Struktur padatan kristalin

a. Susunan terjejal

Banyak senyawa, khususnya kristal logam dan molekular mempunyai sifat umum yang memaksimalkan kerapatannya dengan menyusun partikel-partiklenya serapat mungkin. Sruktur kristal semacam ini disebut dengan struktur terjejal.

Sebagai contoh, perhatikan susunan terjejal kristal logam yang terdiri atas atom sferik (bola). Bola-bola ini disusun dalam lapisan. Lapisan pertama harus disusun seperti gambar 8.4(a) untuk mendapatkan susunan terjejal. Setiap bola di lapisan kedua menempati lubang yang dibentuk oleh tiga bola di lapisan pertama. Ini adalah cara yang paling efisien untuk menggunakan ruang yang tersedia (Gambar 8.4(b)). Ada dua cara untuk meletakkan lapisan ketiganya. Salah satunya adalah dengan meletakkan langsung di atas bola lapisan pertama (Gambar 8.4(c)), dan cara yang kedua adalah dengan meletakkannya di atas lubang lapisan kedua (Gambar 8.4(d)). Untuk mudahnya, cara pertama disebut dengan susunan abab, dan sruktur yang dihasilkan disebut dengan heksagonal terjejal. Cara yang kedua disebut dengan susunan abc dan sruktur yang dihasilkan disebut dengan kubus terjejal.

Susunan terjejal apapun akan memiliki sifat umum: (1) bola-bola itu akan menempati. 74% ruang yang tersedia; (2) setiap bola dikelilingi oleh 12 bola tetangganya; (3) enam bola dari 12 ada di lapis yang sama dan tiga di lapis atasnya dan tiga sisanya dari lapis di bawahnya. Jumlah bola yang beresentuhan dengan bola yang menjadi acuan disebut dengan bilangan koordinasi. Untuk struktur terjejal, bilangan koordinasi adalah 12, yang merupakan bilangan koordinasi maksimum. Dalam kasus ini, empat partikel dimasukkan dalam satu sel satuan.

Gambar 8.4 Struktur terjejal
(a) Satu lapisan khas. Setiap bola dikelilingi oleh 12 bola lain. (b) Lapisan kedua yang mirip dengan lapisan pertama. Setiap bola akan menempati lubang yang terbentuk oleh tiga bola di lapis pertama. (c) setiap bola di lapisan ketiga akan terletak persis di atas lapisan pertama (susunan aba). (d) setiap bola di lapisan ketiga terletak di atas lubang lapisan pertama yang tidak digunaka oleh lapisan kedua (susunan abc).

Perak mengkristal dalam susunan kubus terjejal. Bila kristalnya dipotong seperti ditunjukkan di Gambar 8.5, satu bola akan terletak di pusat setiap muka kubus. Karena satu bola (satu atom) terletak di setiap pusat muka kubus, maka kisi ini disebut dengan kisi berpusat muka.

Gambar 8.5 Kisi kubus berpusat muka
Dalam kasus ini, hubungan antara r, jari-jari bola dan d,
panjang sel satuan, dapat ditentukan dengan teorema Pythagoras.

b. Kubus berpusat badan

Beberapa logam , seperti logam alkali, mengkristal dalam kisi kubus berpusat badan, yang mengandung bola yang terletak di pusat kubus dan di sudut-sudut kubus sel satuan sebagaimana diperlihatkan di Gambar 8.6. Cara penyusunan ini disebut dengan kisi kubus berusat badan.

Latihan 8.2 Susunan kristal logam

c. Analisis kristalografi sinar-X

Teknik analisis kristalografi sinar-X pertama dikenalkan di awal abad 20, dan sejak itu telah digunakan dengan meluas untuk penentuan struktur berbagai senyawa. Teknik ini dengan sempurna telah menyelesaikan berbagai masalah yang sebelumnya tidak dapat diselesaikan. Tahap awal dicapai oleh William Henry Bragg (1862-1942), sang ayah, dan William Laurence Bragg (1890-1971), anaknya, yang menentukan struktur garam dan intan.

Hingga beberapa tahun terakhir, analisis kristalografi sinar-X hanya dilakukan para spesialis, yakni kristalografer, apapun molekul targetnya. Sungguh, pengukuran dan pemrosesan data yang diperlukan memerlukan pengetahuan dan pengalaman yang banyak. Namiun kini, berkat perkembangan yang cepat dan banyak dalam bidang hardware maupun software kristalografi sinar-X, pengukuran kristalografi sinar-X telah menjadi mungkin dilakukan dengan training yang lebih singkat. Kini, bahkan kimiawan sintesis yang minat utamanya sintesis dan melakukan analisis kristalografi sinar-X sendiri. Akibatnya molekul target yang dipelajari oleh para spesialis menjadi semakin rumit, dan bahkan struktur protein kini dapat dielusidasi bila massa molekulnya tidak terlalu besar. Kini pengetahuan tentang analisis kristalografi diperlukan semua kimiawan selain NMR (Bab 13.3).

Difraksi cahaya terjadi dalam zat bila jarak antar partikel-partikelnya yang tersusun teratur dan panjang gelombang cahaya yang digunakan sebanding. Gelombang terdifraksi akan saling menguatkan bila gelombangnya sefasa, tetapi akan saling meniadakan bila tidak sefasa. Bila kristal dikenai sinar-X monokromatis, akan diperoleh pola difraksi. Pola difraksi ini bergantung pada jarak antar titik kisi yang menentukan apakah gelombang akan saling menguatkan atau meniadakan.

Gambar 8.7 Kondisi difraksi Bragg.
Difraksi sinar- X oleh atom yang terletak di dua lapis kristal. Bila selisih lintasan optis, xy + yz = 2dsinθ, sama dengan kelipatan bulat panjang gelombang, gelombang tersebut akan saling menguatkan.

Andaikan panjang gelombang sinar-X adalah λ (Gambar 8.7). Bila selisih antara lintasan optik sinar-X yang direfleksikan oleh atom di lapisan pertama dan oleh atom yang ada di lapisan kedua adalah 2dsinθ, gelombang-gelombang itu akan saling menguatkan dan menghasilkan pola difraksi. Intensitas pola difraksi akan memberikan maksimum bila:

nλ = 2dsinθ … (8.1)

Persamaan ini disebut dengan kondisi Bragg.

Kondisi Bragg dapat diterapkan untuk dua tujuan. Bila jarak antar atom diketahui, panjang gelombang sinar-X dapat ditentukan dengan mengukur sudut difraksi. Moseley menggunakan metoda ini ketika ia menentukan panjang gelombang sinar X berbagai unsur. Di pihak lain, bila panjang gelombang sinar-X diketahui, jarak antar atom dapat ditentikan dengan mengukur sudut difraksi. Prinsip inilah dasar analisis kristalografi sinar-X.