =∂x∂xdt dt⎡⎤j[( ∆ωn) t−(∆kn) x]j(ω0t−k0x)Gelombang : u = ⎢ e⎥ A0e⎢ ∑u merupakan⎣ n⎥⎦fungsi t dan xTurunan u terhadap t: Turunan u terhadap x:∂u⎡ω⎤∂u⎡k⎤n j[(∆ωn) t −(∆kn ) x]j(ω0t−k0x)n j[(∆ωn) t−(∆kn) x]j(ω0t−k0x)= jω0⎢ e⎥A0e= − jk∂t⎣ω∑0 ⎢ e⎥ A0e0 n∂xk∑⎦⎣ 0 n⎦Dalam selang sempit ∆ k,ω / ω ≈ n 0 1∂h u = j( hω0 u = jEu∂t)Dalam selang sempit ∆k, k / k ≈ n 0 1∂h u = − j( hk0 u = − jpu∂x)Turunan H(p,x) terhadap p memberikan turunan x terhadap t.Turunan H(p,x) terhadap x memberikan turunan p terhadap t.∂Eu = − jhu∂t∂E ≡ − jh∂tOperator energi∂pu = jhu∂x∂p ≡ jh∂xOperator momentum3132Hamiltonian:Operator:2pE ≡ H ( p,x)= + V ( x)2m∂E ≡ − jh∂tH ( p,x)Ψ = EΨ∂p ≡ jh∂xx = xJika H(p,x) dan E dioperasikan pada fungsi gelombang Ψ maka diperolehsatu dimensitiga dimensi2 2h ∂ Ψ∂Ψ− + V ( x)Ψ = − jh22m∂x∂tInilah persamaan Schrödinger2 2h ∂ Ψ∂Ψ−V( x)Ψ = jh22m∂x∂t2h 2∂Ψ∇ Ψ −V( x,y,z)Ψ = jh2m∂tPersamaan Schrödinger Bebas WaktuAplikasi persamaan Schrödinger dalam banyak hal hanya berkaitan denganenergi potensial, yaitu besaran yanghanya merupakan fungsi posisiOleh karena itu jika persamaan tersebut diupayakan tidak merupakan fungsiyang bebas waktu agar penanganannya menjadi lebih sederhanaJika kita nyatakan: Ψ( x,t)= ψ(x)T ( t)maka dapat diperoleh1 ⎛ 2 2h ∂ ψ(x)⎞ 1 ∂ T(t)⎜V ( x)( x)⎟ j= tetapan sembarang E2( x)− ψ =2mxhψ ⎝ ∂⎠ T(t)∂t2 2h ∂ Ψsehingga −V( x)Ψ = −EΨ2m2∂x22h ∂ ψ(x)+ ( E −V( x)) ψ(x)= 02m2∂x2h 2∇ Ψ + ( E −V( x,y,z)) Ψ = 02mSatu dimensiTiga dimensi3334Fungsi GelombangPersamaan Schrödinger adalah persamaan diferensial parsial dengan ψ adalahfungsi gelombang dengan pengertian bahwaΨ * Ψ dx dy dzadalah probabilitas keberadaan elektron pada waktu tertentu dalam volume dxdy dz di sekitar titik (x, y, z)Jadi persamaan Schrödinger tidak menentukan posisi elektron melainkanmemberikan probabilitas bahwa ia akan ditemukan di sekitar posisi tertentu. Kitajuga tidak dapat mengatakan secara pasti bagaimana elektron bergerak sebagaifungsi waktu karena posisi dan momentum elektron dibatasi oleh prinsipketidakpastian HeisenbergContoh kasus satu dimensipada suatu t = 02* 2 ⎛ sin( x∆k/ 2)⎞Ψ Ψ = A0⎜⎟⎝ x ⎠Persyaratan Fungsi GelombangElektron sebagai suatu yang nyata harus ada di suatu tempat.Oleh karena itu fungsi gelombang (untuk satu dimensi) harusmemenuhi:*Ψdx= 1Fungsi gelombang , harus kontinyu sebab jika terjadi ketidak-kontinyuan hal itu dapatditafsirkan sebagai rusaknya elektron, suatu hal yang tidak dapat diterima.Turunan fungsi gelombang terhadap posisi,juga harus kontinyu, karena turunanfungsi gelombang terhadap posisi terkait dengan momentum elektron Oleh karenaitu persyaratan ini dapat diartikan sebagai persayaratan kekontinyuan momentum.Fungsi gelombang harus bernilai tunggal dan terbatas sebab jika tidak akan berarti adalebih dari satu kemungkinan keberadaan elektron.Fungsi gelombang tidak boleh sama dengan nol di semua posisi sebab kemungkinankeberadaan elektron haruslah nyata, betapapun kecilnya.∫ ∞ −∞Ψ35366

400 3.16400 3.1610 , 80 , 60 , 40 , 20- 0 , 2400 3.168/19/2012Persamaan Schrödinger dalam Koordinat BolaSudaryatno Sudirhamzelektroninti atom berimpit dengan titik awal koordinatKonfigurasi ElektronDalam Atominti atomxϕθr2eV ( r)= −4πε0rypersamaan Schrödinger dalam koordinat bola2 2222h ⎛ 2 1 cot 1 ⎞ ⎛ ⎞⎜∂ ψ ∂Ψ ∂ ψ θ ∂Ψ ∂ ψ⎟ ⎜e+ + + ++ E + ⎟ψ = 02m22 2 22 2 2sin4⎝ ∂rr dr r ∂θ r ∂θ r θ ∂ϕ ⎠ ⎝ πε0r⎠Jika kita nyatakan:ψ( r,θ,ϕ)= R( r)Θ(θ)Φ(ϕ)kita peroleh persamaan yang berbentuk⎡ 2 2 222 22h ⎛ R 2 R ⎞ ⎛ ⎞ ⎤ ⎡2 ⎛ 1 cot 1 ⎞⎤⎢ ⎜∂ Θ θ ∂Θ ∂ Φ⎢ ⎜r ∂ r ∂⎟ ⎜e⎟h+ + E + r ⎥ ++ +⎟⎥= 02 R 2 R4222 2⎢0 ⎥ ⎢⎣sin⎣m⎝ ∂rdr ⎠ ⎝ πε r ⎠ ⎦m ⎝ Θ ∂θ Θ ∂θ Φ θ ∂ϕ ⎠⎥⎦43mengandung rtidak mengandung rsalah satu kondisi yang akan memenuhi persamaan ini adalah jika keduanya = 044Persamaan yang mengandung r saja2 2 22h ⎛ R 2 R ⎞ ⎛ ⎞⎜r ∂ r ∂⎟ ⎜e⎟ 2+ + E + r = 02mR 2 R4⎝ ∂rdr ⎠ ⎝ πε 0r⎠fungsi gelombang R hanyamerupakan fungsi r → simetri bola2 22kalikan dengan 2h ⎛ R 2 R ⎞ ⎛ ⎞R / r ⎜∂ ∂⎟ ⎜e+ + E + ⎟R= 02m24⎝ ∂rr ∂r⎠ ⎝ πε 0r⎠2kalikan dengan 2mr/ h dan kelompokkansuku-suku yang berkoefisien konstan⎛2R⎞ ⎛ 2R 2 ⎞2⎜∂ meR ⎟ ⎜∂ mE++ r + R ⎟ = 0⎜22 24 ⎟⎝∂rπε 0h⎠ ⎝ ∂rh ⎠Ini harus berlaku untuk semua nilai rSalah satu kemungkinan:2∂Rme+ R = 0∂r24πε0h2∂ R 2mE+ R = 02 2∂rh45salah satu solusi:srR 1 = A 1 e22244h ⎛ me ⎞ me meE = − ⎜−⎟ = − = − = E22 2 2 2 2 02m4⎝ πε0h⎠ 32πε0h8ε0hInilah nilai E yang harus dipenuhi agar R 1merupakan solusi dari kedua persamaanEnergi elektron pada status ini diperolehdengan masukkan nilai-nilai e, m, dan hE = −2,18× 1002∂Rme+ R = 0∂r24πε0h2me2 2mEs = −s + = 0224πε0hhProbabilitas keberadaan elektron dapat dicari denganmenghitung probabilitas keberadaan elektron dalamsuatu “volume dinding” bola yang mempunyai jari-jari rdan tebal dinding ∆r.−18J2∂ R 2mE+ R = 02 2∂rhE0 = −13,6eV46Adakah Solusi Yang Lain?2 2 * 2 2srPe1 = 4 πr∆rR1= A1r eψ * ψψ * ψψ * ψKita ingat:ψψψP e10 x L0 L0 LP e47r 0a). n = 1b).n = 2c). n = 30 0.5 1 1.5 2 2.5 r [Å] 3probabilitas maksimum ada di sekitar suatunilai r 0 sedangkan di luar r 0 probabilitasditemukannya elektron dengan cepat menurunkeberadaan elektron terkonsentrasi di sekitarjari-jari r 0 sajaInilah struktur atom hidrogen yang memiliki hanya satu elektron di sekitarinti atomnya dan inilah yang disebut status dasar atau ground stateR 3 =2 −r/ r0( A3− B3r+ C3r) eE =h4hE =9hE =228mL228mL228mLEnergi Elektron terkait jumlah titik simpul fungsi gelombangsolusi yang lain:−rR 2 = ( A2− B2r) er0bertitik simpul dua/bertitik simpul tiga− r / r0Solusi secara umum: R n = L n ( r ) eRR 1R 3R 2r[Å]polinom0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4488

1 , 210 , 80 , 60 , 40 , 20- 0 , 28/19/2012P e2 2Pen= 4πr∆rR nprobabilitas keberadaan elektronMomentum SudutMomentum sudut juga terkuantisasi( + ) 2L2 = l l 1 hP e1P e2P e3r[Å]Tingkat-Tingkat EnergiAtom Hidrogen2 2 42πmZ e 13,6E n = −= − eV2 22n h nenergi total [ eV ]-160 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4bilangan kuantum prinsipal1 2 3 4 5 n0−1,510 1 2 3 ≈4 1,89 eV5 6−3,4−13,613,6−2nground state≈ 10,2 eVl = 0,1, 2, 3,l : menentukan besar momentum sudut, dan.... bilangan bulat positifMomentum sudut ditentukan oleh dua macam bilangan bulat:m l : menentukan komponen z atau arah momentum sudutNilai l dan m l yang mungkin : l 0 ⇒ m = 0= ll 1 ⇒ m = 0, ± 1=ll = 2 ⇒ ml= 0, ± 1, ± 2 dst.4950l disebut bilangan kuantum momentum sudut, atau bilangankuantum azimuthalm lbilangan kuantum l 0 1 2 3 4 5simbol s p d f g hdegenerasi 1 3 5 7 9 11adalah bilangan kuantum magnetikBilangan KuantumAda tiga bilangan kuantum yang sudah kita kenal, yaitu:(1) bilangan kuantum utama, n, yang menentukan tingkat energi;(2) bilangan kuantum momentum sudut, atau bilangan kuantum azimuthal, l;(3) bilangan kuantum magnetik, m l .−1,51 0energi −3,4total[ eV ]n :bilangan kuantum utama1 2 3 4 52s, 2p3s, 3p, 3d−13,61sBohrlebih cermat(4) Spin Elektron: ± ½ dikemukakan oleh Uhlenbeck5152Konfigurasi Elektron Dalam Atom NetralOrbitalnKandungan elektron setiap tingkat energistatus momentum suduts p d fJumlahtiaptingkatJumlahs/dtingkatinti atominti atom1s2s1 2 2 22 2 6 8 103 2 6 10 18 284 2 6 10 14 32 6053549

8/19/2012Penulisan konfigurasi elektron unsur-unsurH: 1s 1 ;He: 1s 2Li: 1s 2 2s 1 ;Be: 1s 2 2s 2 ;B: 1s 2 2s 2 2p 1 ;C: 1s 2 2s 2 2p 2 ;N: 1s 2 2s 2 2p 3 ;O: 1s 2 2s 2 2p 4 ;F: 1s 2 2s 2 2p 5 ;Ne: 1s 2 2s 2 2p 6 .........dstDiagram Tingkat Energienergitingkat 4s sedikit lebihrendah dari 3d5556Pengisian Elektron Pada OrbitalH: ↑ pengisian 1s;He: ↑↓pemenuhan 1s;Li: ↑↓↑pengisian 2s;Be: ↑↓↑↓pemenuhan 2s;B: pengisian 2p x dengan 1 elektron;↑↓↑↓↑C: ↑↓↑↓↑ ↑ pengisian 2p y dengan 1 elektron;N: ↑↓↑↓↑ ↑ ↑ pengisian 2p z dengan 1 elektron;O: ↑↓↑↓↑↓↑ ↑ pemenuhan 2p x ;F: ↑↓↑↓↑↓ ↑↓↑ pemenuhan 2p y ;Ne: ↑↓↑↓↑↓ ↑↓ ↑↓pemenuhan 2p z .Tingkat energi 4s lebih rendah dari 3d. Hal ini terlihat padaperubahan konfigurasi dari Ar (argon) ke K (kalium).Ar: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6K: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 (bukan 3d 1 )Ca: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 (bukan 3d 2 )Sc: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2 (orbital 3d baru mulaiterisi setelah 4s penuh)Y: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 2 4s 2 (dan unsur selanjutnyapengisian 3d sampai penuh)5758Blok-Blok UnsurIonisasi dan Energi Ionisasi12HHe1s 1 1s 2Ionisasi:X(→ X+gas )( gas)+ e−3 45 6 7 8 9 10Li BeB C N O F Ne[He] [He][He] [He] [He] [He] [He] [He]2s 1 2s 2 2s 2 2s 2 2s 2 2s 2 2s 2 2s 22p 1 2p 2 2p 3 2p 4 2p 5 2p 611 1213 14 15 16 17 18Na MgAl Si P S Cl Ar[Ne] [Ne][Ne] [Ne] [Ne] [Ne] [Ne] [Ne]3s 1 3s 2 3s 2 3s 2 3s 2 3s 2 3s 2 3s 23p 1 3p 2 3p 3 3p 4 3p 5 3p 619 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr[Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar]4s 1 4s 2 3d 1 3d 2 3d 3 3d 5 3d 5 3d 6 3d 7 3d 8 3d 10 3d 10 3d 10 3d 10 3d 10 3d 10 3d 10 3d 104s 2 4s 2 4s 2 4s 1 4s 2 4s 2 4s 2 4s 2 4s 1 4s 2 4s 2 4s 2 4s 2 4s 2 4s 2 4s 232 33 34 35 364p 1 4p 2 4p 3 4p 4 4p 54p 6Energi ionisasi adalah jumlah energi yang diperlukan untuk melepaskanelektron terluar suatu unsur guna membentuk ion positif bermuatan +1.Energi ionisasi dalam satuan eV disebut juga potensial ionisasi.Potensial ionisasi didefinisikan sebagai energi yang diperlukan untukmelepaskan elektron yang paling lemah terikat pada atom.Pada atom dengan banyak elektron, pengertian ini sering disebut sebagaipotensial ionisasi yang pertama, karena sesudah ionisasi yang pertama inibisa terjadi ionisasi lebih lanjut dengan terlepasnya elektron yang lebihdekat ke inti atom.Blok s Blok d Blok ppengisian orbital s pengisian orbital d pengisian orbital p596010

FPS8/19/2012Energi Ionisasi [eV]Energi Ionisasi1H13,63Li5,3911Na5,1419K4,344Be9,3212Mg7,6420Ca6,1121Sc6,5422Ti6,8323V6,7424Cr6,7625Mn7,4326Fe7,8727Co7,8628Ni7,6329Cu7,7230Zn9,395B8,2913Al5,9831Ga6,006C11,214Si8,1532Ge7,887N14,615P10,433As9,818O13,616S10,434Se9,759F17,417Cl13,035Br11,82He24,510Ne21,618Ar15,836Kr14Energi ionisasi [eV]25p20pp15sds10s50HHeLiBeBCNONeNaMgAlSiClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 1213 1415 16 1718 1920212223 2425 2627282930 3132 33 3435 36UnsurDi setiap blok unsur, energi ionisasi cenderungmeningkat jika nomer atom makin besarEnergi ionisasi turun setiap kali pergantian blok unsur6162Afinitas ElektronAfinitas elektron adalah energi yang dilepaskan jika atom netral menerimasatu elektron membentuk ion negatif bermuatan −1.Afinitas elektron dinyatakan dengan bilangan negatif, yang berarti pelepasanenergi.Afinitas elektron merupakan ukuran kemampuan suatu unsur untuk menarikelektron, bergabung dengan unsur untuk membentuk ion negatif. Makin kuatgaya tarik ini, berarti makin besar energi yang dilepaskan. Gaya tarik inidipengaruhi oleh jumlah muatan inti atom, jarak orbital ke inti, dan screening(tabir elektron).63 6465 6611

8/19/2012Sudaryatno SudirhamIkatan Atom danSusunan AtomBilangan Kuantum :Bilangan kuantum : prinsipal: n = 1, 2, 3, dstazimuthal: l = 0, 1, 2, 3 : s, p, d, fmagnetik: m l = −l sampai +lspin elektron: m s = +1/2 dan −1/2Pauli Exclusion Prinsiple : setiap status hanya dapatditempati tidak lebih dari satu elektron6768Konfigurasi Elektron Unsur pada Ground State12HHe1s 1 1s 23 45 6 7 8 9 10Li BeB C N O F Ne[He] [He][He] [He] [He] [He] [He] [He]2s 1 2s 2 2s 2 2s 2 2s 2 2s 2 2s 2 2s 22p 1 2p 2 2p 3 2p 4 2p 5 2p 611 1213 14 15 16 17 18Na MgAl Si P S Cl Ar[Ne] [Ne][Ne] [Ne] [Ne] [Ne] [Ne] [Ne]3s 1 3s 2 3s 2 3s 2 3s 2 3s 2 3s 2 3s 23p 1 3p 2 3p 3 3p 4 3p 5 3p 619 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr[Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar] [Ar]4s 1 4s 2 3d 1 3d 2 3d 3 3d 5 3d 5 3d 6 3d 7 3d 8 3d 10 3d 10 3d 10 3d 10 3d 10 3d 10 3d 10 3d 104s 2 4s 2 4s 2 4s 1 4s 2 4s 2 4s 2 4s 2 4s 1 4s 2 4s 2 4s 2 4s 2 4s 2 4s 2 4s 24p 1 4p 2 4p 3 4p 4 4p 5 4p 637 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe[Kr] [Kr] [Kr] [Kr] [Kr] [Kr] [Kr] [Kr] [Kr] [Kr] [Kr] [Kr] [Kr] [Kr] [Kr] [Kr] [Kr] [Kr]5s 1 5s 2 4d 1 4d 2 4d 4 4d 5 4d 6 4d 7 4d 8 4d 10 4d 10 4d 10 4d 10 4d 10 4d 10 4d 10 4d 10 4d 105s 2 5s 2 5s 1 5s 1 5s 1 5s 1 5s 1 5s 1 5s 2 5s 2 5s 2 5s 2 5s 2 5s 2 5s 25p 1 5p 2 5p 3 5p 4 5p 5 5p 655 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu[Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe]6s 1 6s 2 5d 1 4f 1 4f 3 4f 4 4f 5 4f 6 4f 7 4f 7 4f 9 4f 10 4f 11 4f 12 4f 13 4f 14 4f 146s 2 5d 1 6s 2 6s 2 6s 2 6s 2 6s 2 5d 1 6s 2 6s 2 6s 2 6s 2 6s 2 6s 2 5d 16s 2 6s 2 6s 272 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn[Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe] [Xe]4f 14 4f 14 4f 14 4f 14 4f 14 4f 14 4f 14 4f 14 4f 14 4f 14 4f 14 4f 14 4f 14 4f 14 4f 145d 2 5d 3 5d 4 5d 5 5d 6 5d 7 5d 9 5d 10 5d 10 5d 10 5d 10 5d 10 5d 10 5d 10 5d 106s 2 6s 2 6s 2 6s 2 6s 2 6s 2 6s 1 6s 1 6s 2 6s 2 6s 2 6s 2 6s 2 6s 2 6s 26p 1 6p 2 6p 3 6p 4 6p 5 6p 687 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lw[Rn] [Rn] [Rn] [Rn] [Rn] [Rn] [Rn] [Rn] [Rn] [Rn] [Rn] [Rn] [Rn] [Rn] [Rn] [Rn] [Rn]7s 1 7s 2 6d 1 6d 2 5f 2 5f 3 5f 4 5f 6 5f 7 5f 77s 2 7s 2 6d 1 6d 1 6d 1 7s 2 7s 2 6d 1697s 2 7s 2 7s 2 7s 2Gaya IkatGaya Ikat : gaya yang menyebabkan dua atom menjadi terikat; gaya ini terbentukjika terjadi penurunan energi ketika dua atom saling mendekatIkatan Primer : KuatIkatan KovalenIkatan MetalIkatan IonIkatan Sekunder : LemahIkatan HidrogenIkatan van der Waals70Ikatan Berarah dan Tak BerarahAtom dengan ikatan tak berarahIkatan berarah:kovalendipole permanenIkatan tak berarah:metalionvan der WaalsSifat ikatan : Jumlah diskritArah tidak diskritterutama terjadi pada ikatan kovalen antaraunsur non metal: Nitrogen; Oksigen; Carbon;Fluor; Chloratom dengan ikatan berarahakan terkumpul sedemikianrupa sehingga terpenuhisudut ikatanterutama pada Ikatan metal yangterjadi antara sejumlah besaratomatom dengan ikatan tak berarah padaumumnya terkumpul secara rapat(kompak) dan mengikuti aturangeometris yang ditentukan olehperbedaan ukuran atomContoh : H 2atom H memiliki 1 elektron di orbital 1ssimetri bolanamun ikatan 2 atom H tetap diskrit : setiap atom Hhanya akan terikat dengan satu atom H yang lainwalaupun kita bedakan ikatan atom berarah dan ikatan tak berarah,namum dalam kenyataan material bisa terbentuk dari campuran duamacam ikatan tersebut717212

8/19/2012Atom dengan ikatan berarahContoh :Sifat ikatan : Jumlah diskritArah diskritditentukan oleh status kuantumdari elektron yang berperandalam terbentuknya ikatanHanya orbital yang setengah terisi yang dapat berperan dalam pembentukanikatan kovalen; oleh karena itu jumlah susunan ikatan ditentukan oleh jumlahelektron dari orbital yang setengah terisi.O1 H: 1s 18 O: [He] 2s 2 2p 4−H H +104 o dipoleElektron di orbital selain orbital s akan membentuk ikatan yang memilikiarah spasial tertentu dan juga diskrit; misal orbital p akan membentukikatan dengan arah tegak lurus satu sama lain.1 H: 1s 1H+9 F: [He] 2s 2 2p 5 Fzz2p2p y2p xzyyxxxzy−dipole7374Hibrida dari fungsi gelombang s dan p6 C: [He] 2s 2 2p 2 Hibrida dari fungsi gelombang s danp pada karbon membuat karbonmemiliki 4 ikatan yang kuatmengarah ke susut-sudut tetrahedron14 Si [Ne] 3s 2 3p 2Intan dan methane (CH 4 ) terbentuk dari ikatan hibrida ini.juga membentuk orbital tetrahedral seperti32 Ge [Ar] 3d 10 4s 2 4p 2 karbon karena hibrida 3s-sp, 4s-4p, dan50 Sn [Kr] 4d 10 5s 2 5p 2 5s-5p, sama dengan 2s-2p.Karena ikatan kovalen adalah diskrit dalam jumlah maupun arah, maka terdapatbanyak kemungkinan struktur ikatan tergantung dari ikatan mana yang digunakanoleh setiap atom.Contoh: senyawa hidrokarbon yang terdiri hanya dari atom C dan H.HMethane : CH 4 . Ikatannya adalah|tetrahedral C−HH−C−HH|HCHH75H76Ethane : C 2 H 6 . Memiliki satu ikatan C−CH H| |H−C−C−H| |H HPropane : C 3 H 8 . Memiliki dua ikatan C−CRantaian panjang bisa dibentuk oleh ribuan ikatan C−C.Simetri ikatan atom karbon dalam molekul ini adalahtetrahedral, dan satu ikatan C−C dapat dibayangkansebagai dua tetrahedra yang berikatan sudut-ke-sudut.Variasi ikatan bisa terjadi sebab tetrahedra pengikat, selain berikatansudut-ke-sudut dapat pula berikatan sisi-ke-sisi (ikatan dobel)dan juga berikatan bidang-ke-bidang (ikatan tripel).Contoh: ethylene C 2 H 4 ,Contoh: acetylene C 2 H 2H H H| | |H−C−C−C−H| | |H H HH H| |H−C=C−HH−C≡C−Hdst.777813

8/19/2012Peningkatan kekuatan ikatan sebagai hasil dari terjadinya ikatanmultiple disertai penurunan jarak antar atom karbon.1,54 Ä pada ikatan tunggal,1,33 Ä pada ikatan dobel,1,20 Ä pada ikatan tripel.Ikatan C−C juga bisa digabung dariikatan tunggal dan ikatan dobel,seperti yang terjadi pada benzena.Susunan Atom-atom yang Berikatan Tak BerarahAtom berukuran samaAtom-atom material padat akan terkumpul secara ringkas / kompakmenempati ruang sekecil mungkin.Dengan cara ini jumlah ikatan per satuan volume menjadimaksimum yang berarti energi ikatan per satuan volume menjadiminimum.Sebagai pendekatan pertama kita memandang atomsebagai kelereng keras.Secara geometris, ada 12 kelereng yang dapat berposisimengelilingi 1 kelereng (terletak di pusat) dan merekasaling menyentuh satu sama lain.Ada 2 macam susunan kompak yang teramati padabanyak struktur metal dan elemen mulia, yaituhexagonal close-packed (HCP) danface-centered cubic (FCC).7980Hexagonal Closed-Packed (HCP)Face-Centered Cubic (FCC)Semua elemen mulia membentuk struktur kompak jika membeku pada temperatursangat rendah,Sekitar 2/3 dari jenis metal membentuk struktur HCP atau FCC pada temperaturkamar.1/3 dari jenis metal yang tidak membentuk struktur struktur kompak pada temperaturkamar adalah metal alkali (Na, K, dll) dan metal transisi (Fe, Cr, W, dsb). Merekacenderung membentuk struktur body-centered cubic (BCC).Walaupun kurang kompak, susunan ini memiliki energitotal relatif rendah.6 atom mengelilingi 1 atom dibidang tengah3 atom di bidang atas, tepat diatas 3 atom yang berada dibidang bawah,6 atom mengelilingi 1 atom dibidang tengah3 atom di bidang atas, berselangselingdi atas 3 atom di bidangbawah,Kebanyakan metal alkali berubah dari BCC ke FCC atau HCP pada temperatur yangsangat rendah. Hal ini menunjukkan bahwa susunan kurang kompak yang terjadipada temperatur kamar adalah akibat dari pengaruh energi thermalSusunan BCC pada metal transisi diduga sebagai akibat dari ikatan metal ini yangsebagian berupa ikatan kovalen (yang merupakan ikatan berarah).8182Susunan Atom-atom yang Berikatan Tak BerarahAtom berukuran tidak samaIkatan ion membentuk struktur yang terdiri dari atom-atom yang berbeda ukurankarena anion dan kation pada umumnya sangat berbeda ukuran.Perbedaan ini terjadi karena transfer elektrondari atom yang elektro-positif ke atom yang elektronegatifmembuat ukuran anion > kation.Anion :ion negatif sebagai hasil dariatom elektronegatif yangmemperoleh tambahan elektron.Kation :ion positif sebagai hasil dari atomelektropositif yang kehilangansatu atau lebih elektron.Ikatan ini tak berarah dan juga tidak diskrit, namunpada skala besar kenetralan harus tetap terjaga.Bilangan KoordinasiBilangan yang menunjukkan perbandingan jumlah ion elemen A yangmengelilingi ion elemen K yang lebih kecil disebut bilangan koordinasi(Ligancy).Bilangan Koordinasi tergantung dari perbedaan radius antaraKation dan Anionmakin besar perbedaannya, ligancy akan semakin kecil.BilanganKoordinasiRasio RadiusKation / AnionPolyhedronKoordinasi2 0 – 0,155 garis linierPacking3 0,155 – 0,225 segitiga triangular4 0,225 – 0,414 tetrahedron Tetrahedral6 0,414 – 0,732 oktahedron Octahedral8 0,732 – 1,0 kubus cubic12 1,0 HCP12 1,0 FCC[2]838414

8/19/2012Atom dengan ikatan tak terarah : Atom berukuran tidak samaSenyawa / Metal r K / r A Ligancy teramatiBa 2O 3 0,14 3BeS 0,17 4BeO 0,23 4SiO 2 0,29 4LiBr 0,31 6MgO 0,47 6MgF 2 0,48 6TiO 2 0,49 6NaCl 0,53 6CaO 0,71 6KCl 0,73 6CaF 2 0,73 8CaCl 0,93 8BCC Metal 1,0 8FCC Metal 1,0 12HCP Metal 1,0 12[2]Rasio radius di mana anion saling menyentuh dan juga menyentuh kation sentraldisebut rasio radius kritis, sebab di bawah rasio ini jarak kation-anion menjadi lebihbesar dibanding jarak keseimbangan antar ion.Polyhedra yang terbentuk dengan menghubungkan pusat-pusat anion yangmengelilingi kation sentral disebut polihedra anion atau polihedra koordinasi.HCPFCC8586Polihedra ikatan dan polihedra koordinasi dapat dilihat sebagai sub-unityang jika disusun akan membentuk struktur padatan tiga dimensi.HHCPPolihedra koordinasi berperilaku sebagai suatu unit yang erat terikat jikavalensi atom sentral lebih dari setengah dari total valensi atom yang terikatdengannya. Jika valensi atom sentral sama dengan valensi total atom yangmengelilinginya maka sub-unit itu adalah molekul.CHHHCara bagaimana mereka tersusun akan menentukan apakah material berbentukkristal atau nonkristal (gelas) dan jika berbentuk kristal struktur kristalnya akantertentu.Polihedra ini bukan besaran fisis tetapi hanya merupakan sub-unit yang lebih mudahdibayangkan daripada atom, dan dengan menggunakan pengertian ini dapatdilakukan pembahasan mengenai struktur lokal secara terpisah dari struktur besarnya(struktur makro).Titik leleh suatu material bergantung dari kekuatan ikatan atom. Ia makinrendah jika polihedra sub-unit terbangun dari kelompok atom yang diskrit,yang terikat satu sama lain dengqan ikatan sekunder dibandingkan denganbila ikatannya primer.Contoh: methane, CH 4 , titik leleh −184 o C;ethane, C 2 H 6 , titik leleh −172 o C;polyethylene, titik leleh 125 o C;polyethylene saling terikat dengan ikatan C-Cdapat stabil sampai 300 o C.878889 9015

8/19/2012Sudaryatno SudirhamStruktur KristalKristal merupakan susunan atom-atom yang teratur dalam ruang tigadimensi. Keteraturan susunan tersebut timbul karena kondisi geometrisyang dihasilkan oleh ikatan atom yang terarah dan paking yang rapat.Sesungguhnya tidaklah mudah untuk menyatakan bagaimana atomtersusun dalam padatan. Namun ada hal-hal yang diharapkan menjadifaktor penting yang menentukan terbentuknya polihedra koordinasiatom-atom.Secara ideal, susunan polihdra koordinasi paling stabil adalah yangmemungkinkan terjadinya energi per satuan volume minimal.Keadaan tersebut dicapai jika:1. kenetralan listrik terpenuhi2. ikatan kovalen yang diskrit dan terarah terpenuhi3. meminimalkan gaya tolak ion-ion4. paking atom serapat mungkin9192Sel Satuan pada Kisi-Kisi Ruang BRAVAIS [2,5]Struktur kristal yang biasa teramati pada padatan dinyatakan dalam konsepgeometris ideal yang disebut kisi-kisi ruang (space lattice) dan menyatakancara bagaimana polihedra koordinasi atom-atom tersusun bersama agarenergi dalam padatan menjadi minimal.Kisi-kisi ruang adalah susunan tiga dimensi titik-titik di mana setiap titikmemiliki lingkungan yang serupa. Titik dengan lingkungan yang serupa itudisebut titik kisi (Lattice Point).Titik kisi dapat disusun hanya dalam 14 susunan yang berbeda yang disebutkisi-kisi Bravais; oleh karena itu atom-atom dalam kristal haruslah tersusundalam salah satu dari 14 kemungkinan tersebut.9394Setiap titik kisi dapat ditempati oleh satu atau lebih atom, tetapi atom ataukelompok atom pada satu titik kisi haruslah identik dengan orientasi yangsama agar memenuhi definisi kisi ruang.Susunan atom dapat disebutkan secara lengkap dengan menyatakan posisiatom dalam suatu unit yang secara berulang tersusun dalam kisi ruang. Unityang berulang itu disebut sel satuan.Rusuk sel satuan, yaitu vektor yang menghubungkan dua titik kisi, haruslahmerupakan translasi kisi, dan sel satuan yang identik akan membentuk kisikisiruang jika mereka disusun bidang sisi ke bidang sisi.Satu kisi-kisi ruang dapat memiliki beberapa sel satuan berbeda yangmemenuhi kriteria tersebut di atas, akan tetapi biasanya sel satuan dipilihyang memiliki geometri sederhana dan memuat beberapa titik kisi saja.Satu sel satuan yang memiliki titik kisi hanya pada sudut-sudutnya, ataudengan kata lain satu unit sel yang memuat hanya satu titik kisi, disebut selprimitif.Unsur Metal dan Unsur Mulia3 sel satuan yang paling banyak dijumpai pada unsur ini adalah:Bulatan menunjukkan posisi atom yangjuga merupakan lattice points pada FCCdan BCCPosisi atom yang adadalam sel bukan latticepoints[2]959616

8/19/2012Unsur Dengan Lebih Dari 3 Elektron ValensiUnsur ini biasanya memiliki ikatan kovalen sehingga kristal yang terbentukakan mengikuti ketentuan ikatan ini.Jika orbital yang tak terisi digunakan seluruhnya untuk membentuk ikatan,maka atom ini akan berikatan dengan (8 – N) atom lain, dimana N adalahjumlah elektron valensi yang dimilikinya.Elemen Cl, Br, J, kulit terluarnya memuat 7 elektron; oleh karena itu padaumumnya mereka berikatan dengan hanya 1 atom dari elemen yang samamembentuk molekul diatomik, Cl 2 , Br 2 , J 2 .Molekul diatomik tersebutmembangun ikatan denganmolekul yang lain melalui ikatansekunder yang lemah,membentuk kristal.[2]Atom Group VI (S, Se, Te)[2]Atom Group VI (S, Se, Te) memiliki 6 elektron di kulit terluarnya danmembentuk molekul rantai atao cincin di mana setiap atom berikatan dengandua atom (dengan sudut ikatan tertentu).Molekul ini berikatan satu sama lain dengan ikatan sekunder yang lemahmembentuk kristal.Rantai spiral atomTe bergabungdengan rantai yanglain membentukkristal hexagonal.9798Atom Group V (P, As, Sb, Bi)Atom Group V (P, As, Sb, Bi)memiliki 5 elektron di kulitterluarnya dan setiap atomberikatan dengan tiga atom(dengan sudut ikatan tertentu).[2]Kristal IonikWalau sangat jarang ditemui kristal yang 100% ionik, namun beberapakristal memiliki ikatan ionik yang sangat dominan sehingga dapat disebutsebagai kristal ionik. Contoh: NaCl, MgO, SiO 2 , LiF.Dalam kristal ionik murni, polihedra anion (polihedra koordinasi) tersusunsedemikian rupa sehingga kenetralan listrik terpenuhi dan energi ikat persatuan volume menjadi minimum tanpa menyebabkan menguatnya gayatolak antar muatan yang bersamaan tanda.Gaya tolak yang terbesar terjadi antar kation karena muatan listriknyaterkonsentrasi dalam volume yang kecil, oleh karena itu polihedrakoordinasi harus tersusun sedemikian rupa sehingga kation salingberjauhan.99100Contoh struktur kristal ionikKristal MolekulJika dua atom terikat dengan ikatan primer, baik berupa ikatan ion ataupunikatan kovalen, maka mereka dapat membentuk molekul yang diskrit.AniontetrahedronKationoktahedronJika ikatan primer tersebut kuat dalam satu sub-unit, maka ikatan yang terjadiantar sub-unit akan berupa bentuk ikatan yang berbeda dari ikatan primer.Kristal yang terbentuk adalah kristal molekuler dengan ikatan antar sub-unityang lemah.Jika ikatan primernya adalah ikatan ion, molekul yang diskrit terbentuk jikamuatan kation sama dengan hasilkali muatan anion dengan bilangankoordinasi.Contoh: sub-unit SiF 4 terbentuk dengan ikatan ion, polihedrakoordinasi atau polihedra anion berbentuk tetrahedra F mengelilingikation Si yang kemudian tersusun dalam kisi-kisi BCC10110217

8/19/2012Pada es (H 2 O), ikatan primernya adalah ikatan kovalen dan ikatan sekunderantar sub-unit adalah ikatan ionik yang lemahHidrogen hanya akan membentuk satu ikatankovalen. Oleh karena itu molekul air terdiridari 1 atom oksigen dengan 2 ikatan kovalenyang dipenuhi oleh 2 atom hidrogen dengansudut antara dua atom hidrogen adalah 105 o.Dalam bentuk kristal, atom-atom hidrogenmengikat molekul-molekul air dengan ikatanionik atau ikatan dipole hidrogen.Jika molekul membentuk rantaian panjang dengan penampang melintangyang mendekati simetris, mereka biasanya mengkristal dalam kisi-kisiberbentuk orthorhombic atau monoclinic.Molekul polyethylenedilihat dari depanKebanyakan polimer yang terbentuk lebih dari dua macam atom, memilikiketidak-teraturan yang membuat ia tidak mengkristal. Walaupun demikian adayang memiliki penampang simetris dan mudah mengkristal, sepertipolytetrafluoroethylene (Teflon).Molekul polytetrafluoroethyleneBola-bola menunjukkan posisi atom O; atom H terletak pada garis yangmenghubungkan atom O yang berdekatan; ada 2 atom H setiap satu atom O.Polimer yang kompleks pun masih mungkin memiliki struktur yangsimetris dan dapat mengkristal seperti halnya cellulose.103104Ketidaksempurnaan Pada KristalKebanyakan kristal mengandung ketidak-sempurnaan. Karenakisi-kisi kristal merupakan suatu konsep geometris, maka ketidaksempurnaankristal juga diklasifikasikan secara geometris.• ketidak-sempurnaan berdimensi nol (ketidak-sempurnaan titik),• ketidak-sempurnaan berdimensi satu (ketidak-sempurnaangaris),• ketidak-sempurnaan berdimensi dua (ketidak-sempurnaanbidang).• Selain itu terjadi pula ketidak-sempurnaan volume dan jugaketidak-sempurnaan pada struktur elektronikKetidak sempurnaan titikatom dari unsur yang sama(unsur sendiri) berada diantara atom matriks yangseharusnya tidak terisi atominterstitial(atom sendiri)substitusi(atom asing)atom asing menempatitempat yang seharusnyaditempati oleh unsur sendiri(pengotoran)tidak ada atom pada tempatyang seharusnya terisikekosonganinterstitial(atom asing)atom asing berada diantara atom matriks yangseharusnya tidak terisi(pengotoran)105106Ketidak sempurnaan titik pada kristal ionikpasangan tempat kosong yangditinggalkan dan kation yangmeninggalkannyaketidaksempurnaan Frenkelkekosongan kation berpasangandengan kekosongan anionketidaksempurnaan SchottkyDislokasiDislokasi merupakan ketidak-sempurnaan kristal karenapenempatan atom yang tidak pada tempat yang semestinya.pengotoransubstitusipengotoraninterstitial⊥edge dislocationvectorBurgerscrew dislocationkekosongan kation10710818

8/19/2012Sudaryatno SudirhamStruktur NonkristalMelihat strukturnya, material nonkristal dapatdikelompokkan menjadi dua kelompok utama, yaitu:a) struktur yang terbangun dari molekul berbentuk rantai panjangb) struktur yang terbangun dari jaringan tiga dimensiMolekul Rantaian Panjang - OrganikBeberapa faktor yang mendorong terbentuknya struktur nonkristaladalah:a) molekul rantaian yang panjang dan bercabang;b) kelompok atom yang terikat secara tak beraturan sepanjangsisi molekul;c) rantaian panjang yang merupakan kombinasi dari dua ataulebih polimer, yang disebut kopolimer;d) adanya unsur aditif, yang akan memisahkan satu rantaian darirantaian yang lain; unsur aditif ini biasa disebut plasticizer.109110Contoh terbentuknya rantaian panjangethylene : C 2 H 4membentukrantaian panjangpolyethyleneH H| |C = C| |H HH H H H H H H H H H H H| | | | | | | |....− C − C− C − C− C − C− C − C− C − C− C − C −...| | | | | | | |H H H H H H H H H H H HDalam struktur ini polyethylene disebut linear polyethyleneKeadaan jauh berbeda jika molekul polyethylene bercabang.Makin bercabang, polyethylene makin nonkristal. Pengaruh adanyacabang ini bisa dilihat pada vinyl polymer, yaitu polymer dengan unitberulang C 2 H 3 X. Cabang X ini bisa berupa gugus atom yangmenempati posisi di mana atom H seharusnya berada.H H| |− C − C−| |H X111112Ada tiga kemungkinan cara tersusunnya cabang ini yaitu(a) ataktik (atactic), atau acak(b) isotaktik (isotactic),semua cabang berada disalah satu sisi rantaiHCXHCXHHJika gugus cabang kecil, seperti pada polyvinyl alkohol dimana X = OH, dan rantaian linier, maka polimer ini denganmudah membentuk kristal.Akan tetapi jika gugus cabang besar, polimer akanberbentuk nonkristal seperti pada poyvinyl chloride, dimana X = Cl; juga pada polystyrene, di mana X =benzena yang secara acak terdistribusi sepanjangrantaian (ataktik).(c) sindiotaktik (syndiotactic),cabang-cabang secara teraturbergantian dari satu sisi ke sisiyang lain.CXHHPolimer isotactic dan syndiotactic biasanya membentukkristal, bahkan jika cabang cukup besar.11311419

8/19/2012Kopolimerisasi atau pembentukan kopolimer, selalu menyebabkanketidak-teraturan dan oleh karena itu mendorong terbentuknyastruktur nonkristal.(a) dua macam polimer tersusunsecara acak sepanjng rantai.Cross-LinkingCross-linking merupakan ikatan antar rantaian panjang yangterjadi di berbagai titik, dan ikatan ini merupakan ikatan primer.Cross-link bisa terbentuk oleh segmen kecil dari rantaian.(b) susunan berselang-selingsecara teratur(c) susunan kopolimersecara blok(d) salah satu macampolimer menjadi cabangrantaian macam polimeryang lainCross-link bisa juga terbentuk oleh atom atau molekul asing.115116Jaringan Tiga Dimensi - AnorganikSuatu senyawa anorganik cenderung membentuk struktur nonkristal jika:a) setiap anion terikat pada hanya dua kation;b) tidak lebih dari empat anion mengelilingi satu kation;c) polihedra anion berhubungan sudut ke sudut, tidak sisi ke sisi dantidak pula bidang ke bidang;d) senyawa memiliki sejumlah besar atom penyusun yang terdistribusisecara tak menentu di seluruh jaringan.Jika muatan kation besar, seperti misalnya silika Si+4, denganpolihedron anion yang kecil, maka struktur nonkristal mudah sekaliterbentuk.Kebanyakan gelas anorganik berbahan dasar silika, SiO2, dengansub-unit berbentuk tetrahedra yang pada gelas silika murni terhubungsudut ke sudutPenambahan oksida alkali pada struktur yang demikian ini dapatmemutus rantaian tetrahedra; atom oksigen dari oksida ini menyelippada titik dimana dua tetrahedra terhubung dan memutus hubungantersebut sehingga masing-masing tertrahedron mempunyai satu sudutbebas. Terputusnya hubungan antar tetrahedra dapat menyebabkanturunnya viskositas, sehingga gelas lebih mudah dibentuk.117118Struktur PadatanStruktur kristal dan nonkristal adalah struktur padatan dilihat dalamskala atom atau molekul.Sesungguhnya kebanyakan padatan memiliki detil struktur yang lebihbesar dari skala atom ataupun molekul, yang terbangun dari kelompokkelompokkristal ataupun nonkristal.Kelompok-kelompok ini dengan jelas dapat dibedakan antara satu denganlainnya dan disebut fasa; bidang batas antara mereka disebut batas fasa.Secara formal dikatakan bahwa fasa adalah daerah dari suatupadatan yang secara fisis dapat dibedakan dari daerah yanglain dalam padatan tersebut.Pada dasarnya berbagai fasa yang hadir dalam suatupadatan dapat dipisahkan secara mekanis.Dalam satu unit kristal jarak antara atom dengan atom hanya beberapaangstrom. Jika unit-unit kristal tersusun secara homogen membentukpadatan maka padatan yang terbentuk memiliki bangun yang sama denganbangun unit kristal yang membentuknya namun dengan ukuran yang jauhlebih besar, dan disebut sebagai kristal tunggal; padatan ini merupakanpadatan satu fasa.Pada umumnya susunan kristal dalam padatan satu fasa tidaklah homogen.Dislokasi dan perbedaan orientasi terjadi antara kristal-kristal. Padatan jenisini merupakan padatan polikristal, walaupun tetap merupakan padatansatu fasa. Kristal-kristal yang membentuk padatan ini biasa di sebut grain,dan batas antara grain disebut batas grain.Pada padatan nonkristal sulit mengenali adanya struktur teratur dalamskala lebih besar dari beberapa kali jarak atom. Oleh karena itukebanyakan padatan nonkristal merupakan padatan satu fasa.Padatan dapat tersusun dari dua fasa atau lebih. Padatan demikian disebutsebagai padatan multifasa. Padatan multifasa bisa terdiri hanya dari satukomponen (komponen tunggal) atau lebih (multikomponen).11912020

8/19/2012Ulas Ulang Kuantisasi EnergiSudaryatno SudirhamTeori Pita EnergiPlanck :energi photon(partikel)De Broglie :Elektron sbg gelombangenergi kinetik elektron sbggelombang :E = nhfbilangan bulatλ =h = 6,63 × 10 -34 joule-sechmv2πbilangan gelombang: k =λ2 2 2E p h k= =k2 m 2 mfrekuensi gelombang cahayamomentum:hp = k = hk2πmvk = 2πh121122Energi elektron sebagai fungsi k (bilangan gelombang)2 2 2E p h k= =k2 m 2 mEE [ eV ]Makin tinggi nomer atom, atom akan makin kompleks, tingkat energiyang terisi makin banyak.SodiumHidrogen0−1−2−3−47654s p d f65437654376547754326[6]−53−5,14k123−6Kemungkinan terjadinya transisi elektron dari satu tingkat ketingkat yang lain semakin banyak124MolekulMolekul lebih kompleks dari atom; tingkat-tingkat energi lebih banyakkarena energi potensial elektron yang bergerak dalam medan yangdiberikan oleh banyak inti atom tidaklah sederhana.Penggabungan 2 atom H membentuk molekul H 2108Lebih dari itu, energi vibrasi dan rotasi atom secara relatif satu terhadaplainnya juga terkuantisasi seperti halnya terkuantisasinya energi elektronpada atom.Transisi dari satu tingkat ketingkat yang lain semakin banyakkemungkinannya, sehingga garis-garis spektrum dari molekul semakinrapat dan membentuk pita.Timbullah pengertian pita energi yang merupakankumpulan tingkat energi yang sangat rapat.E [ eV ]6420−2−4R 0Ikatan tak stabil1 2 3Ikatan stabil jarak antar atom Å12512621

8/19/2012PadatanPada penggabungan dua atom, tingkat energi dengan bilangankuantum tertinggi akan terpecah lebih duluElektron yang berada di tingkat energi terluar disebutelektron valensiElektron valensi ini berpartisipasi dalam pembentukanikatan atom.Elektron yang berada pada tingkat energi yang lebih dalam(lebih rendah) disebut elektron inti;Gambaran tentang terbentuknya molekul dapat diperluas untuk sejumlah atomyang besar yang tersusun secara teratur, yaitu kristal padatan.Dalam penggabungan N atom identik, setiap tingkat energi terpecah menjadi Ntingkat dan setiap tingkat akan mengakomodasi sepasang elekron dengan spinyang berlawanan ( m s = ± ½ ).Energin = 1n = 2n = 3Jarak antar atom127128sodiumE [ eV ]0−10−20R 0 = 3,67 Å3s[6]3d3p4sCara penempatan elektron pada tingkat-tingkat energi mengikuti urutansederhana: tingkat energi yang paling rendah akan terisi lebih dulu,menyusul tingkat di atasnya, dan seterusnya.Pada 0 o K semua tingkat energi sampai ke tingkat E F terisipenuh, dan semua tingkat energi di atas E F kosong .E F , tingkat energi tertinggi yang terisi disebut tingkat Fermi,atau energi Fermi.−302pPada temperatur yang lebih tinggi, beberapa tingkat energi di bawah E Fkosong karena elektron mendapat tambahan energi untuk naik ke tingkat diatas E F .0 5 10 Å 15129130Elektron valensi yang berada pada tingkat energi Fermi ataupun di atasenergi Fermi, berada pada salah satu tingkat energi yang dimiliki olehkristal.Jumlah tingkat energi yang dimiliki oleh kristal sangat banyak dan sangatrapat sehingga hampir merupakan perubahan yang kontinyu. Oleh karenaitu, elektron pada tingkat energi Fermi yang bergerak dalam kristal dapatdipandang sebagai elektron bebas.Elektron yang bergerak dengan kecepatan tertentu memiliki energi kinetikdan bilangan gelombang, k, tertentu.2 2 2E p h k= =k2 m 2 mGerakan elektron tersebut mengalami hambatan karena ada celah energi.Konduktor, Isolator, SemikonduktorJika banyak atom bergabung menjadi padatan, tingkat valensiterluar dari setiap atom cenderung akan terpecah membentukpita energi. Tingkat-tingkat energi yang lebih dalam, yangdisebut tingkat inti, tidak terpecah.Setiap tingkat valensi dari dari suatu padatan yang terdiri dariN atom berbentuk pita valensi yang terdiri dari N tingkatenergi.Dengan demikian maka tingkat valensi s yang di tiap atommemuat 2 elektron, akan menjadi pita s yang dapat menampung2N elektron.Tingkat valensi p yang di tiap atom memuat 6 elektron, akanmenjadi pita p yang dapat menampung 6N elektron.13113222

8/19/2012Gambaran pita-pita energi pada suatu padatanPita-pita energi yang terjadi dalam padatan dapat digambarkansebagai berikut:Pita energi paling luar, jika ia hanya sebagian terisi dan padanya terdapattingkat Fermi, disebut sebagai pita konduksi.Pada metal, pita valensi biasanya hanya sebagian terisipita pcelah energiSodiumkosongcelah energipita sE Fterisikosongpita valensipita konduksi133134Pada beberapa metal, pita valensi terisi penuh. Akan tetapi pita inioverlap dengan pita di atanya yang kosong. Pita yang kosong inimemfasilitasi tingkat energi yang dengan mudah dicapai olehelektron yang semula berada di pita valensi.MagnesiumE Fkosongterisi penuhpita valensiPada beberapa material, pita valensi terisi penuh dan pita valensi initidak overlap dengan pita di atasnya yang kosong. Jadi antara pitavalensi dan pita di atasnya terdapat celah energi.Intankosongcelah energiterisi penuhpitavalensiSilikonkosongcelah energiterisi penuhisolatorsemikonduktor135136137 13823

8/19/2012Sudaryatno SudirhamSifat Listrik MetalKonduktorIsolator[6]Material σ e [siemens] Material σ e [siemens]Stainless steel 0,14×10 7Perak 6,3×10 7 Gelas (kaca) 2 ∼ 3×10 −5Tembaga 5,85×10 7 Bakelit1 ∼ 2×10 −11Emas 4,25×10 7 GelasAluminium 3,5×10 7 (borosilikat)10 −10 ∼ 10 −15Tungsten 1,82×10 7 Mika10 −11 ∼ 10 −15Kuningan 1,56×10 7 Polyethylene 10 −15 ∼ 10 −17Besi 1,07×10 7Nickel 1,03×10 7Baja 0,7×10 7139140Jika pada suatu material konduktor terjadi perbedaan potensial, arus listrikakan mengalir melalui konduktor tersebutkerapatan arus[ampere/meter 2]Model Klasik Sederhanakuat medan[volt/meter]ΕJ = eσeΕρ =resistivitas[Ωm]ekonduktivitas[siemens]Medan listrik E memberikan gaya dan percepatan pada elektron sebesarFe = eEeEa =Karena elektron tidak terakselerasi secara tak berhingga, maka dapatdibayangkan bahwa dalam pergerakannya ia harus kehilangan energi padawaktu menabrak materi pengotor ataupun kerusakan struktur pada zatpadat.Jika setiap tabrakan membuat elektron kembali berkecepatan nol, danwaktu antara dua tabrakan berturutan adalah 2τ maka kecepatan rata-rataadalah:τeEv =m em e141142Model Klasik Sederhanakecepatankerapatanarus0 2τ 4τ waktu 6τ2ne EτJe= nev = = σ Emeebenturanvmaks2τeE=mτeEve=m2ne τσe=meeeTeori Drude-Lorentz Tentang Metal1900: Drude mengusulkan bahwa konduktivitas listrik tinggi pada metal dapatdijelaskan sebagai kontribusi dari elektron valensi yang dianggap dapatbergerak bebas dalam metal, seperti halnya molekul gas bergerak bebas dalamsuatu wadah. Gagasan Drude ini dikembangkan lebih lanjut oleh Lorentz.Elektron dapat bergerak bebas dalam kristal metal pada potensial internal yangkonstan. Ada dinding potensial pada permukaan metal, yang menyebabkanelektron tidak dapat meninggalkan metal.Semua elektron bebas berperilaku seperti molekul gas (mengikuti statistikMaxwell-Boltzmann); elektron ini memiliki distribusi energi yang kontinyu.kerapatanelektronbebasJika tak ada medan listrik, elektron bebas bergerakcepat pada arah yang acak sehingga tak ada aliranelektron netto. Medan listrik akan membuatelektron bergerak pada arah yang sama.143Gerakan elektron hanya dibatasi oleh tabrakan dengan ion-ion metal.14424

8/19/2012Medan listrik E memberikan gaya dan percepatan pada elektron sebesarFe = eEeEa =Integrasi a terhadap waktu memberikan kecepatan elektron, yang disebutkecepatan drift :vdriftm eeE= tme145vdrifteE= tmKecepatan drift rata-rata dapat didekati dengan:evdriftKecepatan drift ini berubah dari 0 sampaiv drift maks , yaitu kecepatan sesaat sebelumtabrakan dengan ion metal.v=2driftJika jalan bebas rata-rata elektron adalah L maka waktu rata-rata antaratabrakan dengan tabrakan berikutnya adalahkecepatan thermalLt = µ +eE= t2mv driftv drift

8/19/2012Percepatan yang dialami elektron adalahpercepatan elektron:dv2g 2πd ⎛ dE ⎞ 2πd E dka = = ⎜ ⎟ =2dt h dt ⎝ dk ⎠ h dk dt2 24πd Ea = eE2 2h dkPercepatan ini terjadi karena ada medan listrik E, yang memberikangaya sebesar eEBandingkan dengan relasi klasik:Fe=m aeGaya sebesar eE memberikan laju perubahan energi kinetik padaelektron bebas sebesar2πeEdE dk 2πdE = eEdx= eEvgdt = dt= eEh dkdt hSehingga percepatan elektron menjadi:Kita definisikan massa efektif elektron:hm*=422⎛ d E ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠−1eEa =2 2π dkm*2 24πd Ea = eE2 2h dk151Untuk elektron bebas m* = m e .Untuk elektron dalam kristal m* tergantung dari energinya.152+k 12 2h ⎛ d E ⎞m*= ⎜ ⎟2 24π⎝ dk ⎠Em* kecil−k 1 km* negatif2dEd Emeningkat2dkdkcelah energipositif2dEd Emenurun2dksifat klasikdknegatifm* = m e jika energinya tidakmendekati batas pita energidan kurva E terhadap kberbentuk parabolik−1Pada kebanyakan metal m* = m e karenapita energi tidak terisi penuh. Padamaterial yang pita valensinya terisi penuhm* ≠ m e153Teori Sommerfeld Tentang MetalMetal dilihat sebagai benda padat yang kontinyu, homogen, isotropik.Gambaran tentang elektron seperti pada teori Drude-Lorentz; elektronbebasa berada pada potensial internal yang konstan.Perbedaannya adalah bahwa elektron dalam sumur potensialmengikuti teori kuantum dan bukan mekanika klasikBerapa statuskah yang tersedia untuk elektron atau dengankata lain bagaimanakah kerapatan status?Bagaimana elektron terdistribusi dalam status yang tersediadan bagaimana mereka berpartisipasi dalam proses fisika?Kita lihat lagi Persamaan Schrödinger154Aplikasi Persamaan Schrödinger: Kasus 3 DimensiSumur tiga dimensixzL xL zL yy2 2 2 2h ⎛⎞⎜∂ ψ ∂ ψ ∂ ψ⎟ + ψ = 02 + +2 2 2Em ⎝ ∂x∂y∂z⎠ψ( x , y,z)= X ( x)Y(y)Z(z)2222h ⎛ 1 ( ) 1 ( ) 1 ( ) ⎞⎜∂ X x ∂ Y y ∂ Z z⎟ + = 02222 ++( )( ) ( )Em ⎝ X x ∂xY y ∂yZ z ∂z⎠2221 ∂ X ( x)1 ∂ Y ( y)1 ∂ Z(z)2m++= − EX ( x)2x Y ( y)2y Z(z)2 2∂∂∂zhAplikasi Persamaan Schrödinger; Kasus 3 DimensiSumur tiga dimensixzL zL xL y2∂ X ( x)2m+ E X ( x)= 02 2 x∂xhy21 ∂ X ( x)2m= − E xX ( x)22∂xh21 ∂ Y ( y)2m= − E2 2 yY ( y)∂yh21 ∂ Z(z)2m= − E zZ ( z)2 2∂zhEx =n2 2x h2x8mL2 22 2nyhnzhE y = E2 z =28mL y 8mLz15515626

8/19/2012Energi elektron :E2 22 22 2nxhnyhnzhx = E2 y = E2 z =28mL x 8mL y 8mLzEnergi elektron dinyatakan dalam momentumnya:momentum : nihpi = ±2L iTanda ± menunjukkan bahwa arahmomentum bisa positif atau negatif.Pernyataan ini menunjukkan bahwamomentum terkuantisasi.p x , p y , p z membentuk ruang momentum tiga dimensi. Jika ruangmomentum berbentuk kubus, maka satuan sisi kubus adalah h/2L22ppxyEx=Ey=2m2msehingga :22⎛ n h ⎞p =⎜x⎝x2L⎟ x ⎠momentum :⎛ n22L⎟ ⎞yhp = ⎜y⎝ y ⎠p =i±n hi2L i22pzEz=2m22⎛ n h ⎞p =⎜z⎝z2L⎟ z ⎠Kwadran pertama ruang momentum (dua dimensi):p y0p xsetiap titik menunjukkanstatus momentum yangdiperkenankansetiap status momentummenempati ruang sebesarh 2 /4L 2 (kasus 2 dimensi).157158Kwadran pertama ruangmomentum (dua dimensi)N(p)dp =2( 4πp dp)h3Vtigadimensip y p y0 0p xp y0Karena p = ( 2mE) 1/ 2−dp = 2( 2mE) dE1/ 2p xsetiap status momentum2( 4πp dp)menempati ruang sebesarN(p)dp =h 2 /4L 2 h 3 / 8L32( 4πp dp)pN(p)dp =h3dp/8Vtigadimensi159pdpp xmaka( 4 V )N(E)dE = π3h× 2mE× m−1/2( 2mE) dE( 2πV ) 3/ 2 1/ 2× ( 2m) E dE dNN ( E)dE ==3hmassa elektron di siniadalah massa efektifInilah kerapatan status. Setiap status mencakup 2 spinBerapakah yang terisi ?160Tingkat Energi FERMIp y0Densitas Status pada 0 K( 2πV ) 3/ 2 1/ 2× ( 2m) E dE dNN ( E)dE ==3hStatus energi diisi oleh elektron valensi mulai dari tingkat terendah secraberurut ke tingkat yang lebih tinggi sampai seluruh elektron terakomodasi.Elektron pada status energi yang paling tinggi analog dengan elektron padatingkat energi paling tinggi di sumur potensial.Elektron ini memerlukan tambahan energi sebesar work function untukmeninggalkan sumur potensial.Status energi paling tinggi, yaitu tingkat yang paling tinggi yang ditempati olehelektron pada 0 K secara tentatif didefinsikan sebagai tingkat Fermi, E F .(Definisi ini sesungguhnya tidak lengkap, tetapi untuk sementara kitagunakan).pdpp xJika p adalah jarak dari titik pusat kemomentum paling luar, maka akandiperoleh status yang terisi.Status yang terisi adalah:4N =3h2L33π p ÷ =3Karena ( ) 2p = 2mE8N =π ( 2m)38πp V33h3/2E33h3/ 2Energi Fermi: 3/ 2 1 3N⎛ 1 ⎞ 3E F= ⎜ ⎟ h2 / 32 / 3 8 π V ⎝ 2m2⎠ E 1 ⎛ 3N⎞ ⎛ 1 ⎞ 2 h ⎛ 3N⎞= ⎜ ⎟ ⎜ ⎟h= ⎜ ⎟F4 ⎝ π V ⎠ ⎝ 2m⎠ 8m⎝ π V ⎠1623/2V16127

8/19/2012Densitas Status pada 0 K ( 2πV ) 3/N ( E)dE = × ( 2m) E dE = dN2 1/ 2E F EN(E)∞ E 1/2Densitas & Status terisi pada 0 Kh3Jika elektron pada tingkat energi E F kitapandang secara klasik, relasi energi:Pada tingkat energi E F sekitar 4 eV, sedang k BE = k TFdi mana T F adalah temperatur FermimakaT FB≈ 8,6 × 10−5≈ 4,7 × 10Jadi suatu elektron klasik berada pada sekitar 50.000 K untuk setara denganelektron pada tingkat Fermi.4FeVKJumlah status yang terisi dihitung darijumlah status momentum yang terisi dalamruang momentum:(4 / 3) πpN = 2×3 3h / L338πpV=33h163164Hasil Perhitunganelemen[1]E F[eV]T F[ o K×10 -4 ]Li 4,7 5,5Na 3,1 3,7K 2,1 2,4Rb 1,8 2,1Cs 1,5 1,8Cu 7,0 8,2Ag 5,5 6,4Au 5,5 6,4E = k TFBF165Menurut mekanika gelombang elektron bebas dalam kristal dapatbergerak tanpa kehilangan energi. Setiap kelainan pada struktur kristalakan menimbulkan hambatan pada gerakan elektron yang menyebabkantimbulnya resistansi listrik pada material.Bahkan pada 0 o K, adanya resistansi dapat teramati pada material nyatasebab pengotoran, dislokasi, kekosongan, dan berbagaiketidaksempurnaan kristal hadir dalam material.Pada metal murni, resistivitas total merupakan jumlah dari dua komponenyaitu komponen thermal ρ T , yang timbul akibat vibrasi kisi-kisi kristal, danresistivitas residu ρ r yang disebabkan adanya pengotoran danketidaksempurnaan kristal.Relasi Matthiessen:resistivitas totalresistivitas thermalResistivitas1ρ = ρT+ ρr=σeresistivitas residukonduktivitas166Eksperimen menunjukkan: [6]ρ [ohm-m] × 10 86 Di atas temperatur Debye5 −4 −3 −2 −1 −Cu, 3.32% NiCu, 2,16% NiCu, 1,12% Ni100Cu| |200 300 o Kkomponen thermal dari resistivitashampir linier terhadap temperatur:Temperatur Debye:hfθD=kDkonstanta Boltzmann1,38×10 −23 joule/ o KBcsλD=fpanjang gelombangminimum osilatorDfrekuensi maksosilasikecepatanrambat suaraRelasi Nordheim:ρ = Ax 1konstanta tergantungdari jenis metal danpengotoranJika x

8/19/2012Pengaruh Jenis Pengotoran pada Cu[6]Emisi ElektronPElektron bebas dalam metal tidak meninggalkan metal, kecuali jikamendapat tambahan energi yang cukup.ρ [ohm-meter]2,5×10 −8 −2,0×10 −8 −FeCrSnEnergiE FeFHampaAgρ T (293)| | | |1,5×10 −80 0,05 0,10 0,15 0,20 % berat+ + + +x169170Peristiwa photolistrikemittercahayacollectorI3x lumen2x lumenx lumenemittercahayacollectorIntensitas cahaya konstan tetapipanjang gelombang berubahIVSumberteganganvariabelA−V 00Pada tegangan ini semua elektronkembali ke katoda (emitter)Energi kinetik elektron = e V 0Laju keluarnya elektron (arus)tergantung dari intensitas cahayatetapi energi kinetiknya tidaktergantung intensitas cahayaVVSumberteganganvariabelA−V 01−V 02 −V 03λ=6500Å (merah)λ=5500Å (hijau)λ=5000Å (biru)V171172emitterVcahayacollectorAPhoton dengan energi hf diserap elektrondi permukaan metal sehingga elektrontersebut mendapat tambahan energi. Jikapada awalnya elektron menempati tingkatenergi tertinggi di pita konduksi danbergerak tegak lurus ke arah permukaan,ia akan meninggalkan emitter denganenergi kinetik maksimumE k maks = hf − eφemitterVcahayacollectorAhfE k makseφhfE k < E k maksSumberteganganvariabelEnergi yang diterimaEnergi untuk mengatasihambatan di permukaan(dinding potensial)SumberteganganvariabelE Ftingkat energiterisi17317429

8/19/2012Peristiwa Emisi ThermalemitterVSumberteganganvariabelcahayacollectorAJika V 0 (yang menunjukkan energikinetik) di-plot terhadap frekuensi:V o−φ 1−φ 2Rumus Einstein:Slope = h/eMetal 1Metal 2eV 0 = hf − eφfPada temperatur tinggi, sebagian elektron memiliki energi kinetik yanglebih tinggi dari energi rata-rata elektron sehingga dapat melampauiwork function ( eφ ).katoda vakum anoda Jika arus cukup tinggi, terjadi saling tolakantara elektron di ruangan sehinggaelektron dengan energi rendah tidakmencapai anoda.pemanasAVMuatan ruang makin berpengaruh jika arusmakin tinggi. Arus akan mencapaikejenuhan.−VIV175176Makin tinggi temperatur katoda, akan makin tinggi energi elektronyang keluar dari permukaan katoda, dan kejenuhan terjadi pada nilaiarus yang lebih tinggi.katodapemanasvakumAVanodaIT 1T 2T 3−VVKejenuhan dapat diatasi denganmenaikkan VIV 1V 2V 3T177katodapemanasPada tegangan yang sangat tinggi, dimana efek muatan ruangteratasi secara total, semua elektron yang keluar dari katodaakan mencapai anoda.vakumAVanodaPersamaan Richardson-Dushmankerapatan arusIJ = ATV = ∞e2 −eφ / kTV 1V 2konstanta dari materialk = konstanta Boltzman = 1,38× 10−23 joule/ o KT178Nilai φ tergantung dari temperatur :φ = φ 0 + αTPersamaan Richardson-Dushmankatodavakumanodapada 0 o Kα = d φ /dTkoefisien temperaturkatodavakumanodaJ = AT− eα/ k − eφe e2 0/ kTJ − eα/ k − eφ / kT= Ae e 02ATpemanasAVeα ≈10−4oeV/ Kpada kebanyakanmetal murniPersamaan Richardson-Dushmanmenjadi:J = AT− eα/ k − eφe e2 0/ kTpemanasAV⎛ J ⎞ eα eφ0ln = ln A − −2 ⎜⎜⎝ AT⎟⎟⎠ k kT⎛ Jln ⎜⎝ AT2⎞⎟⎠Linier terhadap1T17918030

8/19/2012Beberapa Material Bahan KatodaMaterialkatodatitik leleh[ O K]temp. kerja[ O K]workfunction[eV]A[10 6 amp/m 2 o K 2W 3683 2500 4,5 0,060Ta 3271 2300 4,1 0,4 – 0,6Mo 2873 2100 4,2 0,55Th 2123 1500 3,4 0,60Ba 983 800 2,5 0,60Cs 303 290 1,9 1,62[6]Peristiwa Emisi SekunderJika elektron dengan energi tinggi (yang disebut elektron primer)ditembakkan ke permukaan metal, elektron dapat keluar dari permukaanmetal (yang disebut elektron sekunder).Energi kinetik elektron sekunder tidak harus tergantung dari energi kinetikelektron yang membentur permukaan.Efisiensi emisi sekunder dinyatakan sebagai rasio jumlah elektronsekunder, I s terhadap jumlah elektron primer yang membentur permukaan,I p . Rasio ini disebut secondary emission yield, δ, dan merupakan fungsi darienergi kinetik berkas elektron yang membentur permukaan.Jika energi kinetik berkas elektron yang membentur permukaan terlalurendah hanya sedikit dihasilkan emisi sekunder.181182Jika energi kinetik berkas elektron yang membentur permukaan terlalutinggi hanya sedikit juga dihasilkan emisi sekunder. Hal ini disebabkankarena elektron yang membentur permukaan metal sempat masuk(penetrasi) ke dalam metal sebelum terjadi benturan dengan elektronbebas dalam metal.Elektron bebas yang menerima tambahan energi mengalami tabrakantabrakansebelum mencapai permukaan, dan mereka gagal keluar daripermukaan metal.Akibatnya adalah δ sebagaifungsi dari energi berkaselektron, mempunyai nilaimaksimum.δδ maksE k maks00E k183Emisi Sekunderemitter δ maks E k [eV]Al 0,97 300Cu 1,35 600Cs 0,9 400Mo 1,25 375Ni 1,3 550W 1,43 700gelas ∼2,5 400BeO 10,2 500Al 2 O 3 4,8 1300[6]184Efek SCHOTTKYPeristiwa Emisi MedanDalam peristiwa emisi thermaltelah disebutkan bahwakenaikan medan listrik antaraemitter dan anoda akanmengurangi efek muatan ruang.IV 1V 2V 3Hadirnya medan listrik pada permukaan katoda, selain menurunkanwork function juga membuat dinding potensial menjadi lebih tipis.penurunan work functionmedan listrik sangattinggi V = eExMedan yang tinggi jugameningkatkan emisikarena terjadi perubahandinding potensial dipermukaan katoda.Medan E memberikanpotensial −eEx padajarak x dari permukaanpenurunan work functionEnergiE Fe∆∅e∅+ + + +xmedan listrik tinggiV = eExx 0nilai maksdindingpotensialEnergiE Fe∅e∆∅+ + + +xjaraktunneling18518631

8/19/2012Karakteristik DielektrikFaktor DesipasiDielektrik digunakan pada kapasitor dan sebagai bahan isolasiPermitivitas relatif didefinisikan sebagai rasio permitivitas dielektrik (ε)dengan permitivitas ruang hampa (ε 0 )ε ≡rεε 0Jika suatu dielektrik yang memiliki permitivitas relatif ε r disisipkan antaradua pelat kapasitor yang memiliki luas A dan jarak antara kedua pelatadalah d , maka kapasitansi yang semulaAC =d0ε 0berubah menjadiAC =dAdε = ε0εr= C0εrdielektrik meningkatkan kapasitansi sebesar ε r kali187188Diagram fasor kapasitorimI totI CδreI Rp V CDesipasi daya (menjadi panas):P = V I = VCRpP = ε V ωCVr0= 2πfV20CICtanδtanδ : faktor desipasi0Cεtan δr(loss tangent)tan δε r tanδ : faktor kerugian(loss factor)189Kekuatan DielektrikGradien tegangan maksimum yang masih dapatditahan oleh dielektrik sebelum terjadi tembus listrikNilai kekuatan dielektrik secara eksperimen sangattergantung dari ukuran spesimen, elektroda, sertaprosedur percobaanTembus listrik diawali oleh hdirnya sejumlah elektron di pita konduksi.Elektron ini mendapat percepatan oleh adanya medan listrik yangtinggi sehingga memperoleh energi kinetik yang tinggi. Sebagianenergi ini ditransfer ke elektron valensi sehingga elektron valensi naikke pita konduksi. Jika jumlah elektron ini cukup banyak maka akanterjadi avalans elektron di pita konduksi. Arus meningkat dengan cepatsehingga terjadi peleburan lokal, terbakar, atau penguapan.Elektron awal bisa hadir oleh beberapa sebab: discharge antara elektrodategangan tinggi dengan permukaan dielektrik yang terkontaminasi, poriporiberisi gas dalam dielektrik, pengotoran oleh atom asing.190600 −Kekuatan Dielektrik[6]Dua Pelat ParalelPolarisasiTegangan tembus [kV]500 −400 −300 −200 −udara 400 psiSF 6 100 psiHigh VacuumMinyak TrafoPorselainSF 6 1 atmσ 0+ + +V Q0 / C0Q0σ0EE = = = =0 d Tanpa dielektrik : d d ε0A εd0− − −dσ− − − − − − −+ + + +V Q / C Q σ− − − −E+ + + + dDengan dielektrik : E = = = =d d ε0εrA ε εr− − − −d0+ + + + + + +dσ −σ0= ε0εrE − ε0E= ε0Er−( ε 1)= P100 −udara 1 atmtimbul karena terjadi PolarisasiPolarisasi : total dipole momen listrik per satuan volume00 0.51 1.03 1.55 2,13 2,54Jarak elektroda [m] X 10− 2191Dipole listrik : p e = qr19232

+−+−8/19/2012Molekul di dalam dielektrik mengalami pengaruh medan listrik yang lebihbesar dari medan listrik yang diberikan dari luar. Medan listrik yang dialamioleh molekul ini disebut medan lokal.σE− − − − − − −+−+−+−+−+−+−+−+−+−+−+ + +− − −+ + +− − −+ + + + + + +Induksi momen dipole olehmedan lokal E lok adalahpmol = α E lokP NαE lok= ε E( ε ) (r−1)=r0−1polarisabilitasP = N α E lokjumlah molekul per satuan volumeNαEε =ε E0lok193a. polarisasi elektronik :4 macam polarisasitak ada medanada medanTeramati pada semua dielektrik.Terjadi karena pergeseran awan elektronpada tiap atom terhadap intinya.E1944 macam polarisasi4 macam polarisasib. polarisasi ionik :tak ada medan+−ada medanE− + + − ++−−+−c. polarisasi orientasi :tak ada medan+−+−ada medanE+−+Terjadi karena pergeseran ion-ionyang berdekatan dan berlawananmuatan.+−+Terjadi pada material padat dan cair yangmemiliki molekul asimetris yang momendipole permanennya dapat diarahkanoleh medan listrik.Hanya ditemui pada material ionik.195196d. polarisasi muatan ruang :4 macam polarisasitak ada medan+ + − + − −− − + − + −− + + − + ++ − − + − −− + + − + −ada medanE+ + − + − −+ + + − + −+ − + − − −+ + − + − −+ + − + − −Terjadi pengumpulan muatan diperbatasan dielektrik.ε r Tergantung PadaFrekuensi Dan TemperaturDalam medan bolak-baik, polarisasi total P, polarisabilitas total α,dan ε r , tergantung dari kemudahan dipole untuk mengikuti medanyang selalu berubah arah tersebut.Dalam proses mengikuti arah medan tersebut, waktu yangdibutuhkan oleh dipole untuk mencapai orientasi keseimbangandisebut waktu relaksasi.Kebalikan dari waktu relaksasi disebut frekuensi relaksasi.Jika frekuensi dari medan yang diberikan melebihi frekuensirelaksasi, dipole tidak cukup cepat untuk mengikutinya, danproses orientasi berhenti.Karena frekuensi relaksasi dari empat macam proses polarisasiberbeda-beda, maka kontribusi dari masing-masing proses padapolarisasi keseluruhan dapat diamati.19719833

8/19/2012muatan ruangelektronikionikorientasi20 −15 −5×10 2 cps10 4 cpsP;ε rabsorbsi;loss factormuatan ruangorientasiionikelektronikpower audio radio inframerahfrekuensi listrikcahayatampakfrekuensi optikαfrekuensi199ε r10 −8×10 2 cps5 −00 100 200 300 400oCsilica glass [6]200Kehilangan EnergiDiagram fasor kapasitorimDesipasi daya (menjadi panas):P = V I = VCRpCICtanδI totI CδP = ε V ωCVr0tanδ : faktor desipasi(loss tangent)0tan δI RpV Cre= 2πfV20Cεtan δrε r tanδ : faktor kerugian(loss factor)201202203 20434

8/19/2012Salah satu kriteria dalam pemilihan material untuk keperluankonstruksi adalah kekuatan mekanis-nyaBeberapa uji mekanik:uji tarik (tensile test)uji tekan (compression test)uji kekerasan (hardness test)uji impak (impact test)uji kelelahan (fatigue test)Uji tarik (tensile test) dan uji tekan (compression test) dilakukan untuk mengetahuikemampuan material dalam menahan pembebanan statis.Uji kekerasan untuk mengetahui ketahanan material terhadap perubahan(deformation) yang permanen.Uji impak untuk mengetahui ketahanan material terhadap pembebanan mekanis yangtiba-tiba.Uji kelelahan untuk mengetahui lifetime dibawah pembebanan siklis.205206l 0A 0sebelum pembebanandenganpembebananPEngineering Stress : σ , didefinisikan sebagai rasio antara beban P pada suatusampel dengan luas penampang awal dari sampel.Engineering Stress :Engineering Strain :ε =lσ =Engineering Strain : ε , didefinisikan sebagai rasio antara perubahan panjangsuatu sampel dengan pembebanan terhadap panjang awal-nya.APA 0l − l0∆l=l0l0207stress, σ [1000 psi]403020100| | |Stress-Strain Curve :ultimate tensile strengthyield strength| | | |0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5strain, ε [in./in.]retak ×contoh kurva stress-straindari Cu polikristalstress, σ [1000 psi]129630| | |daerah elastisEmulai daerah plastislinierbatas elastis| | |0 0.001 0.002 0.003strain, ε [in./in.]di daerah elastis:σ = E ε (Hukum Hooke)E = modulus Young20880200×stress, σ [1000 psi]6040200| | |upper yield pointlower yield point| | | |0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25strain, ε [in./in.]baja 1030×stress, σ [1000 psi]150100500| | || | |0 0.001 0.002 0.003strain, ε [in./in.]tungsten carbidestress: σ [1000 psi]12080400| | |tekan×tarik×| | | |0 0.01 0.02 0.03 0.04strain: ε [in./in.]stress: σ [1000 psi]3210| | |× tariktekan| | | |0 0.001 0.002 0.003 0.004strain: ε [in./in.]×besi tuangbeton20921035

8/19/2012Uji kekerasan mengukur kekuatan material terhadap suatu indenter ; indenter ini bisaberbentuk bola, piramida, kerucut, yang terbuat dari material yang jauh lebih keras darimaterial yang diuji.Uji kekerasan dilakukan dengan memberikan beban secara perlahan, tegaklurus padapermukaan benda uji, dalam jangka waktu tertentu.PSalah satu metoda adalah Test Brinell, denganindenter bola tungsten carbide, D = 10 mmUji impak mengukur energi yang diperlukan untuk mematahkan batang materialyang diberi lekukan standar, dengan memberikan beban impuls.Beban impuls diberikan oleh bandul denganmassa tertentu, yang dilepaskan dariketinggian tertentu. Bandul akan menabrakspesimen dan mematahkannya, kemudiannaik lagi sampai ketinggian tertentu.DdspesimenHardness Number dihitung dengan formula:2PBHN =⎡ 2 2 ⎤πDD − D − d⎢⎣⎥⎦ujung bandulspesimenpenahanDengan mengetahui massa bandul dan selisihketinggian bandul saat ia dilepaskan denganketinggian bandul setelah mematahkanspesimen, dapat dihitung energi yang diserapdalam terjadinya patahan.211212Pada bagian kurva stress-strain yang linier dapat dituliskan hubungan linierSemua jenis material berubah bentuk, atau berubah volume, atau keduanya, padawaktu mendapat tekanan ataupun perubahan temperatur.Perubahan tersebut dikatakan elastis jika perubahan bentuk atau volume yangdisebabkan oleh perubahan tekanan ataupun temperatur dapat secara sempurnakembali ke keadaan semula jika tekanan atau temperatur kembali ke keadaan awalnya.Pada material kristal, hubungan antara stress dan strain adalah linier sedangkan padamaterial non kristal (dengan rantai molekul panjang) pada umumnya hubungan tersebuttidak linier.stress, σAelastisstress, σelastisAstress: σAelastisstrain: εσ = E εE = modulus YoungModulus Young ditentukan dengan cara lain,misalnya melalui formula:v = Eρkecepatan rambat suaradalam materialdensitas materialstrain, εstrain, ε213214Ada beberapa konstanta proporsionalitas yang biasa digunakan dalammenyatakan hubungan linier antara stress dan strain, tergantung dari macamstress dan strain1) Modulus YoungPanjang sesudah ditariklσ zl 0Panjang awalstress: σ zσzE =εz2). Modulus shearγ = tan θl 0θδShear stress, ττG =γσ z∆ll − l0 l0εz= =2 2 2strain: ε zShear strain, γ21521636

8/19/20123) Modulus bulk (volume)volume awal V 0σz = σ hydσ x = σhydσ y = σ hydhydrostatic stress : σ hydperubahan volume∆V / V 0σhydK =∆V /V 0Energi potensial dari dua atom sebagai fungsi jarak antara keduanyadapat dinyatakan dengan persamaan:−ABV = +n mr rV : energi potensialr : jarak antar atomA : konstanta proporsionalitas untuk tarik-menarik antar atomB : konstanta proporsionalitas untuk tolak-menolak antar atomn dan m : pangkat yang akan memberikan variasi dari V terhadap r217218Gaya dari dua atom sebagai fungsi jarak antara keduanya dapatditurunkan dari relasi energi potensial:Kurva energi potensial dan kurva gaya sebagai fungsi jarak antaraatom, disebut kurva Condon-Morse:−∂V−nA= =∂ n+ 1 + mBFrm+1r rJika : nA = a,mB = b,n + 1 = N,dan m + 1 = M,maka−abF = +N Mr rF : gaya antar atomr : jarak antar atoma : konstanta proporsionalitas untuk tarik-menarik antar atomb : konstanta proporsionalitas untuk tolak-menolak antar atomN dan M : pangkat yang akan memberikan variasi dari F terhadap renergi potensial, Vd 0BV =mrtolak-menolakjumlah−AV =nrtarik-menarikrgaya, FbF =Mrtolak-menolakjumlahrd 0220−aF =Mrtarik-menarik219Kurva gaya dan garis singgung pada d 0 untuk keperluan praktis dapatdianggap berimpit pada daerah elastis.Pengaruh Temperatur−abF = +N Mr rJarak rata-rata antar atommeningkat dengan peningkatantemperatur.gaya, FrEnergi Potensialjarak antar atomd 0daerah elastisd rmind rata2d rmaksT >>0 o Kd 022122237

8/19/2012Tercapainya strain maksimum bisa lebih lambat dari tercapainya stressmaksimum yang diberikan. Jadi strain tidak hanya tergantung dari stress yangdiberikan tetapi juga tergantung waktu. Hal ini disebut anelastisitas.Jika material mendapat pembebanan siklis, maka keterlambatan strainterhadap stress menyebabkan terjadinya desipasi energi.Desipasi energi menyebabkan terjadinyadamping.Desipasi energi juga terjadi pada pembebanan monotonik isothermal didaerah plastis.Gejala ini dikenal sebagai creep.223Efek ThermoelastikMaterial kristal cenderung turun temperaturnya jika diregangkan (ditarik).Jika peregangan dilakukan cukup lambat, maka material sempatmenyerap energi thermal dari sekelilingnya sehingga temperaturnyatak berubah. Dalam hal demikian ini proses peregangan (straining)terjadi secara isothermik.adiabatikσσ MOε Aε MAA’MεXisothermikσσ MMXOεLoop Histerisis Elastis 224Desipasi energi per siklus tergantung dari frekuensiPeregangan bisa menyebabkan terjadinya difusi atom.σσσσσOεOεOεOεf 1f 2 >f 1f 3 >f 2 f 4 >f 3f 5 >f 4225Oεdesipasi energiper siklusf 1 f 2 f 3 f 4 f 5frekuensi226Waktu Relaksasi : τεε2− ε1ε 2a =ε2t 1Keretakan adalah peristiwa terpisahnya satu kesatuan menjadi dua atau lebih bagian.Bagaimana keretakan terjadi, berbeda dari satu material ke material yang lain, dan padaumumnya dipengaruhi oleh stress yang diberikan, geometris dari sampel, kondisitemperatur dan laju strain yang terjadi.ε 1t 0Keretakan dibedakan antara keretakan brittle dan ductile.ε = ε− / τ( − ae )2 1 tε =t−[ ( t−t )/ τaεe 1]2Keretakan brittle terjadi dengan propagasi yang cepat sesudah sedikit terjadi deformasiplastis atau bahkan tanpa didahului oleh terjadinya deformasi plastis.Keretakan ductile adalah keretakan yang didahului oleh terjadinya deformasi plastisyang cukup panjang / lama, dan keretakan terjadi dengan propagasi yang lambat.22722838

8/19/2012Pada material kristal, keretakan brittle biasanya menjalar sepanjang bidang tertentudari kristal, yang disebut bidang cleavage.Pada material polikristal keretakan brittle tersebut terjadi antara grain dengan grainkarena terjadi perubahan orientasi bidang clevage ini dari grain ke grain.Selain terjadi sepanjang bidang cleavage, keretakan brittle bisa terjadi sepanjang batasantar grain, dan disebut keretakan intergranular.Kedua macam keretakan brittle, cleavage dan intergranular, terjadi tegak lurus padaarah stress yang maksimum.Kalkulasi teoritis kekuatan material terhadap keretakan adalah sangat kompleks.Walaupun demikian ada model sederhana, berbasis pada besaran-besaran sublimasi,gaya antar atom, energi permukaan, yang dapat digunakan untuk melakukan estimasi.Tidak kita pelajari.Keretakan ductile didahului oleh terjadinya deformasi plastis, dan keretakan terjadidengan propagasi yang lambat.Pada material yang digunakan dalam engineering, keretakan ductile dapat diamatiterjadi dalam beberapa tahapan•terjadinya necking, dan mulai terjadi gelembung retakan di daerah ini;•gelembung-gelembung retakan menyatu membentuk retakan yangmenjalar keluar tegaklurus pada arah stress yang diberikan;•retakan melebar ke permukaan pada arh 45 o terhadap arah tegangan yangdiberikan.Mulai awal terjadinya necking, deformasi dan stress terkonsentrasi di daerah leher ini.Stress di daerah ini tidak lagi sederhana searah dengan arah gaya dari luar yangdiberikan, melainkan terdistribusi secara kompleks dalam tiga sumbu arah. Keretakanductile dimulai di pusat daerah leher, di mana terjadi shear stress maupun tensile stresslebih tinggi dari bagian lain pada daerah leher. Teori tidak kita pelajari.229230Transisi dari ductile ke brittleDalam penggunaan material, adanya lekukan, atau temperatur rendah, atau pada lajustrain yang tinggi, bisa terjadi transisi dari keretakan ductile ke brittle.Keretakan ductile menyerap banyak energi sebelum patah, sedangkan keretakan brittlememerlukan sedikit energi.Hindarkan situasi yang mendorong terjadinya transisi ke kemungkinan keretakan brittle.Keretakan karena kelelahan metalMaterial ductile dapat mengalami kegagalan fungsi jika mendapat stress secara siklis,walaupun stress tersebut jauh di bawah nilai yang bisa ia tahan dalam keadaan statis.Tingkat stress maksimum sebelum kegagalan fungsi terjadi, disebut endurance limit.Endurance limit didefinidikan sebagai stress siklis paling tinggi yang tidak menyebabkanterjadinya kegagalan fungsi, berapapun frekuensi siklis-nya.Endurance limit hampir sebanding dengan ultimate tensile strength (UTS). Pada alloybesi sekitar ½ dan pada alloy bukan besi sampai 1/3 UTS.Secara umum diketahui bahwa jika bagian permukaan suatu spesimen lebih lunak daribagian dalamnya maka kelelahan metal lebih cepat terjadi dibandingkan dengan jikabagian permukaan lebih keras. Untuk meningkatkan umur mengahadapi terjadinyakelelahan metal, dilakukan pengerasan permukaan (surface-harden).231232233 23439

8/19/2012Sifat-sifat thermal yang akan kita bahasadalahkapasitas panaspanas spesifikpemuaiankonduktivitas panas235236Sejumlah energi bisa ditambahkan ke dalam materialmelalui pemanasan, medan listrik, medan magnit,bahkan gelombang cahaya seperti pada peristwa photolistrik yang telah kita kenal.Pada penambahan energi melalui pemanasan tanggapanpadatan termanifestasikan dalam gejala-gejala kenaikantemperatur sampai pada emisi thermal tergantung dari besarenergi yang masuk.Dalam padatan, terdapat dua kemungkinanpenyimpanan energi thermal:1) penyimpanan dalam bentuk vibrasi atom / ion disekitar posisi keseimbangannya2) energi kinetik yang dikandung oleh elektron-bebas.Kapasitas Panas (heat capacity)Kapasitas panas pada volume konstan, C vdEC v =dT vKapasitas panas pada tekanan konstan, CpdHC p =dT pE : energi internal padatan yaitu totalenergi yang ada dalam padatan baikdalam bentuk vibrasi atom maupunenergi kinetik elektron-bebasT : temperaturH : enthalpi. Pengertian enthalpidimunculkan dalam thermodinamikakarena amat sulit meningkatkankandungan energi internal pada tekanankonstan.energi yang kita masukkan tidak hanyameningkatkan energi internal melainkanjuga untuk melakukan kerja pada waktupemuaian terjadi.237238H = E + PVvolumetekananenergi internal∂H∂E∂V∂P∂E∂V= + P + V = + P∂T∂T∂T∂T∂T∂T≈ 0Jika perubahan volume terhadapT cukup kecil suku ini bisadiabaikan sehingga∂H∂E≈∂T∂TvCv ≈ C p239Perhitungan KlasikPanas SpesifikKapasitas panas per satuan massa per derajat Kdituliskan dengan huruf kecil c v dan c pMolekul gas ideal memiliki tiga derajat kebebasan1energi kinetik rata-rata per derajat kebebasan k B T23energi kinetik rata-rata (3 dimensi): k B T2 Konstanta Boltzman3 3energi per mole Ek/ mole = NkBT= RT2 2Bilangan AvogadroAtom-atom padatan saling terikatenergi rata-rata per derajat kebebasan k B TEtot / mole padat = 3RTcal/moledEocv= = 3R= 5,96 cal/mole KdT vMenurut hukum Dulong-Petit (1820), c vHampir sama untuk semua material yaitu6 cal/mole K24040

8/19/2012Pada umumnya hukum Dulong-Petit cukup teliti untuk temperatur diatas temperatur kamar. Namun beberapa unsur memiliki panasspesifik pada temperatur kamar yang lebih rendah dari angkaDulong-Petit, misalnyaBe ([He] 2s 2 ), B ([He] 2s 2 2p 1 ),C ([He] 2s 2 2p 2 ), Si ([Ne] 3s 2 3p 2 )Unsur-unsur ini orbital terluarnya tersisi penuh atau membuat ikatankovalen dengan unsur sesamanya.Oleh karena itu pada temperatur kamar hampir tidak terdapatelektron bebas dalam material ini. Lebih rendahnya kapasitas panasyang dimiliki material ini disebabkan oleh tidak adanya kontribusielektron bebas dalam peningkatan energi internal.Sebaliknya pada unsur-unsur yang sangat elektropositif sepertiNa ([Ne] 3s 1 )kapasitas panas pada temperatur tinggi melebihi prediksi Dulong-Petitkarena adanya kontribusi elektron bebas dalam penyimpanan energiinternal.241242Perhitungan EinsteinPadatan terdiri dari N atom, yang masing-masing bervibrasi (osilator)secara bebas pada arah tiga dimensi, dengan frekuensi f EE n = nhf EFrekuensi osilatorKonstanta Planckbilangan kuantum, n = 0, 1, 2,....Jika jumlah osilator tiap status energi adalah N n dan N 0 adalah jumlahasilator pada status 0, maka menuruti fungsi Boltzmann−(EnN n = N0eJumlah energi per status: N n E n∑total energi dalam padatan: E = N n E nnEsehingga energi rata-rata osilator E = =N/kBT)∑ Nn∑nnEnNn=∑n−(nhfN0e∑nE/−(nhfN0ek BT)nhf EE/k BT)243∑ Nn∑−(nhf E / k BT)nEnN0enhf EEnenergi rata-rata osilator E = = =N N−(nhf E / k BT)n ∑ N0ennmisalkan x = − hf E / k BT−nx∑ e nhf Ex 2x3xnhf E ( 0 + e + e + e + ..........)E ==−nxx 2x3xe 1 + e + e + e + .........∑nKarena turunan dari penyebut, maka dapat ditulisdE = hf E ln 1dx∑x 2x3x( + e + e + e + ...........)1 = hfEE − hf / T e k B= e −11x− eDengan N atom yang masing-masing merupakan osilator bebas yang berosilasitiga dimensi, maka didapatkan total energi internal3NhfEE = 3NE=( hfE/ kBT)e −1244Panas spesifik adalah2dE ⎛ hf ⎞3⎜ Ecv= = Nk B⎟dt v ⎝ k BT⎠hfEehf / k T( − 1) 2E Be/kBTf E : frekuensi Einsteinditentukan dengan cara mencocokkankurva dengan data-data eksperimental.Hasil yang diperoleh adalah bahwa padatemperatur rendah kurva Einstein menuju noljauh lebih cepat dari data eksperimenPerhitungan DebyeMenurut Debye, penyimpangan hasil perhitungan Einsteindisebabkan oleh asumsi yang diambil Einstein bahwa atom-atombervibrasi secara bebas dengan frekuensi sama, f EAnalisis yang perlu dilakukan adalah menentukan spektrumfrekuensi g(f) dimana g(f)df didefinisikan sebagai jumlahfrekuensi yang diizinkan yang terletak antara f dan (f + df)Debye melakukan penyederhanaan perhitungan denganmenganggap padatan sebagai medium merata yang bervibrasidan mengambil pendekatan pada vibrasi atom sebagaispectrum-gelombang-berdiri sepanjang kristalKetidak cocokan ini dijelaskan oleh Debye24πfg(f ) =3c skecepatan rambat suara dalam padatanDebye memandang padatan sebagai kumpulanphonon karena perambatan suara dalam padatanmerupakan gejala gelombang elastis24524641

8/19/2012Postulat Debye:Frekuensi yang ada tidak akan melebihi 3N(N adalah jumlah atom yang bervibrasi tiga dimensi).Panjang gelombang minimum adalah λ D = c s / f Dtidak lebih kecil dari jarak antar atom dalam kristalEnergi internal untuk satu mole volume kristal9NE =3f D∫0f D hf 2f dfhf / kBTe −1hf Dhf k T Tθ D didefinisikan sebagaiD / B ≡ θ D / θ D =kBtemperatur Debye⎡ 3⎤⎢⎛ ⎞= =⎢⎜⎟⎣⎝ θ ∫ θ T xdETD / 4e x dxcv9NkBdT vD ⎠ 0 x 2( e −1) ⎥⎥ ⎦247Dengan pengertian temperatur Debye, didefinisikan fungsi DebyeD( θ D / T )⎡ 3⎤⎢⎛ ⎞θ = ×⎢⎜⎟⎣⎝ θ ∫ θ T xTD / 4e x dxD( D / T ) 3c 3NkD(/ T )D ⎠ 0 x2( e − 1) ⎥⎥ v = B θD⎦Fungsi Debye tidak dapat diintegrasi secara analitis,namun dapat dicari nilai-nilai limitnyaD( θ D / T ) →12 34π⎛ T ⎞D(θ D / T)→5⎜⎟⎝ θ D ⎠jika T → ∞jika T 000 E F Epada kebanyakan metal sekitar 5 eVpada temperatur kamar k B T sekitar 0,025 eV⎛ 3NkBkontribusi elektron dalam panas spesifik adalah cvelektron TE ⎟ ⎞≅⎜⎝ F ⎠249Panas Spesifik Totalc v total = cvion + cvelektronUntuk temperatur rendah, dapat dituliskan3 cc v = AT + γ′ T atau v 2= γ′ + ATTc v /Tγ′slope = AT 2250Panas Spesifik Pada Tekanan Konstan, c pHubungan antara c p dan c v diberikan dalam thermodinamika2α v koefisien muai volumec p − cv= TVβ kompresibilitasvolume molar⎛ dv ⎞1 dvβ ≡1⎛ ⎞αv≡ ⎜ ⎟v⎜dp⎟⎝ ⎠Tv ⎝ dT ⎠ pPemuaian1 ⎛ dl ⎞Pada tekanan konstan α L = ⎜ ⎟l ⎝ dT ⎠ pα = 3×V α LFaktor-Faktor Lain Yang Turut BerperanPemasukan panas pada padatan tertentu dikuti proses-proses lain, misalnya:perubahan susunan molekul dalam alloy,pengacakan spin elektron dalam material magnetik,perubahan distribusi elektron dalam material superkonduktor,Proses-proses ini akan meningkatkan panas spesifik materialyang bersangkutanDengan menggunakan model Debyeγc v βαv= 3αL =Vγ : konstanta Gruneisenβ : kompresibilitas25125242

8/19/2012c p , α L , γ, untuk beberapa material.[6].Material c p (300 K)cal/g Kα L (300 K)1/K×10 6γ(konst. Gruneisen)Al 0,22 24,1 2,17Cu 0,092 17,6 1,96Au 0,031 13,8 3,03Fe 0.11 10,8 1,60Pb 0,32 28,0 2,73Ni 0,13 13,3 1.88Pt 0,031 8,8 2,54Ag 0,056 19,5 2,40W 0,034 3,95 1,62Sn 0,54 23,5 2,14Tl 0,036 6,7 1,75Konduktivitas PanasJika q adalah jumlah kalori yang melewati satu satuan luas (A) persatuan waktu ke arah x makaQ dTq = = −σTA dxKonduktivitas Panasaliran panas berjalan dari temperatur tinggi ke temperatur rendahPada temperatur kamar, metal memiliki konduktivitas thermal yang baik dankonduktivitas listrik yang baik pula karena elektron-bebas berperan dalamberlangsungnya transfer panasPada material dengan ikatan ion ataupun ikatan kovalen, di mana elektronkurang dapat bergerak bebas, transfer panas berlangsung melalui phononDalam polimer perpindahan panas terjadi melalui rotasi, vibrasi, dantranslasi molekul253254σ T untuk beberapa material pada 300 K .[6].Materialσ Tcal/(cm sec K)L=σ T /σ e T(volt/K) 2 ×10 8Al 0,53 2,2Cu 0,94 2,23Fe 0,19 2,47Ag 1,00 2,31C (Intan) 1,5 -Ge 0,14 -Lorentz number255Konduktivitas Panas Oleh Elektron3pengertian klasik gas ideal E = k BT2Jika L adalah jalan bebas rata-rata elektron,maka transmisi energi per elektron adalahJumlah energi yang ter-transfer ke arah x∂E3 ∂T= kB ∂x2 ∂ x∂E3 ∂TL = kB L∂x2 ∂ xnµ3 ∂TQ = k B L3 2 ∂ xkerapatan elektronkecepatan rata-rataEnergi thermal yang ditransfer melalui dua bidang paralel tegak-lurus arah x denganjarak δx pada perbedaan temperatur δT adalah∂T∆E = σT ∂ x∂TQQ = σTatau σT=∂x∂T/ ∂xnµσT= k B L2256Rasio Wiedemann-FranzIsolator PanasRasio ini adalah rasio antara konduktivitas thermal dankonduktivitas listrik listriknµk L 2σ BT 2 mµk B= =σ 2 2e ne L e2mµσT= L o TσeLorentz numberhampir sama untukkebanyakan metalIsolator thermal yang baik adalah material yang porous. Rendahnyakonduktivitas thermal disebabkan oleh rendahnya konduktivitas udarayang terjebak dalam pori-poriNamun penggunaan pada temperatur tinggi yang berkelanjutancenderung terjadi pemadatan yang mengurangi kualitasnyasebagai isolator thermalMaterial polimer yang porous bisa mendekati kualitas ruang hampapada temperatur sangat rendah; gas dalam pori yang membekumenyisakan ruang-ruang hampa yang bertindak sebagai isolator25725843

8/19/2012Sudaryatno SudirhamPengertian DasarThermodinamikaThermodinamika merupakan cabang ilmu pengetahuan yangmencakup permasalahan transfer energi dalam skala makroskopisThermodinamika tidak membahas hal-hal mikroskopis (sepertiatom, molekul) melainkan membahas besaran-besaranmakroskopis yang secara langsung dapat diukur, seperti tekanan,volume, temperatur259Sistem adalah obyek atau kawasan yang menjadi perhatian kitaKawasan di luar sistem disebut lingkunganlingkunganSistemsistemmungkin berupa sejumlah materi atausuatu daerah yang kita bayangkandibatasi oleh suatu bidang bataslingkunganbidang batasbidang yang membatasi sistemterhadap lingkungannya.mampu mengisolasi sistemataupunmemberikan suatu carainteraksi tertentu antarasistem dan lingkungannya260Dengan adanya bidang batas antara sistem danlingkungannya, beberapa kemungkinan bisa terjadisistemsistem terisolasitidak dapat dipengaruhioleh lingkungannyasistemsistemsistem terisolasienergisistem tertutuptidak ada transfer energitidak ada transfer materiada transfer energitidak ada transfer materimassa sistem tidak berubahPerubahan-perubahan dalam sistemmungkin saja terjadiPerubahan dalam sistem terisolasitidak dapat terus berlangsung tanpa batasperubahan temperaturperubahan tekanansistemenergimaterisistem terbukaada transfer materimassa sistem berubahSuatu saat akan tercapai kondisikeseimbangan internalyaitu kondisi di mana perubahan-perubahandalam sistem sudah tidak lagi terjadi261262sistemenergisistem tertutupsistem dapat berinteraksidengan lingkungannyasistemStatus thermodinamik sistemmerupakan spesifikasi lengkap susunandan sifat fisis suatu sistem.perubahan dalam sistem dibarengidengan perubahan di lingkungannya.Sifat sistem ditentukan oleh satu settertentu peubah-peubah thermodinamik.menuju kekeseimbangan internalkeseimbangan eksternal.Apabila keseimbangan telah tercapai, tidak lagi terjadi perubahanperubahandi dalam sistem dan juga tidak lagi terjadi transferapapun antara sistem dengan lingkungannya263Apabila jumlah tertentubesaran fisis yang diukurdapat digunakan untukmenentukan besaran-besaranfisis yang lain maka jumlahpengukuran tersebutdikatakan sudah lengkap.Tidak semua peubah thermodinamik harusdiukur guna menentukan sifat sistem.sudah dapat menentukan statussistem, walaupun jumlah itu hanyasebagian dari seluruh besaran fisisyang menentukan status.26444

8/19/2012sistemJadi eksistensi sistem ditentukan oleh statusnya,sedangkan jumlah peubah yang perludiukur agar status sistem dapat ditentukantergantung dari sistem itu sendiri.energi kinetikterkait gerak obyekEnergidapat dikonversi timbal balikenergi potensialterkait dengan posisi ataukondisi obyek.Pengukuran atau set pengukuranpeubah yang menentukan statustersebut harus dilakukan dalam kondisikeseimbanganKeseimbangan sistem tercapai apabila semua peubahyang menetukan sifat sistem tidak lagi berubah.265Energi Internal SistemEnergi internal, E, adalah sejumlah energi yangmerupakan besaran intrinsik suatu sistem yang beradadalam keseimbangan thermodinamisPerubahan nilai suatu fungsi status hanyatergantung dari nilai awal dan nilai akhirdan tidak tergantung dari alur perubahandari status awal menuju status akhirEnergi internal merupakan fungsi status266PanasPanas adalah salah satu bentuk energiPada sistem tertutup, panas dapat menembus bidangbatas bila antara sistem dan lingkungannya terdapatgradien temperatur.qsistemSejumlah panas dapat ditransferdari lingkungan ke sistemq′Sejumlah panas dapat ditransferdari sistem ke lingkunganPanas bukanlah besaran intrinsik sistem.Ia bisa masuk ke sistem dan juga bisa keluar dari sistem.q diberi tanda positif jika ia masuk ke sistemq diberi tanda negatif jika ia keluar dari sistem267KerjaKerja adalah bentuk energi yang ditranfer antara sistemdengan lingkungannya karena ada interaksi gaya antarasistem dan lingkungannya.sistemKerja, dengan simbol w, juga bukan besaran intrinsik sistem;bisa masuk ataupun keluar dari sistemw diberi tanda positif jika ia masuk ke sistemw diberi tanda negatif jika ia keluar dari sistemw268Hukum Thermodinamika Pertama atauHukum Kekekalan Energisistemsistem terisolasiEAKonservasi EnergiEnergi total sistem dan lingkungannya adalah terkonservasiEnergi tidak dapat hilang begitu saja ataupun diperoleh dari sesuatu yang tidakada; namun energi dapat terkonversi dari satu bentuk ke bentuk yang lainBstatusJika status sistem berubahmelalui alur (cara) perubahantertentu, maka energi internalsistem ini berubah.dan sistem kembali pada statussemula melalui alur perubahanyang berbeda energi internalakan kembali pada nilai awalnyaPerubahan neto dari energi internal adalah nol sebab jika tidak,akan menyalahi prinsip konservasi energi.269Perubahan energi internal, yang mengikutiterjadinya perubahan status sistem, tidaktergantung dari alur perubahan status tetapi hanyatergantung dari status awal dan status akhirSetiap besaran yang merupakan fungsibernilai tunggal dari status thermodinamikadalah fungsi status.Perubahan nilai hanya tergantungdari nilai awal dan nilai akhir27045

8/19/2012Apabila hanya tekanan atmosfer yang bekerja pada sistem, maka jika energipanas sebesar dq masuk ke sistem, energi internal sistem berubah sebesardE = dq − PdVtekanan atmosfer ≈ konstanMembuat P konstantidak sulit dilakukannamun membuat Vkonstan sangat sulitH ≡ E + PVenthalpiEnthalpi∆H= H akhir − H awalperubahan volume sistem→ kerja pada lingkungan PdVMaka dimunculkan peubah baru, yang sudahmemperhitungkan V , yang disebut enthalpiP dan V adalah peubah thermodinamikyang menentukan status sistem,sedangkan E adalah fungsi status, maka Hjuga fungsi bernilai tunggal dari statusH juga fungsi status271Contoh:Perubahan Enthalpi Pada Reaksi KimiaJika H akhir > H awal maka ∆H > 0→ Terjadi transfer energi ke sistem→ penambahan enthalpi pada sistem→ proses endothermisJika H akhir < H awal maka ∆H < 0→ Terjadi transfer energi ke lingkungan→ enthalpi sistem berkurang→ proses eksothermisDalam reaksi kimia, reagen (reactant) merupakan status awal sistem hasil reaksi merupakan status akhir sistem272Hukum HessApabila suatu reaksi kimia merupakan jumlah duaatau lebih reaksi, maka perubahan enthalpi totaluntuk seluruh proses merupakan jumlah dariperubahan enthalpi reaksi-reaksi pendukungnya.Hukum Hess merupakan konsekuensi dari hukumkekekalan energi.Hukum Hess terjadi karena perubahan enthalpi untuk suatureaksi adalah fungsi status, suatu besaran yang nilainyaditentukan oleh status sistem.Perubahan enthalpi yang terjadi baik pada proses fisikamaupun proses kimia tidak tergantung pada alur proses daristatus awal ke status akhirPerubahan enthalpi hanya tergantung pada enthalpi padastatus awal dan pada status akhir.Proses ReversibleJika suatu sistem bergeser dari status keseimbangannya, sistem inimenjalani suatu proses dan selama proses berlangsung sifat-sifat sistemberubah sampai tercapai keseimbangan status yang baru.Proses reversible merupakan suatu proses perubahan yang bebas daridesipasi (rugi) energi dan dapat ditelusur balik dengan tepat.Sulit ditemui suatu proses yang reversible namun jika proses berlangsungsedemikian rupa sehingga pergeseran keseimbangan sangat kecil makaproses ini dapat dianggap sebagai proses yang reversibleProses reversible dianggap dapat berlangsung dalam arah yangberlawanan mengikuti alur proses yang semula diikuti.Proses IrreversibleProses irreversible (tidak reversible) merupakan proses yang dalamperjalanannya mengalami rugi (desipasi) energi sehingga tidakmungkin ditelusur balik secara tepat.273274Teorema ClausiusDalam proses reversibledq∫≤ 0Tdq rev∫= 0TEntropidqProses reversible rev∫= 0TTanda ini menyatakan bahwa prosesberlangsung dalam satu siklusUntuk proses reversible yang berjalan tidak penuh satu siklus,melainkan berjalan dari status A ke status B dapat dituliskanDalam proses irreversibledq irrev∫< 0TBdqTrev∫=∫B AAdSq rev adalah panas yangmasuk ke sistem padaproses reversible.Proses reversible merupakan proses yang paling efisien,tanpa rugi (desipasi) energiProses irreversible memiliki efisiensi lebih rendah275Karena masuknya energi panas menyebabkan enthalpi sistemmeningkat sedangkan enthalpi merupakan fungsi status makadqrevdS = juga merupakan fungsi statusTS adalah peubah status yang disebutentropi27646

8/19/2012Proses reversible adalah yang paling efisienTak ada rugi energidqrev∫ >∫TdqirrevTdq rev > dq irrevAda rugi energiProses yang umum terjadi adalaqh proses irreversiblePanas dq yang kita berikan ke sistem pada umumnya adalah dq irrevmakadq < dq revDengan pemberian panas, entropi sistem berubah sebesar dS sistemdan sesuai dengan definisinya makadqrevdSsistem =Ttanpa mempedulikan apakahproses yang terjadireversible atau irreversibleDalam sistem tertutup, jika dq cukup kecil maka pergeseran statusyang terjadi di lingkungan akan kembali ke status semula. Denganmengabaikan perubahan-perubahan kecil lain yang mungkin jugaterjadi, proses di lingkungan dapat dianggap reversible. Perubahanentropi lingkungan menjadiPerubahan entropi neto−dqdS lingkungan =Tdqrev− dqdSneto= dS sistem + dSlingkungan= ≥ 0Tyang akan bernilai positif jika proses yang terjadi adalah prosesirreversible karena dalam proses irreversible dq < dq revProses reversible hanya akan terjadi jika dS neto = 0277278Hukum Thermodinamika KeduaSuatu proses spontan adalah proses yang terjadi secara alamiah.Proses ini merupakan proses irreversible, karena jika tidak prosesspontan tidak akan terjadi.Karena proses spontan adalah proses irreversible dimana dS neto > 0 maka dalam proses spontan total entropiselalu bertambah.Ini adalah pernyataan Hukum Thermodinamika KeduaKita ingat bahwa proses reversible adalahproses yang hampir tidak bergeser darikeseimbangannya atau dengan kata lain tidakada perubahan yang cukup bisa diamati. Olehkarena itu proses spontan tidak mungkinreversible atau selalu irreversible.279Hukum Thermodinamika Ke-tigadqrevdS =TAtas usulan Planck, Nernst pada 1906 menyatakan bahwa padatemperatur 0 K entropi dari semua sistem harus sama. Konstantauniversal ini di-set sama dengan nol sehinggaST =0 = 0Persamaan ini biasa disebut sebagai Hukum Thermodinamika Ke-tigaPersamaan ini memungkinkan dilakukannyaperhitungan nilai absolut entropi dari suatu sistemdengan membuat batas bawah integrasi adalah 0 K.Dengan mengingat relasidq = C P dT,maka entropi S pada temperaturT dari suatu sistem adalahkapasitas panas pada tekanan konstan=∫T C pS(T)d τ0 τ280Proses reaksi dari beberapa reagen menghasilkan hasil reaksi.Apabila A+B tetap dominanterhadap C dalam waktuyang lama, maka disebutreaksi nonspontandiperlukan upaya tertentu agardiperoleh C yang dominanA + B → CJika C dominan terhadap A+Bdalam waktu yang tidak lama,maka reaksi tersebut disebutreaksi spontanReaksi spontan disebut juga product-favored reactionReaksi nonspontan disebut juga reactant-favored reactionPada umumnya, reaksi eksothermis yang terjadi pada temperatur kamar adalahreaksi spontan.Energi potensial yang tersimpan dalam sejumlah (relatif) kecil atom / molekul reagenmenyebar ke sejumlah (relatif) besar atom / molekul hasil reaksi dan atom / molekullingkungannya.Penyebaran energi lebih mungkin terjadi daripada pemusatan (konsentrasi) energi.281Di samping energi, materi yang sangat terkonsentrasi jugacenderung untuk menyebarDengan demikian ada dua cara untuk suatu sistemmenuju kepada status yang lebih mungkin terjadi, yaitu1). melalui penyebaran energi ke sejumlah partikelyang lebih besar;2). melalui penyebaran partikel sehingga susunanpartikel menjadi lebih acak.Dengan dua cara tersebutada empat kemungkinan prosesyang bisa terjadi28247

8/19/2012a). Jika reaksi adalah eksothermis dan susunan materi menjadi lebih acak, maka reaksiini merupakan reaksi spontan pada semua temperatur.b). Jika reaksi adalah eksothermis tetapi susunan materi menjadi lebih teratur,maka reaksi ini cenderung merupakan reaksi spontan pada suhu kamar akantetapi menjadi reaksi nonspontan pada temperatur tinggi. Hal ini berarti bahwapenyebaran energi dalam proses terjadinya reaksi kimia lebih berperandibandingkan dengan penyebaran partikelc). Jika reaksi adalah endothermis dan susunan materi menjadi lebih acak, makareaksi ini cenderung merupakan reaksi nonspontan pada temperatur kamar tetapicenderung menjadi spontan pada temperatur tinggi.d). Jika reaksi adalah endothermis dan susunan materi menjadi lebih teratur, makatidak terjadi penyebaran energi maupun penyebaran partikel yang berarti prosesreaksi cenderung nonspontan pada semua temperatur.Karena reaksi spontan merupakan proses irreversible di manaterjadi kenaikan entropi maka kenaikan entropi menjadi pulaukuran/indikator penyebaran partikelKapasitas Panas dan Nilai Absolut Entropi3C P = a + b ×10 − TKonstanta Untuk Menetukan Kapasitas Panas Padatancal/mole/K [12].Material a b Rentang Temperatur KAg 5,09 2,04 298 – titik lelehAgBr 7,93 15,40 298 – titik lelehAgCl 14,88 1,00 298 – titik lelehSiO 2 11,22 8,20 298 – 848Entropi Absolut Pada Kondisi Standarcal/mole derajat [12]Material S Material SAg 10.20 ± 0,05 Fe 6,49 ± 0,03Al 6,77 ± 0,05 Ge 10,1 ± 0,2Au 11,32 ± 0,05 Grafit 1,361 ± 0,005Intan 0,583 ± 0,005 Si 4,5 ± 0,05283284Energi Bebas(free energies)Kelvin memformulasikan bahwa pada umumnya alam tidakmemperkenankan panas dikonversikan menjadi kerja tanpadisertai oleh perubahan besaran yang lain.Kalau formulasi Kelvin ini kita bandingkan dengan pernyataanHukum Thermodinamika Ke-dua, maka besaran lain yangberubah yang menyertai konversi panas menjadi kerja adalahperubahan entropi.Perubahan neto entropi, yang selalu meningkat dalam suatuproses, merupakan energi yang tidak dapat diubah menjadikerja, atau biasa disebut energi yang tak dapat diperoleh(unavailable energy).Sesuai Hukum Thermodinamika Pertama, jika kita masukkanenergi panas ke dalam sistem dengan maksud untukmengekstraknya menjadi kerja maka yang bisa kita perolehdalam bentuk kerja adalah energi yang masuk ke sistemdikurangi energi yang tak bisa diperoleh, yang terkait denganentropi.Karena mengubah energi menjadi kerja adalah prosesirreversible, sedangkan dalam proses irreversible entropi selalumeningkat, maka energi yang tak dapat diperoleh adalahtemperaturTSentropiEnergi yang bisa diperoleh disebut energi bebas yangdiformulasikan oleh Helmholtz sebagaiA ≡ E − TSHemholtz Free Energy285286Hemholtz Free EnergyA ≡ E − TSdA ≡ dE − TdS − SdTdA = dq − dw − dqrev − SdTJika temperatur konstan dan tidak ada kerja yang dilakukan olehsistem pada lingkungan maupun dari lingkungan pada sistem, makadA = dq − dqw,TrevKarena dq ≤ dqrevdA ≤ 0w,TJadi pada proses isothermal di mana tidak ada kerja, energibebas Helmholtz menurun dalam semua proses alamiah danmencapai nilai minimum setelah mencapai keseimbangan287Gibbs mengajukan formulasi energi bebas, yang selanjutnya disebutenergi bebas Gibbs (Gibbs Free Energy), G, dengan memanfaatkandefinisi enthalpitekanan atmosferdw = PdVGibbs Free EnergyG ≡ H − TS = E + PV − TSdG = dE + PdV + VdP − TdS − SdT= dq − dw + PdV + VdP − dqrev − SdTdG = dq + VdP − dqrev − SdTJika tekanan dan temperatur konstan (yang tidak terlalu sulit untukdilakukan), makadG = dq − dqP,TrevJadi jika temperatur dan tekananPada proses irreversible dG ≤ 0P,T dibuat konstan, energi bebasGibb mencapai minimum padakondisi keseimbangan28848

8/19/2012Pengertian-PengertianFasaFasa adalah daerah materi dari suatu sistem yang secara fisis dapatdibedakan dari daerah materi yang lain dalam sistem tersebutAntara fasa dengan fasa dapat dipisahkan secara mekanisFasa memiliki struktur atom dan sifat-sifat sendiriKita mengenalsistem satu-fasa & sistem multi-fasaHomogenitasDalam keseimbangan, setiap fasa adalah homogen289Komponen SistemKomponen sistem adalah unsur atau senyawayang membentuk satu sistem.Kita mengenalsistem komponen-tunggal & sistem multi-komponen.290Diagram KeseimbanganDiagram keseimbangan merupakan diagram di mana kitabisa membaca fasa-fasa apa saja yang hadir dalamkeseimbangan pada berbagai nilai peubah thermodinamikDerajat KebebasanDerajat kebebasan (degree of freedom) didefinisikansebagai jumlah peubah thermodinamik yang dapatdivariasikan secara tidak saling bergantungan tanpamengubah jumlah fasa yang berada dalam keseimbangan.Larutan PadatAtom atau molekul dari satu komponen terakomodasi di dalamstruktur komponen yang lainLarutan padat bisa terjadi secarasubsitusionalinterstisialDerajat kelarutanBerbagai derajat kelarutan bisa terjadiDua komponen dapat membentuk larutan menyeluruh (salingmelarutkan) jika status keseimbangan thermodinamik dari sembarangkomposisi dari keduanya membentuk sistem satu fasa.Hanya larutan substitusional yang dapat mencapai keadaan ini.291292Kaidah Hume-RotheryAgar larutan padat dapat terjadi:Perbedaan ukuran atom pelarut dan atom terlarut < 15%.Struktur kristal dari komponen terlarut sama dengankomponen pelarut.Elektron valensi zat terlarut dan zat pelarut tidak berbedalebih dari satu.Elektronegativitas zat terlarut dan pelarut kurang-lebihsama, agar tidak terjadi senyawa sehingga larutan yangterjadi dapat berupa larutan satu fasa.H AAPada reaksi kimia:Jika H akhir > H awal → ∆H > 0 → penambahan enthalpi pada sistem(endothermis)Jika H akhir < H awal enthalpi sistem berkurang (eksothermis).Dalam peristiwa pelarutan terjadi hal yang mirip yaitu perubahanenthalpi bisa negatif bisa pula positifH larutanx BH BBEnthalpi LarutanH AAH larutanx BH BBH AAH larutanx BH BB293H larutan < sebelumpelarutan untuksemua komposisiH larutan = sebelumpelarutan; inikeadaan idealH larutan > sebelumpelarutan untuksemua komposisi29449

8/19/2012Entropi LarutanEntropi dalam proses irreversible akan meningkat.→ entropi larutan akan lebih tinggi dari entropi masing-masing komponensebelum larutan terjadi, karena pelarutan merupakan proses irreversible.→ jika S A adalah entropi komponen A tanpa kehadiran B, dan S B adalah entropikomponen B tanpa kehadiran A, makaEnergi Bebas LarutanLarutan satu fasa yang stabil akan terbentuk jika dalam pelarutan ituterjadi penurunan energi bebas.H larutanHH BBH larutanH AAH AASS BSx BBx BBS AAS 0A Bx Bentropi sesudah pelarutan >sebelum pelarutanBSx BEntropi pelarutanSesudah − Sebelum295GHH larutanG larutanG = H − TSAx 1 BA x 1xx 2 Bx BBLarutan satu fasaLarutan multifasaantara komposisix 1 dan x 2GαG larutanα+ββ296Kaidah Fasa dari GibbsDiagram Keseimbangan FasaJumlah fasa yang hadirdalam keseimbangandalam satu sistemF + D = K + 2jumlah derajat kebebasanjumlah minimum komponenyang membentuk sistemSistem satu-fasa (F = 1) komponen tunggal (K = 1) yang dlamkeseimbangan akan memiliki 2 derajat kebebasan.Sistem dua fasa (F = 2) komponen tunggal (K = 1) yang dalamkeseimbangan memiliki 1 derajat kebebasan.Sistem tiga fasa (F = 3) komponen tunggal (K = 1) yang dalamkeseimbangan akan berderajat kebebasan 0 dan invarian.Sistem Komponen Tunggal : H 2 OKarena K = 1 maka komposisi tidak menjadi peubahTAuapaDcF + D = K + 2bpadatBcairCF = 1→ D = 2Derajat KebebasanD = 2yaitu tekanan (P) dantemperatur (T)P297298Sistem Komponen Tunggal : H 2 OTitik TripelF = 3→ D = 0invarianTAuapaF + D = K + 2DcbpadatBcairPCF = 2→ D = 1Derajat KebebasanD = 1yaitutekanan : Patautemperatur : TAlotropi (allotropy)Alotropi: keberadaan satu macam zat (materi) dalam dua ataulebih bentuk yang sangat berbeda sifat fisis maupun sifatkimianya.perbedaan struktur kristal,perbedaan jumlah atom dalam molekul,perbedaan struktur molekul.1539T o C1400910≈≈uapABesiC δ (BCC)Bγ (FCC)α (BCC)cair10 -12 10 -8 10 -4 1 10 2 atm29930050

8/19/2012Kurva PendinginanT o Ccair cair+δ1539δ (BCC) δ + γ1400T [ o C]15391400caircair+δδ (BCC)δ + γEnergi BebasG = H − TSH ≡ E + PV=∫T C pS(T)d τ0 τ3C P = a + b ×10 − Tγ (FCC)γ (FCC)Besi910≈≈γ + αα (BCC)t910≈α (BCC)γ + αGBCCFCCBCCtemperatur konstan padawaktu terjadi peralihan910 1400 1539T [ o C]301302Sistem Biner Dengan Kelarutan SempurnaF + D = K + 2Sistem Biner Dengan Kelarutan TerbatasDiagram Eutectic BinerTKarena K = 2 maka komposisi menjadi peubahabcdT AT Btitik leleh ATTaCair (L)Btitik leleh BT AbcL+βαα+LT eβd eα+βa)Ax 1 x 2 x 3x BPlot komposisiper komposisiBb)Ax cf x ca x 0 x pf x pax BPerubahan komposisi kontinyuBAx αx α1 x αe x 0 x c x e x βex BB303304Sistem Biner Dengan Kelarutan TerbatasDiagram Peritectic Binertitik leleh ATT Aabα + Lcαcair (L)β + LT Bα + ββAx Bα1 x αp x 0 x βp x lpx BpT ptitik leleh B305 30651

8/19/2012Difusi adalah peristiwa di mana terjaditranfer materi melalui materi lain.Transfer materi ini berlangsung karenaatom atau partikel selalu bergerak olehagitasi thermal. Walaupun sesungguhnyagerak tersebut merupakan gerak acak tanpaarah tertentu, namun secara keseluruhanada arah neto dimana entropi akanmeningkatproses irreversible307308Kondisi Mantapmateri masuk dix a C aAnalisis Matematismateri keluar di xKondisi Transienmateri masuk di x aC ax a∆xxdCJ x = −DdxC xD adalah koefisiendifusi, dC/dx adalahvariasi konsentrasidalam keadaanmantap di mana C0dan Cx bernilaikonstanx at 1t=0t 2∆xdC x ∂J= − ∆x=dt ∂xddxC x2C x1C x0 =0x⎡⎢D⎣materi keluar di xdC x ⎤dx⎥⎦Ini merupakanHukum Fick Pertama309Ini merupakan Hukum Fick Ke-dua2Jika D tidak tergantung dCpada konsentrasi maka x d Cx= Ddt2dx310Persamaan ArrheniusKoefisien DifusiPersamaan Arrhenius adalah persamaanyang menyangkut laju reaksi−Q/ RTL r = keDari hasil eksperimen diketahuibahwa koefisien difusi DQ / RTD = D0e−Q : energi aktivasi (activation energy),R : gas (1,98 cal/mole K),T : temperatur absolut K,k : konstanta laju reaksi (tidaktergantung temperatur).berbentuk sama sepertpersamaan Arrheniuspermukaan1. Difusi VolumeDifusi volume (volume diffusion) adalahtransfer materi menembus volume materi lain2. Difusi Bidang Batas 3. Difusi Permukaanbidang batas butiranMacam DifusipermukaanretakanD permukaan > Dbidang batas > Dvolume31131252

8/19/2012Efek Hartley-KirkendallEfek Hartley-Kirkendal menunjukkan bahwa difusi timbal balik dalamalloy biner terdiri dari dua jenis pergerakan materi yaituA menembus B danB menembus A.Analisis yang dilakukan oleh Darken menunjukkan bahwa dalamproses yang demikian ini koefisien difusi terdiri dari dua komponenyang dapat dinyatakan denganD = X BDA+ X ADBX A dan X B adalah fraksi molar dari A dan B,D A adalah koefisien difusi B menembus A,D B adalah koefisien difusi A menembus BDifusi dan Ketidaksempurnaan KristalKekosongan posisi pada kristal hadir dalam keseimbangan thermodinamisPadatan menjadi “campuran” antara “kekosongan” dan “isian”.jumlah posisi kosongtotal seluruh posisiN v −Ev/ kT= eN0− NvSebagai gambaran, E v = 20 000 cal/mole,energi yang diperlukan untukmembuat satu posisi kosong→ pada 1000K ada satu kekosongan dalam 105 posisi atom.313314Dalam kenyataan padatan mengandung pengotoran yang dapatmelipatgandakan jumlah kekosongan, → mempermudah terjadinya difusi.Ketidak-sempurnaan Frenkel dan Schottky tidak mengganggu kenetralan listrik,dan kristal tetap dalam keseimbangan thermodinamis.Selain migrasi kekosongan, migrasi interstisial dapat terjadi apabilaatom materi yang berdifusi berukuran cukup kecil dibandingkan denganukuran atom material yang ditembusnyak d = 1 untuk ion interstisialk d > 1 untuk kekosonganKetidak-sempurnaan mana yang akan terjaditergantung dari besar energi yang diperlukanuntuk membentuk kation interstisial ataukekosongan anion.Pada kristal ionik konduktivitas listrik padatemperatur tinggi terjadi karena difusi ion danhampir tidak ada kontribusi elektron. Olehkarena itu konduktivitas listrik sebandingdengan koefisien difusi.⎡ 2Cdq⎤σdd = k d ⎢ ⎥ Dd⎢⎣kT ⎥⎦konsentrasi ketidak-sempurnaan31553

8/19/2012Oksidasi : reaksi kimia di mana oksigen tertambahkan pada unsur lainUnsur yang menyebabkan terjadinya oksidasi disebut unsur pengoksidasi.Reaksi reduksi : reaksi di mana oksigen dilepaskan dari suatu senyawaUnsur yang menyebabkan terjadinya reduksi disebut unsur pereduksi.OksidasiReaksi redoks (redox reaction): reaksi dimana satu materi teroksidasidan materi yang lain tereduksi.Tidak semua reaksi redoks melibatkan oksigen. Akan tetapisemua reaksi redoks melibatkan transfer elektronReagen yang kehilangan elektron,dikatakan sebagai teroksidasiReagen yang memperoleh elektron,dikatakan sebagai tereduksi319Berikut ini kita akan melihat peristiwa oksidasimelalui pengertian thermodinamika.320Proses OksidasiKecenderungan metal untuk bereaksi dengan oksigen didorong olehpenurunan energi bebas yang mengikuti pembentukan oksidanyaEnergi Bebas Pembentukan Oksida pada 500K dalam Kilokalori.[12].Kalsium -138,2 Hidrogen -58,3Magnesium -130,8 Besi -55,5Aluminium -120,7 Kobalt -47,9Titanium -101,2 Nikel -46,1Natrium -83,0 Tembaga -31,5Chrom -81,6 Perak +0,6Zink -71,3 Emas +10,5Kebanyakan unsur yang tercantum dalam tabel ini memiliki energibebas pembentukan oksida bernilai negatif, yang berarti bahwaunsur ini dengan oksigen mudah berreaksi membentuk oksidaLapisan Permukaan MetalEnergi bebas untuk pembentukan oksida pada perak dan emas bernilaipositif. Unsur ini tidak membentuk oksida.Namun material ini jika bersentuhan dengan udara akan terlapisi olehoksigen; atom-atom oksigen terikat ke permukaan material ini denganikatan lemah van der Waals; mekanisme pelapisan ini disebut adsorbsi.Pada umumnya atom-atom di permukaan material membentuklapisan senyawa apabila bersentuhan dengan oksigen. Senyawadengan oksigen ini benar-benar merupakan hasil proses reaksikimia dengan ketebalan satu atau dua molekul; pelapisan inimungkin juga berupa lapisan oksigen satu atom yang disebutkemisorbsi (chemisorbtion).321322Rasio Pilling-BedworthLapisan oksida di permukaan metal bisa berpori (misalnya dalam kasusnatrium, kalium, magnesium) bisa pula rapat tidak berpori (misalnyadalam kasus besi, tembaga, nikel).Muncul atau tidak munculnya pori pada lapisan oksida berkorelasi denganperbandingan volume oksida yang terbentuk dengan volume metal yangteroksidasi. Perbandingan ini dikenal sebagai Pilling-Bedworth Ratio:volume oksida M=volume metal Dam=dMdamDM : berat molekul oksida (dengan rumus M a O b ),D : kerapatan oksida,a : jumlah atom metal per molekul oksida,m : atom metal,d : kerapatan metal.Jika < 1, lapisan oksida yang terbentuk akan berpori.Jika ≈ 1 , lapisan oksida yang terbentuk adalah rapat, tidak berpori.Jika >> 1, lapisan oksida akan retak-retak.323Penebalan Lapisan Oksidaa). Jika lapisan oksida yang pertama-tama terbentuk adalah berpori, makamolekul oksigen bisa masuk melalui pori-pori tersebut dan kemudianbereaksi dengan metal di perbatasan metal-oksida. Lapisan oksidabertambah tebal.Situasi ini terjadi jika rasiovolume oksida-metal kurang darisatu. Lapisan oksida ini bersifatnon-protektif, tidak memberikanperlindungan pada metal yangdilapisinya terhadap prosesoksidasi lebih lanjut.metaldaerah terjadinyaoksidasi lebih lanjutlapisan oksidaberporioksigen menembuspori-pori32454

8/19/2012b). Jika lapisan oksida tidak berpori, ion metal bisa berdifusi menembuslapisan oksida menuju bidang batas oksida-udara; dan di perbatasanoksida-udara ini metal bereaksi dengan oksigen dan menambah teballapisan oksida yang telah ada.Proses oksidasi berlanjut dipermukaan. Dalam hal inielektron bergerak dengan arahyang sama agar pertukaranelektron dalam reaksi ini bisaterjadi.metalM +elapisan oksidatidak berporiIon logam berdifusimenembus oksidaElektron bermigrasi darimetal ke permukaanoksidadaerah terjadinya oksidasi lebih lanjut325c). Jika lapisan oksida tidak berpori, ion oksigen dapat berdifusi menujubidang batas metal-oksida dan bereaksi dengan metal di bidang batasmetal-oksida.Elektron yang dibebaskandari permukaan logam tetapbergerak ke arah bidangbatas oksida-udara. Prosesoksidasi berlanjut diperbatasan metal-oksida.metalelapisan oksidatidak berporiIon oksigen berdifusiO −2 menembus oksidaElektron bermigrasi darimetal ke permukaanoksida326daerah terjadinya oksidasi lebih lanjutd). Mekanisme lain yang mungkin terjadi adalah gabungan antara b) dan c)di mana ion metal dan elektron bergerak ke arah luar sedang ion oksigenbergerak ke arah dalam. Reaksi oksidasi bisa terjadi di dalam lapisanoksida.Terjadinya difusi ion, baik ion metal maupun ion oksigen,memerlukan koefisien difusi yang cukup tinggi. Sementaraitu gerakan elektron menembus lapisan oksida memerlukankonduktivitas listrik oksida yang cukup tinggi pula. Olehkarena itu jika lapisan oksida memiliki konduktivitas listrikrendah, laju penambahan ketebalan lapisan juga rendahkarena terlalu sedikitnya elektron yang bermigrasi dari metalmenuju perbatasan oksida-udara yang diperlukan untukpertukaran elektron dalam reaksi.Jika koefisien difusi rendah, pergerakan ion metal ke arahperbatasan oksida-udara akan lebih lambat dari migrasielektron. Penumpukan ion metal akan terjadi di bagian dalamlapisan oksida dan penumpukan ion ini akan menghalangi difusiion metal lebih lanjut. Koefisien difusi yang rendah dankonduktivitas listrik yang rendah dapat membuat lapisan oksidabersifat protektif, menghalangi proses oksidasi lebih lanjut.327Laju Penebalan Lapisan OksidaJika lapisan oksida berpori dan ion oksigen mudah berdifusi melaluilapisan oksida ini, maka oksidasi di permukaan metal (permukaan batasmetal-oksida) akan terjadi dengan laju yang hampir konstan. Lapisanoksida ini nonprotektif.Jika x : ketebalan lapisan oksida makadx = k 1 dan x = k 1 t + k 2dtJika lapisan oksida bersifat protektif, transfer ion dan elektron masihmungkin terjadi walaupun dengan lambat. Dalam keadaan demikian inikomposisi di kedua sisi permukaan oksida (yaitu permukaan batas oksidametaldan oksida-udara) bisa dianggap konstan. Kita dapatmengaplikasikan Hukum Fick Pertama, sehinggadx k= 3 dan 2x = k3t+ k4dt x328Jika lapisan oksida bersifat sangat protektif dengan konduktivitas listrikyang rendah, makax = Alog( Bt + C)A, B, dan C adalah konstan. Kondisi ini berlaku jika terjadi pemumpukanmuatan (ion, elektron) yang dikenal dengan muatan ruang, yangmenghalangi gerakan ion dan elektron lebih lanjut.Oksidasi SelektifOksidasi Selektif. Oksidasi selektif terjadi pada larutan biner metal dimana salah satu metal lebih mudah teroksidasi dari yang lain. Peristiwaini terjadi jika salah satu komponen memiliki energi bebas jauh lebihnegatif dibanding dengan komponen yang lain dalam pembentukanoksida. Kehadiran chrom dalam alloy misalnya, memberikan ketahananlebih baik terhadap terjadinya oksidasiAgar lapisan oksida menjadi protektif, beberapa hal perlu dipenuhi olehlapisan ini.Ia tak mudah ditembus ion, sebagaimana;Ia harus melekat dengan baik ke permukaan metal; adhesivitas antaraoksida dan metal ini sangat dipengaruhi oleh bentuk permukaanmetal, koefisien muai panjang relatif antara oksida dan metal, lajukenaikan temperatur relatif antara oksida dan metal; temperatursangat berpengaruh pada sifat protektif oksida.Ia harus nonvolatile, tidak mudah menguap pada temperatur kerja danjuga harus tidak reaktif dengan lingkungannya.329Oksidasi Internal. Dalam alloy berbahan dasar tembaga dengankandungan alluminium bisa terjadi oksidasi internal dan terbentuk Al 2 O 3dalam matriksnya. Penyebaran oksida yang terbentuk itu membuatmaterial ini menjadi keras.Oksidasi Intergranular. Dalam beberapa alloy oksidasi selektif di bidangbatas antar butiran terjadi jauh sebelum butiran itu sendiri teroksidasi.Peristiwa in membuat berkurangnya luas penampang metal yangmenyebabkan penurunan kekuatannya.Oksidasi selektif bisa memberi manfaat bisa pula merugikan.33055

8/19/2012Korosi Karena Perbedaan Metal ElektrodaPeristiwa korosi ini merupakan peristiwa elektro-kimia, karena ia terjadijika dua metal berbeda yang saling kontak secara listrik berada dalamlingkungan elektrolithubungan listrikperbedaan ∆G yang terjadi apabila kedua metalterionisasi dan melarutkan ion dari permukaanmasing-masing ke elektrolit dalam jumlah yangekivalen+ m + nM1 + ( n / m)M2→ M1+ ( n / m)M2anodaM 1 M 2elektrolit+nM 1+mM 2katodaJika ∆G < 0 → M 1 → elektron → mereduksi ion M 2→ M 1 mengalami korosiBeda tegangan muncul antara M 1 dan M 23323311 mole metal mentransfer 1 mole elektron ≈ 96.500 coulombAngka ini disebut konstanta Faraday, dan diberi simbol F.perubahan energi bebas∆G = −nVFperubahan G adalah negatif jika tegangan V positif+ m + nReaksi M1 + ( n / m)M2→ M1+ ( n / m)M2dapat dipandang sebagai dua kali setengah-reaksidengan masing-masing setengah-reaksi adalah→+ n + ne−M1 M 1dengan+ m −M2 → M 2 + me dengantegangan antara M1 dan M2(dalam volt)∆G1 = −nV 1 F∆G2 = −nV 2 F333Deret emf Deret emf pada 25 o C, volt. [12].Dengan pandangan setengahreaksi, tegangan antaraanoda M 1 dan katoda M 2dapat dinyatakan sebagaijumlah dari potensialsetengah reaksi. Potensialsetengah reaksi membentukderet yang disebut deret emf(electromotive force series).basisReaksi ElektrodaPotensial ElektrodaNa→Na + + e − + 2,172Mg→Mg +2 + 2e − + 2,34Al→Al +3 + 3e − + 1,67Zn→Zn +2 + 2e − + 0,672Cr→Cr +3 + 3e − + 0,71Fe→Fe +2 + 2e − + 0,440Ni→Ni +2 + 2e − + 0,250Sn→Sn +2 + 2e − + 0,136Pb→Pb +2 + 2e − + 0,126H 2 →2H + + 2e − 0,000Cu→Cu +2 + 2e − − 0,345Cu→Cu + + e − − 0,522Ag→Ag + + e − − 0,800Pt→Pt +2 + 2e − − 1,2Au→Au +3 + 3e − − 1,42Au→Au + + e − − 1,68334Korosi Karena Perbedaan Konsentrasi Ion Dalam Elektrolitdua metal samatercelup dalam elektrolit dengan konsentrasiberbedaG per mole tergantung dari konsentrasi larutan.membran untuk memisahkan elektrolit di mana anodatercelup dengan elektrolit di mana katoda tercelupagar perbedaan konsentrasi dapat dibuatanoda membranFe FeFe +2 Fe +2katodaAnoda melepaskan ion daripermukaannya ke elektrolit danmemberikan elektronmereduksi ion pada katodaDalam praktik, tidak harus ada membranPerbedaan kecepatan aliran fluida pada suatu permukaanmetal dapat menyebabkan terjadinya perbedaankonsentrasi ion pada permukaan metal tersebutContohfluidacakramlogamberputarKecepatan fluida di bagian tengahcakram lebih rendah dari bagianpinggirnyaKonsentrasi ion di bagian tengahlebih tinggi dibandingkan denganbagian pinggirBagian pinggir akan menjadi anodadan mengalami korosi33533656

8/19/2012Korosi Karena Perbedaan Kandungan Gas Dalam Elektrolitanoda membran katodaFe FeElektrolit bersifat asamion hidrogen pada katodaakan ter-reduksiH hasil reduksi menempel danmelapisi permukaan katoda;terjadilah polarisasi pada katoda.Polarisasi menghambat prosesselanjutnya dan menurunkan V.Namun pada umumnya atomhidrogen membentuk molekul gashidrogen dan terjadi depolarisasikatoda.Apabila ion yang tersedia untuk proses sangatminim, kelanjutan proses yang terjaditergantung dari keasaman elektrolitO 2 O 2 Elektrolit bersifat basa atau netralOH − terbentuk dari oksigen yangterlarut dan airterjadi reaksi− −O2+ 2H 2O+ 4e → 4OH→ konsentrasi oksigen menurun→ konsentrasi ion OH − di permukaankatoda meningkat→ terjadi polarisasi katoda → transferelektron dari anoda ke katoda menurundan V juga menurunDepolarisasi katoda dapat terjadi jikakandungan oksigen di sekitar katodabertambah melalui penambahanoksigen dari luar337Breather valveDalam praktik, perbedaan kandungan oksigen initerjadi misalnya pada fluida dalam tangki metalPermukaan fluida bersentuhan langsung denganudara sehingga terjadi difusi gas melaluipermukaan fluida.Kandungan oksigen di daerah permukaanmenjadi lebih tinggi dari daerah yang lebih jauhdari permukaanDinding metal di daerah permukaan fluida akanmenjadi katodasedangkan yang lebih jauh akan menjadi anoda338Korosi Karena Perbedaan StressYang mendorong terjadinya korosi adalah perubahan energi bebasApabila pada suhu kamar terjadi deformasi pada sebatang logam (didaerah plastis), bagian yang mengalami deformasi akan memilikienergi bebas lebih tinggi dari bagian yang tidak mengalamideformasi.Bagian metal di mana terjadi konsentrasi stress akan menjadi anodadan bagian yang tidak mengalami stress menjadi katoda.Kondisi Permukaan ElektrodaProses korosi melibatkan aliran elektron, atau arus listrik.Jika permukaan katoda lebih kecil dari anoda, maka kerapatan aruslistrik di katoda akan lebih besar dari kerapatan arus di anoda.Keadaan ini menyebabkan polarisasi katoda lebih cepat terjadi danmenghentikan aliran elektron; proses korosi akan terhenti.Jika permukaan anoda lebih kecil dari katoda, kerapatan arus dipermukaan katoda lebih kecil dari kerapatan arus di anoda. Polarisasikatoda akan lebih lambat dan korosi akan lebih cepat terjadi.Terbentuknya oksida yang bersifat protektif akan melindungi metalterhadap proses oksidasi lebih lanjut. Lapisan oksida ini juga dapatmelindungi metal terhadap terjadinya korosi.Ketahanan terhadap korosi karena adanya perlindungan oleh oksidadisebut pasivasi. Pasivasi ini terjadi karena anoda terlindung olehlapisan permukaan yang memisahkannya dari elektrolit. Namunapabila lingkungan merupakan pereduksi, lapisan pelindung dapattereduksi dan metal tidak lagi terlindungi.339340TentangKarbon dan Ikatan KarbondanSenyawa Hidrokarbondapat dibaca dalam BukuMengenal Sifat MaterialMudah-Mudahan Bermanfaat34134257