11.6 Jenis Kristal

Struktur dan sifat kristal, seperti titik leleh, kerapatan, dan kekerasan, ditentukan oleh jenis-jenis kekuatan yang menyatukan partikel. Kristal dapat diklasifikasikan ke dalam salah satu dari empat jenis ini, yaitu: kristal ionik, kristal kovalen, kristal molekul, atau kristal logam.

Gambar 11.25 Hubungan antara jari-jari ion Na⁺ dan Cl⁻ dan dimensi sel satuan. Di sini panjang tepi sel sama dengan dua kali jumlah dua jari-jari ionik.

Kristal Ionik

Kristal ionik memiliki dua karakteristik penting: (1) Tersusun dari spesi bermuatan dan (2) anion dan kation yang umumnya berukuran sangat berbeda. Mengetahui jari-jari ion sangat membantu dalam memahami struktur dan stabilitas senyawa ini. Tidak ada cara untuk mengukur jari-jari suatu ion, tetapi kadang-kadang dimungkinkan untuk menghasilkan perkiraan yang masuk akal. Sebagai contoh, jika diketahui jari-jari I₂ di KI sekitar 216 pm, maka dapat ditentukan jari-jari ion K⁺ di KI, dan dari situ, jari-jari Cl⁻ di KCl, dan seterusnya. Jari-jari ion pada Gambar 8.9 adalah nilai rata-rata yang diturunkan dari banyak senyawa berbeda. Mari kita perhatikan kristal NaCl, yang memiliki kisi kubus berpusat muka (lihat Gambar 2.13). Gambar 11.25 menunjukkan bahwa panjang tepi sel satuan NaCl adalah dua kali jumlah jari-jari ion Na⁺ dan Cl⁻. Dengan menggunakan nilai yang diberikan pada Gambar 8.9, dapat dihitung panjang tepi adalah 2 (95 + 181) pm, atau 552 pm. Tetapi panjang tepi yang ditunjukkan pada Gambar 11.25 ditentukan dengan difraksi sinar-X adalah 564 pm. Perbedaan antara kedua nilai ini memberi informasi bahwa jari-jari ion sebenarnya sedikit berbeda dari satu senyawa dengan senyawa lainnya.

Gambar 11.26 Struktur kristal (a) CsCl, (b) ZnS, dan (c) CaF₂. Dalam setiap gambar, kation adalah bola yang lebih kecil.

Gambar 11.26 menunjukkan struktur kristal tiga senyawa ionik: CsCl, ZnS, dan CaF₂. Karena Cs⁺ jauh lebih besar dari Na⁺, CsCl memiliki kisi kubus sederhana. ZnS memiliki struktur campuran seng, yang didasarkan pada kisi kubus berpusat muka. Jika ion S²⁻ menempati titik kisi, ion Zn²⁺ terletak seperempat dari jarak diagonal setiap badan. Senyawa ionik lain yang memiliki struktur campuran seng antara lain CuCl, BeS, CdS, dan HgS. CaF₂ memiliki struktur fluorit. Ion Ca²⁺ menempati titik kisi, dan setiap ion F⁻ dikelilingi secara tetrahedral oleh empat ion Ca²⁺. Senyawa SrF₂, BaF₂, BaCl₂, dan PbF₂ juga berstruktur fluorit.

Contoh 11.5 dan 11.6 menunjukkan cara menghitung jumlah ion dalam dan massa jenis sel satuan.

Contoh 11.5

Berapa ion Na⁺ dan Cl⁻ di setiap sel satuan NaCl?

Penyelesaian

NaCl memiliki struktur berdasarkan kisi kubus berpusat muka. Seperti yang ditunjukkan Gambar 2.13, satu ion Na⁺ utuh berada di tengah sel satuan, dan ada dua belas ion Na⁺ di tepinya. Karena setiap ion Na⁺ tepi dibagi oleh empat sel satuan [lihat Gambar 11.19 (b)], jumlah total ion Na⁺ adalah 1 + (12 x 1/4) = 4. Demikian pula, ada enam ion Cl⁻ di pusat muka dan delapan Ion Cl⁻ di sudut. Setiap ion berpusat muka dibagi oleh dua sel satuan, dan setiap ion sudut dibagi oleh delapan sel satuan [lihat Gambar 11.19 (a) dan (c)], sehingga jumlah total ion Cl⁻ adalah (6 x 1/2) + (8 x 1/8) = 4. Jadi, ada empat ion Na⁺ dan empat ion Cl⁻ di setiap sel satuan NaCl. Gambar 11.27 menunjukkan bagian ion Na⁺ dan Cl⁻ di dalam sel satuan.

Gambar 11.27 Porsi ion Na⁺ dan Cl⁻ dalam sel satuan kubus berpusat muka.

Pemeriksaan

Hasil ini sesuai dengan rumus empiris natrium klorida.

Latihan

Berapa banyak atom dalam kubus berpusat badan, dengan asumsi bahwa semua atom menempati titik kisi?

Contoh 11.6

Panjang tepi sel satuan NaCl adalah 564 pm. Berapa massa jenis NaCl dalam g/cm³?

Strategi

Untuk menghitung massa jenis, perlu diketahui massa sel satuan. Volume dapat dihitung dari panjang tepi yang diketahui karena V = a³. Berapa ion Na⁺ dan Cl⁻ dalam sel satuan? Berapa total massa dalam sma? Apa faktor konversi antara sma dan g dan antara pm dan cm?

Penyelesaian

Dari Contoh 11.5 diketahui bahwa ada empat ion Na⁺ dan empat ion Cl⁻ di setiap sel satuan. Jadi massa total (dalam sma) dari sel satuan adalah 

massa = 4 (22,99 sma + 35,45 sma) = 233,8 sma 

Mengubah sma menjadi gram, dapat ditulis

Volume sel satuan adalah V = a³ = (564 pm)³. Mengubah pm³ ke cm³, volumenya dihitung dengan

Terakhir, dari definisi massa jenis

Latihan

Tembaga mengkristal dalam kisi kubus berpusat muka (atom Cu hanya berada di titik kisi). Jika massa jenis logam adalah 8,96 g/cm³, berapa panjang tepi sel satuan dalam pm?

Sebagian besar kristal ionik memiliki titik leleh yang tinggi, yang menunjukkan kekuatan kohesif yang kuat yang menahan ion bersama. Ukuran stabilitas kristal ionik adalah energi kisi (lihat Bagian 9.3); semakin tinggi energi kisi, semakin stabil senyawa tersebut. Padatan ini tidak menghantarkan listrik karena ion-ionnya tetap pada posisinya. Akan tetapi, dalam keadaan cair (yaitu, ketika meleleh) atau dilarutkan dalam air, ion-ion bebas bergerak dan cairan yang dihasilkan menghantarkan listrik.

Kristal Kovalen

Dalam kristal kovalen, atom diikat bersama dalam jaringan tiga dimensi yang luas seluruhnya oleh ikatan kovalen. Contoh yang terkenal adalah dua alotrop karbon: intan dan grafit (lihat Gambar 8.17). Pada intan, setiap atom karbon dihibridisasi sp³; karbon terikat pada empat atom lain (Gambar 11.28). Ikatan kovalen yang kuat dalam tiga dimensi berkontribusi pada kekerasan berlian yang tidak biasa (ini adalah bahan terkeras yang diketahui) dan titik leleh yang sangat tinggi (3550°C). Dalam grafit, atom karbon tersusun dalam enam cincin beranggota. Atom semuanya hibridisasi sp²; setiap atom terikat secara kovalen dengan tiga atom lainnya. Orbital 2p tak terhibridisasi yang tersisa digunakan dalam ikatan pi. Faktanya, setiap lapisan grafit memiliki orbital molekul yang terdelokalisasi seperti yang terdapat dalam benzena (lihat Bagian 10.8). Karena elektron bebas bergerak dalam orbital molekul yang terdelokalisasi secara ekstensif ini, grafit adalah konduktor listrik yang baik untuk arah di sepanjang bidang atom karbon. Lapisan-lapisan tersebut disatukan oleh gaya van der Waals yang lemah. Ikatan kovalen dalam grafit memperhitungkan kekerasannya; namun, karena lapisannya dapat bergeser satu sama lain, grafit licin saat disentuh dan efektif sebagai pelumas. Ini juga digunakan pada pensil dan pita yang dibuat untuk printer komputer dan mesin ketik.

Gambar 11.28 (a) Struktur berlian. Setiap karbon terikat secara tetrahedral dengan empat atom karbon lainnya. (b) Struktur grafit. Jarak antara lapisan yang berurutan adalah 335 pm.

Kuarsa

Kristal kovalen lainnya adalah kuarsa (SiO₂). Susunan atom silikon dalam kuarsa mirip dengan karbon pada intan, tetapi dalam kuarsa terdapat atom oksigen di antara setiap pasangan atom Si. Karena Si dan O memiliki elektronegativitas yang berbeda, ikatan Si-O bersifat polar. Namun demikian, SiO₂ mirip dengan berlian dalam banyak hal, seperti kekerasan dan titik leleh tinggi (1610°C).

Kristal Molekul

Sulfur

Dalam kristal molekul, titik kisi ditempati oleh molekul, dan gaya tarik di antara keduanya adalah gaya van der Waals dan/atau ikatan hidrogen. Contoh kristal molekul adalah sulfur dioksida padat (SO₂), di mana gaya tarik yang dominan adalah interaksi dipol-dipol. Ikatan hidrogen antarmolekul terutama bertanggung jawab untuk menjaga kisi es tiga dimensi (lihat Gambar 11.12). Contoh lain dari kristal molekul adalah I₂, P₄, dan S₈.

Secara umum, kecuali dalam es, molekul dalam kristal molekul dikemas bersama sedekat mungkin dengan ukuran dan bentuknya. Karena gaya van der Waals dan ikatan hidrogen umumnya cukup lemah dibandingkan dengan ikatan kovalen dan ionik, kristal molekul lebih mudah dipecah daripada kristal ionik dan kovalen. Memang, sebagian besar kristal molekul meleleh pada suhu di bawah 100°C.

Krsital Logam

Dalam arti tertentu, struktur kristal logam adalah yang paling sederhana karena setiap titik kisi dalam kristal ditempati oleh atom dari logam yang sama. Kristal logam umumnya berbentuk kubus berpusat badan, kubus berpusat muka, atau heksagonal (Gambar 11.29). Akibatnya, unsur logam biasanya sangat padat.

Gambar 11.29 Struktur kristal logam. Logam-logam tersebut ditunjukkan posisinya di tabel periodik. Mn berstruktur kubus, Ga berstruktur ortorombik, In dan Sn berstruktur tetragonal, dan Hg berstruktur rombohedral (lihat Gambar 11.15).

Ikatan pada logam sangat berbeda dengan ikatan pada jenis kristal lainnya. Dalam logam, elektron ikatan terdelokalisasi di seluruh kristal. Nyatanya, atom logam dalam kristal dapat dibayangkan sebagai deretan ion positif yang tenggelam dalam lautan elektron valensi yang terdelokalisasi (Gambar 11.30). Gaya kohesif besar yang dihasilkan dari delokalisasi bertanggung jawab atas kekuatan logam. Mobilitas elektron yang terdelokalisasi membuat logam menjadi konduktor panas dan listrik yang baik.

Gambar 11.30 Penampang kristal logam. Setiap muatan positif yang dilingkari mewakili inti dan elektron bagian dalam dari atom logam. Area abu-abu yang mengelilingi ion logam positif menunjukkan lautan elektron valensi.

Tabel 11.4 merangkum sifat dari empat jenis kristal yang dibahas.

Tabel 11.4 Jenis Kristal dan Sifat Umumnya

Jenis Kristal	Gaya yang menyatukan	Sifat Umum	Contoh
Ionik	Tarik menarik elektrostatis	Keras, rapuh, titik leleh tinggi, konduktor panas dan listrik yang buruk	NaCl, LiF, MgO, CaCO₃
Kovalen	Ikatan kovalen	Keras, titik leleh tinggi, konduktor panas dan listrik yang buruk	C (berlian), SiO₂ (kuarsa)
Molekul	Gaya disperse, gaya dipol-dipol, ikatan hidrogen	Lunak, titik leleh rendah, konduktor panas dan listrik yang buruk	Ar, CO₂, I₂, H₂O, C₁₂H₂₂O₁₁ (sukrosa)
Logam	Ikatan logam	Lembut hingga keras, titik leleh rendah hingga tinggi, konduktor panas dan listrik yang baik	Semua unsur logam; misalnya, Na, Mg, Fe, Cu

11.5 Difraksi Sinar-X oleh Kristal

Hampir semua yang kita ketahui tentang struktur kristal telah dipelajari dari studi difraksi sinar-X. Difraksi sinar-X mengacu pada hamburan sinar-X oleh satuan-satuan zat padat kristalin. Pola hamburan, atau difraksi, yang dihasilkan digunakan untuk menyimpulkan susunan partikel dalam kisi padat.

Dalam Bagian 10.6 telah dibahas fenomena interferensi yang terkait dengan gelombang (lihat Gambar 10.22). Karena sinar X adalah salah satu bentuk radiasi elektromagnetik, dan oleh karena itu gelombang, diharapkannya menunjukkan perilaku seperti itu dalam kondisi yang sesuai. Pada tahun 1912, fisikawan Jerman Max von Laue dengan tepat menyarankan bahwa, karena panjang gelombang sinar X sebanding dengan besarnya jarak antara titik kisi dalam sebuah kristal, kisi tersebut harus dapat mendifraksi sinar X. Pola difraksi sinar-X merupakan hasil interferensi gelombang yang terkait dengan sinar-X.

Gambar 11.23 Pengaturan untuk mendapatkan pola difraksi sinar-X dari sebuah kristal. Perisai mencegah sinar-X kuat yang tidak terdifraksi merusak pelat fotografi.

Gambar 11.23 menunjukkan konfigurasi difraksi sinar-X yang khas. Seberkas sinar X diarahkan ke kristal yang terpasang. Atom-atom dalam kristal menyerap sebagian radiasi yang masuk dan kemudian memancarkannya kembali; proses ini disebut hamburan sinar-X.

Gambar 11.24 Refleksi sinar X dari dua lapisan atom. Gelombang bawah menempuh jarak 2d sin 𝛳 lebih panjang dari gelombang atas. Agar kedua gelombang berada dalam satu fasa lagi setelah refleksi, harus benar bahwa 2d sin 𝛳 = n𝜆, di mana 𝜆 adalah panjang gelombang sinar-X dan n = 1, 2, 3.. . . Titik tajam pada Gambar 11.23 diamati hanya jika kristal cukup besar untuk terdiri dari ratusan lapisan paralel.

Untuk memahami bagaimana pola difraksi dapat dihasilkan, pertimbangkan hamburan sinar-X oleh atom dalam dua bidang paralel (Gambar 11.24). Awalnya, dua sinar datang berada dalam fase satu sama lain (maksimum dan minimumnya terjadi pada posisi yang sama). Gelombang atas dihamburkan, atau dipantulkan, oleh atom di lapisan pertama, sedangkan gelombang bawah dihamburkan oleh atom di lapisan kedua. Agar kedua gelombang yang tersebar ini menjadi satu fase lagi, jarak ekstra yang ditempuh oleh gelombang yang lebih rendah harus merupakan kelipatan integral dari panjang gelombang (l) sinar X; hal itu merupakan,

BC + CD = 2d sin 𝜃 = n𝜆   n = 1, 2, 3, . . .

atau

2d sin 𝜃 = n𝜆 

dimana 𝛳 adalah sudut antara sinar-X dan bidang kristal dan d adalah jarak antara bidang yang berdekatan. Persamaan (11.1) dikenal sebagai persamaan Bragg setelah William H. Bragg dan Sir William L. Bragg menerima hadiah nobel. Gelombang yang diperkuat menghasilkan titik gelap pada film fotografi untuk setiap nilai 𝛳 yang memenuhi persamaan Bragg.

Contoh 11.4 mengilustrasikan penggunaan Persamaan (11.1).

Contoh 11.4

Sinar X dengan panjang gelombang 0,154 nm menabrak kristal aluminium; sinar tersebut dipantulkan pada sudut 19,3°. Dengan asumsi bahwa n = 1, hitung jarak antara bidang atom aluminium (dalam pm) yang bertanggung jawab atas sudut refleksi ini. Faktor konversi diperoleh dari 1 nm = 1000 pm.

Strategi

Ini adalah aplikasi Persamaan (11.1).

Penyelesaian

Mengubah panjang gelombang menjadi pikometer dan menggunakan sudut refleksi (19,3°), dapat diulis

Latihan

Sinar X dengan panjang gelombang 0,154 nm difraksi dari kristal pada sudut 14,17°. Asumsikan bahwa n = 1, hitung jarak (dalam pm) antar lapisan dalam kristal.

Teknik difraksi sinar-X menawarkan metode paling akurat untuk menentukan panjang ikatan dan sudut ikatan dalam molekul dalam keadaan padat. Karena sinar X dihamburkan oleh elektron, kimiawan dapat membuat peta kontur kerapatan elektron dari pola difraksi dengan menggunakan prosedur matematika yang kompleks. Pada dasarnya, peta kontur kerapatan elektron memberikan data kerapatan elektron relatif di berbagai lokasi dalam sebuah molekul. Massa jenis mencapai maksimum di dekat pusat setiap atom. Dengan cara ini, kita dapat menentukan posisi inti dan parameter geometri molekulnya.

11.4 Struktur Kristal

Padatan dapat dibagi menjadi dua kategori: kristal dan amorf. Es adalah padatan kristal, yang kaku dan memiliki tatanan jarak-jauh; atom, molekul, atau ionnya menempati posisi tertentu. Susunan partikel-partikel seperti itu dalam padatan kristal sedemikian rupa sehingga gaya tarik menarik bersih antarmolekul mencapai maksimum. Gaya yang bertanggung jawab atas stabilitas kristal dapat berupa gaya ionik, ikatan kovalen, gaya van der Waals, ikatan hidrogen, atau kombinasi dari gaya-gaya ini. Padatan amorf seperti kaca tidak memiliki susunan yang jelas dan tatanan molekul jarak-jauh. Akan dibahas di Bagian 11.7. Pada bagian ini, akan dikonsentrasikan pada struktur padatan kristal.

Gambar 11.14 a) Sel satuan dan (b) perluasannya dalam tiga dimensi. Bola hitam mewakili atom atau molekul.

Sel satuan adalah satuan dasar struktural berulang dari padatan kristal. Gambar 11.14 menunjukkan sel satuan dan ekstensinya dalam tiga dimensi. Setiap bola mewakili atom, ion, atau molekul dan disebut titik kisi. Dalam banyak kristal, titik kisi sebenarnya tidak mengandung partikel seperti itu. Sebaliknya, mungkin ada beberapa atom, ion, atau molekul yang disusun secara identik di sekitar setiap titik kisi. Untuk kesederhanaan, bagaimanapun, kita dapat mengasumsikan bahwa setiap titik kisi ditempati oleh sebuah atom. Hal ini tentunya terjadi pada kebanyakan logam. Setiap padatan kristal dapat dijelaskan dalam salah satu dari tujuh jenis sel satuan yang ditunjukkan pada Gambar 11.15. Geometri sel satuan kubik sangat sederhana karena semua sisi dan semua sudut adalah sama. Salah satu sel satuan, bila diulang di ruang tiga dimensi, membentuk karakteristik struktur kisi dari padatan kristal.

Gambar 11.15 Tujuh jenis sel satuan. Sudut 𝛼 ditentukan oleh tepi b dan c, sudut 𝛽 dengan tepi a dan c, dan sudut 𝛾 dengan tepi a dan b.

Pengemasan Bola

Kita dapat memahami persyaratan geometris umum untuk pembentukan kristal dengan mempertimbangkan berbagai cara mengemas sejumlah bola identik (bola Ping-Pong, misalnya) untuk membentuk struktur tiga dimensi yang teratur. Cara bola disusun dalam lapisan menentukan jenis sel satuan yang dimiliki. 

Gambar 11.16 Susunan bola identik dalam sel kubus sederhana. (a) Tampilan atas dari satu lapisan bola. (b) Gambar sel kubus sederhana. (c) Karena setiap bola dibagi oleh delapan sel satuan dan ada delapan sudut dalam kubus, ada ekivalen dengan satu bola utuh di dalam sel satuan kubus sederhana.

Dalam kasus yang paling sederhana, lapisan bola dapat diatur seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11.16 (a). Struktur tiga dimensi dapat dibuat dengan menempatkan lapisan di atas dan di bawah lapisan ini sedemikian rupa sehingga bola dalam satu lapisan berada tepat di atas bola di lapisan di bawahnya. Prosedur ini dapat diperpanjang untuk menghasilkan lebih banyak lapisan, seperti dalam kasus kristal. Berfokus pada bola berlabel "x," kita melihat bahwa itu bersentuhan dengan empat bola di lapisannya sendiri, satu bola di lapisan atas, dan satu bola di lapisan bawah. Setiap bola dalam susunan ini dikatakan memiliki bilangan koordinasi 6 karena memiliki enam tetangga langsung. Bilangan koordinasi didefinisikan sebagai jumlah atom (atau ion) yang mengelilingi atom (atau ion) dalam kisi kristal. Nilainya memberikan ukuran seberapa erat bola-bola itu dikemas bersama — semakin besar bilangan koordinasinya, semakin dekat bola satu sama lain. Satuan dasar dan berulang dalam larik bola disebut sel kubus sederhana (scc) [Gambar 11.16 (b)].

Gambar 11.17 Tiga jenis sel kubus. Pada kenyataannya, bola yang mewakili atom, molekul, atau ion bersentuhan satu sama lain dalam sel kubus ini.

Jenis sel kubus lainnya adalah sel kubus berpusat badan (bcc) dan sel kubik berpusat muka (fcc) (Gambar 11.17). Susunan kubus berpusat badan berbeda dari kubus sederhana di mana lapisan kedua bola masuk ke dalam cekungan lapisan pertama dan lapisan ketiga ke dalam cekungan lapisan kedua (Gambar 11.18). Bilangan koordinasi setiap bola dalam struktur ini adalah 8 (setiap bola bersentuhan dengan empat bola di lapisan atas dan empat bola di lapisan bawah). Dalam sel kubus berpusat muka, ada bola di tengah masing-masing dari enam sisi kubus, selain delapan bola sudut.

Gambar 11.18 Susunan bola identik dalam kubus berpusat badan. (a) Tampak atas. (b) Gambar sel satuan kubus berpusat badan. (c) Ada ekuivalen dengan dua bola lengkap di dalam sel satuan kubus berpusat badan.

Karena setiap sel satuan dalam padatan kristal berdekatan dengan sel satuan lainnya, sebagian besar sel atom-atom digunakan bersama oleh sel tetangga. Misalnya, dalam semua jenis sel kubus, setiap atom sudut termasuk dalam delapan sel satuan [Gambar 11.19 (a)]; atom tepi dibagi oleh empat sel satuan [Gambar 11.19 (b)], dan atom berpusat muka dibagi oleh dua sel satuan [Gambar 11.19 (c)]. Karena setiap bola sudut dibagi oleh delapan sel satuan dan ada delapan sudut dalam kubus, maka hanya akan ada satu bola yang lengkap di dalam sel satuan kubik sederhana (lihat Gambar 11.17). Sebuah sel kubus berpusat badan berisi setara dengan dua bola lengkap, satu di tengah dan delapan bola sudut bersama. Sebuah sel kubus berpusat muka berisi empat bola lengkap — tiga dari enam atom berpusat muka dan satu dari delapan bola sudut bersama.

Gambar 11.19 (a) Sebuah atom sudut di setiap sel dibagi dengan delapan sel satuan. (b) Sebuah atom tepi dibagi oleh empat sel satuan. (c) Sebuah atom yang berpusat muka dalam sel kubus dibagi oleh dua sel satuan.

Pengemasan Terdekat

Jelas ada lebih banyak ruang kosong di kubus sederhana dan sel kubus berpusat badan daripada di sel kubus berpusat nuka. Pengemasan terdekat, susunan bola yang paling efisien, dimulai dengan struktur yang ditunjukkan pada Gambar 11.20 (a), yang disebut lapisan A. Berfokus pada satu-satunya bidang tertutup, dilihat bahwa ia memiliki enam tetangga langsung di lapisan itu. Pada lapisan kedua (yang disebut lapisan B), bola dikemas ke dalam cekungan antara bola di lapisan pertama sehingga semua bola sedekat mungkin [Gambar 11.20 (b)].

Gambar 11.20 (a) Dalam lapisan tertutup, setiap bola bersentuhan dengan enam bola lainnya. (b) Bola di lapisan kedua masuk ke dalam cekungan di antara bola lapisan pertama. (c) Dalam struktur rapat-rapat heksagonal, setiap bola lapisan ketiga berada tepat di atas bola lapisan pertama. (d) Dalam struktur kubus padat, setiap bola lapisan ketiga masuk ke dalam cekungan yang secara langsung di atas cekungan di lapisan pertama.

Ada dua cara agar bola lapisan ketiga menutupi lapisan kedua untuk mencapai pengemasan terdekat. Bola mungkin dicocokan ke dalam cekungan sehingga setiap bola lapis ketiga langsung di atas bola lapis pertama [Gambar 11.20 (c)]. Karena tidak ada perbedaan antara susunan lapisan pertama dan ketiga, dapat disebut juga lapisan lapisan ketiga A. Alternatifnya, lapisan lapisan ketiga mungkin masuk ke dalam cekungan yang terletak langsung di atas cekungan di lapisan pertama [ Gambar 11.20 (d)]. Dalam hal ini, disebut lapisan lapisan ketiga C. Gambar 11.21 menunjukkan "tampak meledak" dan struktur yang dihasilkan dari dua pengaturan ini. Susunan ABA dikenal sebagai struktur heksagonal pengemasan tedekat (hcp), dan susunan ABC adalah struktur kubus padat (ccp), yang sesuai dengan kubus berpusat muka yang telah dijelaskan. Perhatikan bahwa dalam struktur hcp, bola di setiap lapisan lainnya menempati posisi vertikal yang sama (ABABAB...), Sedangkan dalam struktur ccp, bola di setiap lapisan keempat menempati posisi vertikal yang sama (ABCABCA...). Pada kedua struktur, setiap bola memiliki bilangan koordinasi 12 (setiap bola bersentuhan dengan enam bola di lapisannya sendiri, tiga bola di lapisan atas, dan tiga bola di lapisan bawah). Baik struktur hcp maupun ccp menunjukkan cara yang paling efisien untuk mengemas bola identik dalam sel satuan, dan tidak ada cara untuk meningkatkan bilangan koordinasi melebihi 12.

Gambar 11.21 Tampak meledak dari (a) struktur padat heksagonal dan (b) struktur pengemasan tertutup kubus. Panah dimiringkan untuk memperlihatkan sel satuan kubus yang berpusat muka dengan lebih jelas. Perhatikan bahwa pengaturan ini sama dengan sel satuan berpusat muka.

Banyak logam dan gas mulia, yang bersifat monoatomik, membentuk kristal dengan struktur hcp atau ccp. Misalnya, magnesium, titanium, dan seng mengkristal dengan atomnya dalam susunan hcp, sedangkan aluminium, nikel, dan perak mengkristal dalam susunan ccp. Semua gas mulia padat memiliki struktur ccp kecuali helium, yang mengkristal dalam struktur hcp. Wajar untuk bertanya mengapa serangkaian zat terkait, seperti logam transisi atau gas mulia, akan membentuk struktur kristal yang berbeda. Jawabannya terletak pada kestabilan relatif dari struktur kristal tertentu, yang diatur oleh gaya antarmolekul. Jadi, logam magnesium memiliki struktur hcp karena susunan atom Mg ini menghasilkan stabilitas padatan yang paling besar.

Gambar 11.22 Hubungan antara panjang tepi (a) dan jari-jari (r) atom dalam sel kubus sederhana, sel kubus berpusat badan, dan sel kubus berpusat muka.

Gambar 11.22 meringkas hubungan antara jari-jari atom r dan panjang tepi a sel kubus sederhana, sel kubus berpusat badan, dan sel kubus berpusat muka. Hubungan ini dapat digunakan untuk menentukan jari-jari atom bola jika kerapatan kristal diketahui, seperti yang ditunjukkan pada Contoh 11.3.

Contoh 11.3

Emas (Au) mengkristal dalam struktur kubus padat (sel satuan kubus berpusat muka) dan memiliki massa jenis 19,3 g/cm³. Hitung jari-jari atom emas dalam pikometer.

Strategi

Kita ingin menghitung jari-jari atom emas. Untuk sel satuan kubus berpusat muka, hubungan antara jari-jari (r) dan panjang tepi (a), menurut Gambar 11.22, adalah a = √18r. Oleh karena itu, untuk menentukan r sebuah atom Au, kita perlu mencari a. Volume sebuah kubus adalah V = a³ atau a = ∛V. Jadi, jika kita dapat menentukan volume sel satuan, kita dapat menghitung a. Diketahui kerapatan dalam soal.

Kerapatan = massa/volume

urutan langkah-langkahnya dirangkum sebagai berikut:

kerapatan→volume→panjang tepi→jari-jari

Penyelesaian

Langkah 1: diketahui massa jenis, jadi untuk menentukan volume, menggunakan massa sel satuan. Setiap sel satuan memiliki delapan sudut dan enam muka. Jumlah atom dalam sel seperti itu, menurut Gambar 11.19, adalah

(8 x 1/8) + (6 x1/2) = 4

Massa sel satuan dalam gram adalah

Dari definisi massa jenis (d = m / V), dapat dihitung volume sel satuan sebagai berikut:

Langkah 2: Karena volume adalah panjang pangkat tiga (kubik), maka diambil akar pangkat tiga dari volume sel satuan untuk mendapatkan panjang tepi (a) sel satuan 

Langkah 3: Dari Gambar 11.22 dapat dilihat bahwa jari-jari (r) bola Au berhubungan dengan panjang tepi oleh

a = √8r

sehingga

Latihan

Saat perak mengkristal, membentuk sel kubus berpusat pada wajah. Panjang tepi sel satuan adalah 408.7 pm. Hitung massa jenis perak.

Ulasan Konsep

Yang ditunjukkan di sini adalah sel satuan seng oksida. Apa rumus senyawa tersebut?

11.3 Sifat Cairan

Gaya antarmolekul memunculkan sejumlah fitur struktural dan sifat cairan. Pada bagian ini kita akan melihat dua fenomena yang berhubungan dengan cairan secara umum: tegangan permukaan dan viskositas. Kemudian kita akan membahas struktur dan sifat air.

Gambar 11.8 Gaya antarmolekul yang bekerja 

pada sebuah molekul di lapisan permukaan cairan 

dan di wilayah interior cairan.

Tegangan Permukaan
Molekul di dalam cairan ditarik ke segala arah oleh gaya antarmolekul; tidak ada kecenderungan bagi molekul-molekul untuk ditarik dengan satu cara. Namun, molekul di permukaan ditarik ke bawah dan ke samping oleh molekul lain, tetapi tidak menjauh dari permukaan (Gambar 11.8). Gaya tarik antarmolekul ini dengan demikian cenderung menarik molekul ke dalam cairan dan menyebabkan permukaan menegang seperti film elastis. Karena ada sedikit atau tidak ada tarikan antara molekul air polar dan, katakanlah, molekul lilin nonpolar pada mobil baru yang dilapisi lilin, setetes air mengambil bentuk manik bundar kecil, karena bentuk bola meminimalkan luas permukaan cairan. Permukaan lilin dari apel basah juga menghasilkan efek ini (Gambar 11.9).

Gambar 11.9 Manik-manik air pada apel, 

yang memiliki permukaan lilin.

Ukuran gaya elastis di permukaan zat cair disebut tegangan permukaan. Tegangan permukaan adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk meregangkan atau meningkatkan permukaan zat cair sebesar satuan luas (misalnya sebesar 1 cm²). Cairan yang memiliki gaya antarmolekul yang kuat juga memiliki tegangan permukaan yang tinggi. Jadi, karena ikatan hidrogen, air memiliki tegangan permukaan yang jauh lebih besar daripada kebanyakan cairan lainnya.

Contoh lain dari tegangan permukaan adalah aksi kapiler. Gambar 11.10 (a) menunjukkan air naik secara spontan di dalam tabung kapiler. Segumpal air tipis menempel di dinding tabung kaca. Tegangan permukaan air menyebabkan film ini berkontraksi, dan seperti yang terjadi, ia menarik air ke atas tabung. Dua jenis gaya menghasilkan aksi kapiler. Salah satunya adalah kohesi, yang merupakan daya tarik antarmolekul antara molekul sejenis (dalam hal ini, molekul air). Gaya kedua, yang disebut adhesi, adalah gaya tarik antara molekul yang berbeda, seperti yang ada di air dan di sisi tabung kaca. Jika daya rekat lebih kuat dari kohesi, seperti pada Gambar 11.10 (a), isi tabung akan ditarik ke atas. Proses ini berlanjut hingga gaya perekat seimbang dengan berat air di dalam tabung. Aksi ini sama sekali tidak universal di antara zat cair, seperti yang ditunjukkan Gambar 11.10 (b). Dalam merkuri, kohesi lebih besar daripada adhesi antara merkuri dan kaca, sehingga ketika tabung kapiler dicelupkan ke dalam merkuri, hasilnya berkurang atau terjadi penurunan pada merkuri — yaitu, ketinggian cairan dalam tabung kapiler berada di bawah permukaan merkuri.

Gambar 11.10 a) Ketika adhesi lebih besar dari kohesi, cairan (misalnya, air) naik ke dalam tabung kapiler. (b) Ketika kohesi lebih besar dari adhesi, seperti pada merkuri, penurunan cairan dalam tabung kapiler terjadi. Perhatikan bahwa meniskus di dalam tabung air itu cekung, atau membulat ke bawah, sedangkan di dalam tabung air raksa berbentuk cembung, atau dibulatkan ke atas.

Viskositas

Viskositas adalah ukuran ketahanan fluida terhadap aliran. Semakin besar viskositasnya, semakin lambat cairan mengalir. Viskositas cairan biasanya menurun dengan meningkatnya suhu; dengan demikian, cairan panas mengalir lebih cepat daripada cairan dingin.

Cairan yang memiliki gaya antarmolekul kuat memiliki viskositas lebih tinggi daripada yang memiliki gaya antarmolekul lemah (Tabel 11.3). Air memiliki viskositas yang lebih tinggi daripada banyak cairan lain karena kemampuannya membentuk ikatan hidrogen. Menariknya, viskositas gliserol secara signifikan lebih tinggi daripada semua cairan lain yang tercantum dalam Tabel 11.3. Gliserol memiliki struktur

Seperti air, gliserol dapat membentuk ikatan hidrogen. Setiap molekul gliserol memiliki tiga gugus -OH yang dapat berpartisipasi dalam ikatan hidrogen dengan molekul gliserol lainnya.

* Satuan SI untuk viskositas adalah newton-sekon per meter kuadrat.

Lebih jauh lagi, karena bentuknya, molekul-molekul memiliki kecenderungan besar untuk terjerat daripada melewati satu sama lain seperti yang dilakukan molekul-molekul cairan yang kurang kental. Interaksi ini berkontribusi pada viskositasnya yang tinggi.

Ulasan Konsep

Mengapa pengendara disarankan untuk menggunakan oli yang lebih kental untuk mesin mereka di musim panas dan oli yang tidak terlalu kental di musim dingin?

Struktur dan Sifat Air
Air adalah zat yang sangat umum di Bumi sehingga kita sering mengabaikan sifat uniknya. Semua proses kehidupan melibatkan air. Air adalah pelarut yang sangat baik untuk banyak senyawa ionik, serta zat lain yang mampu membentuk ikatan hidrogen dengan air.

Seperti yang ditunjukkan Tabel 6.2, air memiliki kalor spesifik yang tinggi. Alasannya adalah untuk menaikkan suhu air (yaitu, untuk meningkatkan energi kinetik rata-rata molekul air), pertama-tama harus diputuskan banyak ikatan hidrogen antarmolekul. Dengan demikian, air dapat menyerap sejumlah besar kalor sementara suhunya hanya naik sedikit. Kebalikannya juga benar: Air dapat mengeluarkan banyak kalor hanya dengan sedikit penurunan suhunya. Untuk alasan ini, sejumlah besar air yang ada di danau dan lautan dapat secara efektif memoderasi iklim di area daratan yang berdekatan dengan menyerap kalor di musim panas dan melepaskan kalor di musim dingin, dengan hanya sedikit perubahan suhu air.

Sifat air yang paling mencolok adalah bahwa bentuk padatnya kurang rapat daripada bentuk cairnya: es mengapung di permukaan air cair. Massa jenis hampir semua zat lain lebih besar dalam bentuk padat daripada dalam bentuk cair (Gambar 11.11).

Gambar 11.11 Kiri: Es batu mengapung di atas air. Kanan: Bensol padat tenggelam ke dasar benzen cair.

Untuk memahami mengapa air berbeda, harus diperiksa struktur elektron dari molekul H₂O. Seperti yang dibahas di Bab 9, ada dua pasang elektron non-ikatan, atau dua pasangan elektron bebas, pada atom oksigen:

Meskipun banyak senyawa dapat membentuk ikatan hidrogen antarmolekul, perbedaan antara H₂O dan molekul polar lainnya, seperti NH₃ dan HF, adalah bahwa setiap atom oksigen dapat membentuk dua ikatan hidrogen, sama dengan jumlah pasangan elektron bebas pada atom oksigen. Dengan demikian, molekul air bergabung bersama dalam jaringan tiga dimensi yang luas di mana setiap atom oksigen terikat secara tetrahedral pada empat atom hidrogen, dua oleh ikatan kovalen dan dua oleh ikatan hidrogen. Persamaan jumlah atom hidrogen dan pasangan elektron bebas ini bukanlah karakteristik NH₃ atau HF atau, dalam hal ini, molekul lain yang mampu membentuk ikatan hidrogen. Akibatnya, molekul-molekul lain ini dapat membentuk cincin atau rantai, tetapi tidak dengan struktur tiga dimensi.

Gambar 11.12 Struktur tiga dimensi es. Setiap atom O terikat pada empat atom H. Ikatan kovalen ditunjukkan oleh garis padat pendek dan ikatan hidrogen yang lebih lemah dengan garis putus-putus panjang antara O dan H. Ruang kosong pada struktur menjelaskan kerapatan es yang rendah.

Gambar 11.13 Plot kerapatan terhadap suhu untuk air cair. 

Kerapatan maksimum air dicapai pada 4 °C. 

Massa jenis es pada 0 °C adalah sekitar 0,92 g/cm³.

Struktur tiga dimensi es yang sangat teratur (Gambar 11.12) mencegah molekul-molekul agar tidak terlalu dekat satu sama lain. Tetapi pertimbangkan apa yang terjadi ketika es mencair. Pada titik leleh, sejumlah molekul air memiliki energi kinetik yang cukup untuk melepaskan ikatan hidrogen antarmolekul. Molekul-molekul ini terperangkap di rongga struktur tiga dimensi, yang dipecah menjadi kelompok-kelompok yang lebih kecil. Akibatnya, ada lebih banyak molekul per satuan volume di air cair daripada di es. Jadi, karena massa jenis = massa/volume, massa jenis air lebih besar daripada massa jenis es. Dengan pemanasan lebih lanjut, lebih banyak molekul air yang dilepaskan dari ikatan hidrogen antarmolekul, sehingga massa jenis air cenderung meningkat dengan kenaikan suhu tepat di atas titik leleh. Tentunya pada saat yang sama air mengembang saat dipanaskan sehingga massa jenisnya menurun. Kedua proses ini — terperangkapnya molekul air bebas dalam rongga dan pemuaian termal — bertindak dalam arah yang berlawanan. Dari 0 °C hingga 4 °C, perangkap berlaku dan air menjadi semakin padat. Namun, di luar 4 °C, ekspansi termal mendominasi dan kerapatan air menurun dengan meningkatnya suhu (Gambar 11.13).

11.2 Gaya Antarmolekul

Gaya antarmolekul adalah gaya atraktif atau tarik menarik antar molekul. Gaya antarmolekul bertanggung jawab atas perilaku non-gas dari gas yang dijelaskan dalam Bab 5. Gaya antarmolekul memberikan pengaruh lebih besar dalam fase materi yang terkondensasi — cairan dan padatan. Saat suhu gas turun, energi kinetik rata-rata dari molekulnya berkurang. Akhirnya, pada suhu yang cukup rendah, molekul tidak lagi memiliki energi yang cukup untuk melepaskan dirinya dari gaya tarik molekul tetangga. Pada titik ini, molekul berkumpul untuk membentuk tetes kecil cairan. Transisi ini dari fase gas ke fase cair dikenal sebagai kondensasi.

Berbeda dari gaya antarmolekul, gaya intramolekul menahan atom bersama-sama dalam sebuah molekul. (Ikatan kimia, dibahas dalam Bab 9 dan 10, melibatkan gaya intramolekul.) Gaya intramolekul menstabilkan molekul individu, sedangkan gaya antarmolekul terutama bertanggung jawab atas sifat umum materi (misalnya, titik leleh dan titik didih).

Umumnya, gaya antarmolekul jauh lebih lemah daripada gaya intramolekul. Biasanya dibutuhkan energi yang jauh lebih sedikit untuk menguapkan cairan daripada untuk memutus ikatan dalam molekul cairan. Misalnya, dibutuhkan energi sekitar 41 kJ untuk menguapkan 1 mol air pada titik didihnya; tetapi dibutuhkan sekitar 930 kJ energi untuk memutus dua ikatan O-H dalam 1 mol molekul air. Titik didih zat sering kali mencerminkan kekuatan gaya antarmolekul yang bekerja di antara molekul. Pada titik didih, energi yang cukup harus disuplai untuk mengatasi gaya tarik antar molekul sebelum mereka dapat memasuki fase uap. Jika dibutuhkan lebih banyak energi untuk memisahkan molekul zat A daripada zat B karena molekul A disatukan oleh gaya antarmolekul yang lebih kuat, maka titik didih A lebih tinggi daripada titik didih B. Prinsip yang sama berlaku juga untuk titik leleh zat tersebut. Secara umum, titik leleh zat meningkat dengan makin kuat gaya antarmolekul.

Untuk membahas sifat-sifat materi terkondensasi, harus dipahami berbagai jenis gaya antarmolekul. Gaya dipol-dipol, dipol yang diinduksi dipol, dan gaya dispersi membentuk apa yang umumnya disebut oleh ahli kimia sebagai gaya van der Waals, menurut nama fisikawan Belanda Johannes van der Waals (lihat Bagian 5.8). Ion dan dipol tarik menarik satu sama lain oleh gaya elektrostatis yang disebut gaya ion-dipol, yang bukan merupakan gaya van der Waals. Ikatan hidrogen adalah jenis interaksi dipol-dipol yang sangat kuat. Karena hanya sedikit unsur yang dapat berpartisipasi dalam pembentukan ikatan hidrogen, ini diperlakukan sebagai kategori terpisah. Bergantung pada fase suatu zat, sifat ikatan kimia, dan jenis unsur yang ada, lebih dari satu jenis interaksi dapat berkontribusi pada tarikan total antar molekul, seperti yang akan dibahas berikut ini.

Gaya Dipol-Dipol

Gambar 11.1 Molekul yang memiliki momen dipol 

permanen cenderung sejajar dengan polaritas yang berlawanan 

dalam fasa padat untuk interaksi tarikan maksimum.

Gaya dipol-dipol adalah gaya tarik antarmolekul polar, yaitu antara molekul yang memiliki momen dipol (lihat Bagian 10.2). Asal usulnya adalah elektrostatis, dan dapat dipahami dalam istilah hukum Coulomb. Semakin besar momen dipol, semakin besar gaya yang diberikan. Gambar 11.1 menunjukkan orientasi molekul polar dalam padatan. Dalam cairan, molekul polar tidak ditahan sekuat padatan, tetapi cenderung diselaraskan dengan cara dirata-rata untuk memaksimalkan interaksi tarik menarik.

Gaya Ion-Dipol

Gambar 11.2 Dua jenis interaksi 

ion-dipol.

Hukum Coulomb juga menjelaskan gaya ion-dipol, yang menarik ion (baik kation atau anion) dan molekul polar satu sama lain (Gambar 11.2). Kekuatan interaksi ini bergantung pada muatan dan ukuran ion serta besarnya momen dipol dan ukuran molekul. Muatan pada kation umumnya lebih terkonsentrasi, karena kation biasanya lebih kecil dari anion. Oleh karena itu, kation berinteraksi lebih kuat dengan dipol daripada anion yang memiliki muatan dengan besaran yang sama.

Hidrasi, dibahas dalam Bagian 4.1, adalah salah satu contoh interaksi ion-dipol. Kalor hidrasi (Bagian 6.7) adalah hasil interaksi yang lebih disukai antara kation dan anion senyawa ionik dengan air. Gambar 11.3 menunjukkan interaksi ion-dipol antara ion Na⁺ dan Mg²⁺ dengan molekul air yang memiliki momen dipol yang besar (1,87 D). Karena ion Mg²⁺ memiliki muatan yang lebih tinggi dan jari-jari ion yang lebih kecil (78 pm) daripada ion Na⁺ (98 pm), ion ini berinteraksi lebih kuat dengan molekul air. (Pada kenyataannya, setiap ion dikelilingi oleh sejumlah molekul air dalam larutan.) Akibatnya, kalor hidrasi untuk ion Na⁺ dan Mg²⁺ masing-masing adalah 2.405 kJ/mol dan 21.926 kJ/mol. Perbedaan serupa terjadi untuk anion dari muatan dan ukuran yang berbeda.

Gambar 11.3 (a) Interaksi molekul air dengan ion Na⁺ dan ion Mg²⁺. (b) Dalam larutan air, ion logam biasanya dikelilingi oleh enam molekul air dalam susunan oktahedral.

Gaya Dispersi

Gambar 11.4 (a) Distribusi muatan bola dalam atom helium. 

(b) Distorsi yang disebabkan oleh pendekatan kation. 

(c) Distorsi yang disebabkan oleh pendekatan dipol.

Interaksi tarik menarik apa yang terjadi pada zat nonpolar? Untuk mengetahui jawaban dari pertanyaan ini, perhatikan pengaturan yang ditunjukkan pada Gambar 11.4. Jika kita menempatkan ion atau molekul polar di dekat atom (atau molekul nonpolar), distribusi elektron dari atom (atau molekul) terdistorsi oleh gaya yang diberikan oleh ion atau molekul polar, menghasilkan semacam dipol. Dipol dalam atom (atau molekul nonpolar) dikatakan sebagai dipol terinduksi karena pemisahan muatan positif dan negatif dalam atom (atau molekul nonpolar) disebabkan oleh kedekatan ion atau molekul polar. Interaksi tarik menarik antara ion dan dipol yang diinduksi disebut interaksi dipol yang diinduksi ion, dan interaksi tarik menarik antara molekul polar dan dipol yang diinduksi disebut interaksi dipol yang diinduksi dipol.

Kemungkinan momen dipol diinduksi tidak hanya bergantung pada muatan ion atau kekuatan dipol tetapi juga pada polarisasi atom atau molekul — yaitu, kemudahan distribusi elektron dalam atom (atau molekul) dapat terdistorsi. Umumnya, semakin besar jumlah elektron dan semakin banyak awan elektron yang tersebar dalam atom atau molekul, semakin besar polarisabilitasnya. Yang dimaksud dengan awan difusi adalah awan elektron yang tersebar di volume yang cukup besar, sehingga elektron tidak terikat erat oleh inti.

Polarisasi memungkinkan gas yang mengandung atom atau molekul nonpolar (misalnya, He dan N₂) mengembun. Dalam atom helium, elektron bergerak pada jarak tertentu dari inti. Setiap saat kemungkinan besar atom memiliki momen dipol yang dibuat oleh posisi elektron tertentu. Momen dipol ini disebut dipol sesaat karena berlangsung hanya sepersekian detik. Detik berikutnya elektron berada di lokasi yang berbeda dan atom memiliki dipol sesaat baru, dan seterusnya. Dirata-ratakan dari waktu ke waktu (yaitu, waktu yang diperlukan untuk membuat pengukuran momen dipol), namun, atom tidak memiliki momen dipol karena semua dipol sesaat saling meniadakan. Dalam kumpulan atom He, dipol sesaat dari satu atom He dapat menginduksi dipol di setiap tetangga terdekatnya (Gambar 11.5). Pada saat berikutnya, dipol sesaat yang berbeda dapat membuat dipol sesaat di sekitar atom He. Poin pentingnya adalah bahwa jenis interaksi ini menghasilkan gaya dispersi, gaya tarik yang muncul sebagai akibat dari dipol sementara yang diinduksi dalam atom atau molekul. Pada suhu yang sangat rendah (dan kecepatan atom berkurang), gaya dispersi cukup kuat untuk menahan atom He bersama-sama, menyebabkan gas mengembun. Gaya tarik antar molekul nonpolar dapat dijelaskan dengan cara yang sama.

Gambar 11.5 Dipol yang diinduksi berinteraksi satu sama lain. Pola seperti itu hanya ada sesaat; pengaturan baru dibentuk di saat berikutnya. Jenis interaksi ini bertanggung jawab atas kondensasi gas nonpolar.

Interpretasi mekanika kuantum dari dipol sesaat diberikan oleh Fritz London pada tahun 1930. London menunjukkan bahwa besarnya interaksi tarik menarik ini berbanding lurus dengan polarisasi atom atau molekul. Seperti yang diduga, gaya dispersi mungkin cukup lemah. Ini memang benar untuk helium, yang memiliki titik didih hanya 4,2 K, atau -269 ° C. (Perhatikan bahwa helium hanya memiliki dua elektron, yang terikat erat di orbital 1s. Oleh karena itu, atom helium memiliki kemampuan polarisasi yang rendah.)

Gaya dispersi, yang juga disebut gaya London, biasanya meningkat seiring dengan massa molar karena molekul dengan massa molar yang lebih besar cenderung memiliki lebih banyak elektron, dan gaya dispersi bertambah kuat seiring dengan bertambahnya jumlah elektron. Lebih jauh lagi, massa molar yang lebih besar seringkali berarti atom yang lebih besar yang distribusi elektronnya lebih mudah terganggu karena elektron terluarnya kurang terikat erat oleh inti. Tabel 11.2 membandingkan titik leleh zat serupa yang terdiri dari molekul nonpolar. Seperti yang diharapkan, titik leleh meningkat seiring dengan meningkatnya jumlah elektron dalam molekul. Karena ini semua adalah molekul nonpolar, satu-satunya gaya antarmolekul tarik menarik adalah gaya dispersi.

Dalam banyak kasus, gaya dispersi sebanding dengan atau bahkan lebih besar dari gaya dipol-dipol antara molekul polar. Sebagai ilustrasi, bandingkan titik didih CH₃F (278,4°C) dan CCl₄ (76,5°C). Meskipun CH₃F memiliki momen dipol 1,8 D, tetapi memiliki titik didih pada suhu yang jauh lebih rendah daripada CCl₄ yang merupakan molekul nonpolar. CCl₄ mendidih pada suhu yang lebih tinggi karena mengandung lebih banyak elektron. Akibatnya, gaya dispersi antar molekul CCl₄ lebih kuat daripada gaya dispersi ditambah gaya dipol-dipol antara molekul CH₃F. (Ingatlah bahwa gaya dispersi terjadi di antara spesi dari semua jenis, baik netral maupun bermuatan bersih dan apakah polar atau nonpolar.)

Contoh 11.1 menunjukkan bahwa jika kita mengetahui jenis spesi yang ada, kita dapat dengan mudah menentukan jenis gaya antarmolekul yang ada di antara spesi tersebut.

Contoh 11.1
Apa jenis gaya antarmolekul yang ada di antara pasangan berikut: (a) HBr dan H₂S, (b) Cl₂ dan CBr₄, (c) I₂ dan NO₃⁻, (d) NH₃ dan C₆H₆?

Strategi
Klasifikasikan spesi menjadi tiga kategori: ionik, polar (memiliki momen dipol), dan nonpolar. Ingatlah bahwa gaya dispersi ada di antara semua spesi.

Penyelesaian
(a) Baik HBr dan H₂S adalah molekul polar

Oleh karena itu, gaya antarmolekul yang ada adalah gaya dipol-dipol, serta gaya dispersi.

(b) Baik Cl₂ dan CBr₄ adalah nonpolar, jadi hanya ada gaya dispersi di antara molekul-molekul ini.

(c) I₂ adalah molekul diatomik homonuklir dan oleh karena itu nonpolar, sehingga gaya antara I₂ dan ion NO₃⁻ adalah gaya dipol dan gaya dispersi yang diinduksi ion.

(d) NH₃ bersifat polar, dan C₆H₆ adalah nonpolar. Gaya tersebut adalah gaya dipol yang diinduksi dipol dan gaya dispersi.

Latihan
Sebutkan jenis gaya antarmolekul yang ada di antara molekul (atau satuan dasar) di masing-masing spesi berikut: (a) LiF, (b) CH4, (c) SO2.

Ikatan Hidrogen
Biasanya, titik didih rangkaian senyawa serupa yang mengandung unsur-unsur dalam kelompok periodik yang sama meningkat seiring dengan bertambahnya massa molar. Peningkatan titik didih ini disebabkan oleh peningkatan gaya dispersi untuk molekul dengan lebih banyak elektron. Senyawa hidrogen dari Golongan 4A mengikuti tren ini, seperti yang ditunjukkan Gambar 11.6. Senyawa teringan, CH₄, memiliki titik didih terendah, dan senyawa terberat SnH₄ memiliki titik didih tertinggi. Namun, senyawa hidrogen dari unsur-unsur di Grup 5A, 6A, dan 7A tidak mengikuti tren ini. Dalam masing-masing deret ini, senyawa paling ringan (NH₃, H₂O, dan HF) memiliki titik didih tertinggi, bertentangan dengan perkiraan berdasarkan massa molar. Pengamatan ini harus berarti bahwa ada gaya tarik antarmolekul yang lebih kuat pada NH₃, H₂O, dan HF, dibandingkan dengan molekul lain dalam golongan yang sama. Faktanya, jenis tarikan antarmolekul yang sangat kuat ini disebut ikatan hidrogen, yang merupakan jenis interaksi dipol-dipol khusus antara atom hidrogen dalam ikatan polar, seperti N-H, O-H, atau F-H, dan elektronegatif ataom O, N, atau F. Interaksi itu ditulis

A-H --- B atau A-H --- A

A dan B mewakili O, N, atau F; A-H adalah satu molekul atau bagian dari sebuah molekul dan B adalah bagian dari molekul lain; dan garis putus-putus melambangkan ikatan hidrogen. Ketiga atom tersebut biasanya terletak pada garis lurus, tetapi sudut AHB (atau AHA) dapat menyimpang sebesar 30° dari linieritas. Perhatikan bahwa atom O, N, dan F semuanya memiliki setidaknya satu pasangan elektron bebas yang dapat berinteraksi dengan atom hidrogen dalam ikatan hidrogen.

Gambar 11.6 Titik didih senyawa hidrogen dari unsur Golongan 4A, 5A, 6A, dan 7A. Meskipun biasanya kita mengharapkan titik didih meningkat saat kita bergerak ke bawah suatu golongan, kita melihat bahwa tiga senyawa (NH₃, H₂O, dan HF) berperilaku berbeda. Anomali dapat dijelaskan dalam istilah ikatan hidrogen antarmolekul.

Kekuatan rata-rata ikatan hidrogen cukup besar untuk interaksi dipol-dipol (hingga 40 kJ/mol). Dengan demikian, ikatan hidrogen memiliki pengaruh yang kuat pada struktur dan sifat banyak senyawa. Gambar 11.7 menunjukkan beberapa contoh ikatan hidrogen.

Gambar 11.7 Ikatan hidrogen dalam air, amonia, dan hidrogen fluorida. Garis padat mewakili ikatan kovalen, dan garis putus-putus mewakili ikatan hidrogen.

Kekuatan ikatan hidrogen ditentukan oleh interaksi coulomb antara pasangan elektron bebas dari atom elektronegatif dan inti hidrogen. Misalnya, fluor lebih elektronegatif daripada oksigen, jadi kita mengharapkan ikatan hidrogen yang lebih kuat ada di HF cair daripada di H₂O. Dalam fase cair, molekul HF membentuk rantai zigzag:

Titik didih HF lebih rendah daripada titik didih air karena setiap H₂O mengambil bagian dalam empat ikatan hidrogen antarmolekul. Oleh karena itu, gaya yang menahan molekul lebih kuat di H₂O daripada di HF. Kembali ke sifat air yang sangat penting ini di Bagian 11.3. Contoh 11.2 menunjukkan jenis spesi yang dapat membentuk ikatan hidrogen dengan air.

Contoh 11.2
Manakah dari berikut ini yang dapat membentuk ikatan hidrogen dengan air? CH₃OCH₃, CH₄, F₋, HCOOH, Na⁺.

Strategi
Suatu spesi dapat membentuk ikatan hidrogen dengan air jika mengandung salah satu dari tiga unsur elektronegatif (F, O, atau N) atau memiliki atom H yang terikat pada salah satu dari tiga unsur ini.

Penyelesaian

Tidak ada unsur elektronegatif (F, O, atau N) di CH₄ atau Na⁺. Oleh karena itu, hanya CH₃OCH₃, F⁻, dan HCOOH yang dapat membentuk ikatan hidrogen dengan air.

Pemeriksaan 
Perhatikan bahwa HCOOH (asam format) dapat membentuk ikatan hidrogen dengan air dalam dua cara berbeda. 

Latihan 
Manakah dari spesi berikut ini yang mampu melakukan ikatan hidrogen di antara mereka? (a) H₂S, (b) C₆H₆, (c) CH₃OH.

Gaya antarmolekul yang dibahas sejauh ini semuanya bersifat tarik menarik. Perlu diingat, bahwa molekul juga menggunakan gaya tolak menolak satu sama lain. Jadi, ketika dua molekul saling mendekati satu sama lain, tolakan antara elektron dan antara inti dalam molekul mulai berperan. Besarnya gaya tolak meningkat sangat tajam seiring dengan berkurangnya jarak yang memisahkan molekul dalam fase terkondensasi. Inilah alasan mengapa cairan dan padatan sangat sulit untuk dikompres atau dimampatkan. Dalam fase ini, molekul sudah berada dalam kontak dekat satu sama lain, sehingga terjadi tolak menolak yang sangat kuat untuk dikompresi lebih lanjut.

HCOOH membentuk ikatan hidrogen dengan dua molekul H₂O.

11.1 Teori Kinetika Molekul Cairan dan Padatan

Dalam Bab 5 kita telah menggunakan teori kinetika molekul untuk menjelaskan perilaku gas dalam keadaan tetap, gerakan acak dari molekul gas. Dalam keadaan gas, jarak antar molekul sangat besar (dibandingkan dengan diameternya) sehingga pada suhu dan tekanan normal (biasanya, 25°C dan 1 atm), tidak ada interaksi yang berarti antara molekul. Karena ada banyak ruang kosong dalam gas — yaitu, ruang yang tidak ditempati oleh molekul — gas dapat dengan mudah dikompresi atau dimampatkan. Kurangnya kekuatan gaya antar molekul juga memungkinkan gas untuk mengembang hingga memenuhi volume wadahnya. Selain itu, ruang kosong yang luas menjelaskan mengapa gas memiliki kerapatan yang sangat rendah dalam keadaan normal.

Cairan dan padatan adalah keadaan yang sangat berbeda. Perbedaan utama antara keadaan terkondensasi (cairan dan padatan) dan keadaan gas adalah jarak antar molekul. Dalam suatu cairan, molekul-molekulnya begitu berdekatan sehingga hanya ada sedikit ruang kosong. Dengan demikian, cairan jauh lebih sulit untuk dikompres daripada gas, dan juga jauh lebih padat dalam kondisi normal. Molekul dalam cairan disatukan oleh satu atau lebih jenis gaya atraktif, yang akan dibahas dalam Bagian 11.2. Suatu cairan juga memiliki volume yang pasti, karena molekul-molekul dalam suatu cairan tidak terlepas dari gaya-gaya atraktif. Namun, molekul dapat bergerak melewati satu sama lain dengan bebas, sehingga cairan dapat mengalir, dapat dituangkan, dan menyesuaikan bentuk wadahnya.

Dalam benda padat, molekul dipegang dengan kaku pada posisi tanpa kebebasan bergerak. Banyak padatan dicirikan oleh "orde jangka-panjang"; yaitu, molekul diatur dalam konfigurasi reguler dalam tiga dimensi. Bahkan ada lebih sedikit ruang kosong dalam padatan daripada dalam cairan. Dengan demikian, padatan hampir tidak dapat dimampatkan dan memiliki bentuk dan volume yang pasti. Dengan sangat sedikit pengecualian (air menjadi yang paling penting), kepadatan bentuk padat lebih besar daripada bentuk cair untuk zat tertentu. Bukan hal yang aneh bagi dua keadaan suatu zat untuk ada bersama-sama. Sebuah es batu (padat) yang mengapung dalam segelas air (cairan) adalah contoh yang umum. Ahli kimia merujuk pada berbagai kondisi zat yang ada dalam suatu sistem sebagai fase. Fase adalah bagian homogen dari sistem dalam kontak dengan bagian lain dari sistem tetapi dipisahkan darinya oleh batas yang didefinisikan dengan baik. Jadi, segelas air es mengandung fase padat dan fase cair air. Dalam bab ini kita akan menggunakan istilah "fase" ketika berbicara tentang perubahan keadaan yang melibatkan satu zat, serta sistem yang mengandung lebih dari satu fase zat. Tabel 11.1 merangkum beberapa karakteristik sifat dari tiga keadaan atau fase materi.

11. Gaya Antarmolekul, Cairan dan Padatan

Konsep Penting

• Penerapkan teori kinetika molekul pada cairan dan padatan dan membandingkan sifat-sifatnya dengan gas. (11.1)
• Menyelidiki berbagai jenis gaya antara molekul dan molekul dan antara ion dan molekul. Mempelajari jenis khusus interaksi antarmolekul yang disebut ikatan hidrogen yang melibatkan hidrogen dan unsur elektronegatif, nitrogen, oksigen, dan fluor. (11.2)
• Dua sifat penting cairan — tegangan permukaan dan viskositas — dapat dipahami dalam pengertian gaya antarmolekul. (11.3)
• Beralih ke dunia benda padat dan belajar tentang sifat kristal dan cara mengemasnya untuk membentuk sel-sel satuan yang berbeda. (11.4)
• Cara terbaik untuk menentukan dimensi struktur kristal adalah dengan difraksi sinar-X, yang didasarkan pada hamburan sinar X oleh atom atau molekul dalam kristal. (11.5)
• Jenis kristal utama adalah ion, kovalen, molekul, dan logam. Gaya antarmolekul membantu kita memahami struktur dan sifat fisiknya seperti kerapatan, titik lebur, dan konduktivitas listrik. (11.6)
• Benda padat dapat juga ada dalam bentuk amorf, yang tidak memiliki susunan tiga dimensi yang teratur. Contoh padatan amorf yang terkenal adalah kaca. (11.7)
• Mempelajari perubahan fase, atau transisi di antara gas, cairan, dan padatan. Keseimbangan dinamis antara cairan dan uap menimbulkan kesetimbangan tekanan uap. Energi yang dibutuhkan untuk penguapan tergantung pada kekuatan gaya antarmolekul. Setiap zat memiliki suhu kritis yang di atasnya bentuk uapnya tidak dapat dicairkan. Menyelidiki transisi cair-padat dan uap-padat. (11.8)
• Berbagai jenis transisi fase dirangkum dalam diagram fase, yang membantu kita memahami kondisi di mana fase stabil dan perubahan tekanan dan/atau suhu yang diperlukan untuk menghasilkan transisi fase. (11.9)

Meskipun kita hidup terbenam dalam lautan campuran gas yang membentuk atmosfer Bumi, kita lebih akrab dengan sifat cairan dan padatan karena keduanya lebih terlihat. Setiap hari kita menggunakan air dan cairan lain untuk minum, mandi, membersihkan, dan memasak, dan kita memakai, menduduki, dan memakan makanan padat. Gerakan molekul lebih terbatas pada cairan daripada gas; dan dalam padatan atom dan molekulnya dikemas lebih rapat lagi. Faktanya, dalam padatan mereka ditahan dalam posisi yang terdefinisi dengan baik dan mampu melakukan sedikit gerakan relatif satu sama lain. Dalam bab ini kita akan memeriksa struktur cairan dan padatan dan membahas beberapa sifat dasar dari kedua keadaan materi ini. Kita juga akan mempelajari sifat transisi di antara gas, cairan, dan padatan.