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