Pendahuluan Padat adalah salah satu bentuk dari suatu benda / zat materi ( contoh lainnya adalah gas dan cair). Zat padat atau padat ditandai dengan kekakuan struktural dan ketahanan terhadap perubahan bentuk atau volume. Tidak seperti zat cair, benda padat tidak mengalir dan berbentuk seperti bentuk wadahnya, juga tidak memperluas untuk mengisi seluruh volume yang tersedia untuk itu seperti gas. Atom-atom dalam padat terikat erat satu sama lain, baik dalam kisi geometris biasa (kristal, yang mencakup logam dan air es biasa) atau tidak teratur (padatan amorf seperti kaca). Dalam benda padat, atom / molekul berdekatan, atau "keras"; tetapi, tidak mencegah benda padat berubah bentuk atau terkompresi. Dalam fase padat, atom memiliki order ruang; karena semua benda memiliki energi kinetik, atom dalam benda padat yang paling keras bergerak sedikit, sed ikit, tetapi gerakan ini tak terlihat. Cabang fisika yang berhubungan dengan zat padat disebut fisika zat padat, dan merupakan cabang utama fisika benda terkondensasi (yang juga termasuk cairan). Materi ilmu pengetahuan terutama berkaitan dengan sifat fisik dan kimia padatan. Solid-state kimia ini terutama berkaitan dengan sintesis material baru, serta ilmu ilmu identifikasi dan komposisi kimia. Zat padat adalah sebuah objek yang cenderung mempertahankan bentuknya
ketika gaya luar mempengaruhinya. Karena
kepadatannya itu, bahan padat digunakan dalam bangunan yang semua strukturnya komplek yang berbentuk. Seorang ahli mempelajari alat-alat mekanik dari bahan material, seperti baja dan beton, digunakan untuk struktur yang yang akan dia bangun, demikian pula, ini juga menarik minat ahli biologi untuk mengetahui sesuatu tentang alat-alat material, seperti seperti kayu dan tulang yang berasal dari komponen tanaman tanaman dan binatang. Dalam bagian ini mendiskusikan pokok-pokok bagian dari zat padat dan beberapa kelompok-kelompok dari materi biologi
Sifat - sifat zat padat 1. Elastisitas: Zat padat apabila telah mengalami cacat maka tidak dapat kembali seperti bentuk lainnya. Contohnya adalah batu. 2. Kerapuhan: Sebuah benda padat dapat masuk ke dalam banyak potongan (rapuh). 3. Kekerasan: ada padatan yang tidak dapat tergores. Intan adalah benda padat dengan kekerasan yang tinggi. 4. Bentuk nyata: Benda padat dapat dilihat secara jelas, relatif kaku dan tidak mengalir seperti halnya gas dan cairan, kecuali di bawah tekanan yang ekstrim. 5. Volumenya bisa dirasakan : Karena mereka memiliki bentuk yang pasti, volumenya juga konstan. 6. Tinggi air: Padat memiliki kerapatan yang relatif tinggi karena kedekatan molekul yang dikatakan "lebih berat" 7. Flotasi: Beberapa padatan memenuhi sifat, hanya jika densitasnya lebih rendah dari cairan dimana ia ditempatkan. 8. Inersia: resistensi merupakan sistem fisik benda padat untuk berubah, dalam kasus padatan menempatkan perlawanan. 9. Keteguhan : Dalam Ilmu Bahan ketangguhan adalah ketahanan suatu bahan untuk menyebarkan retak atau celah-celah. 10. Kelenturan: Sifat benda padat yang memiliki badan yang akan dibentuk oleh deformasi. Kelenturan ini memungkinkan produksi lembaran tipis bahan tanpa melanggar itu, memiliki kesamaan bahwa tidak ada metode untuk mengukur mereka. 11. Daktilitas
Kristalisasi Kristalisasi adalah proses terbentuknya fasa padatan kristalin. Kristal adalah fasa padatan berbentuk tertentu/spesifik dimana permukaannya berupa kisi-kisi. Bentuk kristal yang spesifik ini disebut dengan kristal habit : contoh bentuk kubus, prisma, octahedron, rhombic dan lain lain.
Dipandang dari asalnya, kristalisasi dapat dibagi menjadi 3 proses utama :
Kristalisasi dari larutan ( solution ) : merupakan proses kristalisasi yang umum dijumpai di bidang Teknik Kimia : pembuatan produk-produk kristal senyawa anorganik maupun organic seperti urea, gula pasir, sodium glutamat, asam sitrat, garam dapur, tawas, fero sulfat dll.
Kristalisasi dari lelehan ( melt ) : dikembangkan khususnya untuk pembuatan silicon single kristal yang selanjutnya dibuat silicon waver yang merupakan bahan dasar pembutan chip-chip integrated circuit ( IC ). Proses Prilling ataupun granulasi sering dimasukkan dalam tipe kristalisasi ini.
Kristalisasi dari fasa Uap : adalah proses sublimasi -desublimasi dimana suatu senyawa dalam fasa uap disublimasikan membentuk kristal. Dalam industri prosesnya bisa meliputi beberapa tahapan untuk mendapatkan produk kristal yang murni. Contohnya pemisahan suatu senyawa dari campurannya melalui tahapan proses : Padat Contohnya:
cair pemurnian
uap anthracene,
padat kristalin. anthraquinon,
camphor,
thymol,
uranium
hexafluoride, zirconium tetrachloride, sulphur. Kristalisasi merupakan proses separasi suatu solute dari larutannya membentuk fasa padatan kristalin, artinya solute dalam larutan akan berpindah dan menempel ke permukaan kristal induk, sehingga seolah-olah kristal induknya tumbuh membesar sesuai dengan bentuk habitnya. Proses separasi dengan Kristalisasi mempunyai kelebihan a.l. :
Dapat diperoleh kemurnian produk kristal dari solute yang cukup tinggi hanya dalam satu stage/langkah operasi. Dengan design dan operasionalisasi kristaliser yang baik, dapat diperoleh kemurnian sampai lebih dari 99 % dengan mudah.
Produk akhir berupa padatan kristalin yang mempunyai bentuk habit, ukuran yang seragam sehingga meningkatkan daya tarik, kemudahan handling, packing dan penjualan ataupun prosesing lanjutannya.
Tetapi proses kristalisasi juga punya kelemahan antara lain :
Purifikasi multi komponen ( lebih dari satu ) dalam suatu larutan tidak bisa dilakukan dengan satu tahapan operasi.
Tidak memungkinkan separasi semua solute dari larutannya dalam satu tahapan operasi kristalisasi, karena terbentur pada sifat kelarutan solute itu sendiri.
Karena kristalisasi menyangkut proses pemisahan dan handling 2 macam fasa : cair dan padatan, maka proses kristalisasi digunakan apabila proses pemisahan dengan cara lain tidak memungkinkan lagi baik ditinjau dari segi teknis maupun ekonomis. Contoh proses kristalisasi lebih feasible dibanding proses distilasi untuk pemisahan campuran naphthalene benzene; pemisahan ortho, metha dan para xylene. Kristalisasi merupakan proses pemisahan/separasi solute dari fasa larutannya membentuk fasa padatan sendiri yang memakai fenomena dasar : mass transfer dan sebagai driving forcenya adalah beda konsentrasi solute
di dalam larutan dengan di boundary layer permukaan kristal. Suatu larutan yang terdiri dari solute ( zat terlarut ) dan solvent ( zat pelarut ) dapat mempunyai konsentrasi solute yang berbeda-beda, sehingga dikenal :
Larutan belum jenuh ( unsaturated solution ): larutan ini masih mampu menerima tambahan solute. Sehingga bila larutan ini ditambah zat padat, maka zat padat tersebut masih bisa melarut sebagian/semuanya.
Larutan jenuh = saturasi ( saturated solution ) : larutan ini pada kondisi stabil = setimbang = equilibrium, yang artinya jumlah solute yang terlarut tepat pada batas kemampuan melarutkan dari solvent. Sehingga bila larutan ini ditambah lagi zat padat, tidak lagi bisa melarutkannya.
Larutan lewat jenuh ( supersaturated solution ) : konsentrasi solute di dalam larutan ini sudah melebihi kelarutannya, artinya konsentrasi solute dalam larutan tersebut sudah melewati konsentrasi jenuhnya.
Kelarutan suatu zat padat dalam suatu solvent adalah jumlah zat padat yang bisa melarut dalam suatu solvent (
menjadi solute ). Kelarutan suatu zat padat dalam suatu solvent
berbeda-beda tergantung pada senyawanya serta suhu/temperature solventnya. Sehingga dikatakan kelarutan suatu zat padat dalam suatu solvent tergantung pada suhu. Ada kecenderungan, semakin tinggi suhu semakin besar pula zat padat yang bisa dilarutkan, sehingga dikatakan kelarutan zat padat dalam solvent merupakan fungsi suhu.
Sering kita mendengar ( khususnya di kimia dasar kalau dikatakan Kalsium Karbonat ataupun Kalsium Sulfat selalu mengendap/tidak larut dalam air, pernyataan itu sebenarnya kurang tepat, karena sebenarnya kedua senyawa tersebut kelarutannya dalam air sangat kecil sekali, sehingga dianggap/diasumsikan kedua senyawa tersebut semuanya mengendap.
Kurva saturasi
Area supersaturasi Concentr.
Area Unsaturasi
Suhu
Dengan pengertian diatas, maka proses kristalisasi adalah kebalikannya proses pelarutan. Kalau proses pelarutan terjadi mass transfer dari fasa padatan ke fasa larutan, maka dalam proses kristalisasi terjadi mass transfer dari fasa larutan ke fasa padatan yaitu berpindahnya solute dari fasa larutan ke fasa padatan permukaan kristal. Suatu kristal yang dimasukkan ke dalam suatu solvent, maka dipermukaan kristal tersebut ada suatu lapisan tipis yang disebut
‘boundary layer’. Dalam boundary layer ini selalu terjadi equilibrium solute concentration dimana konsentrasi solute konsentrasi larutan jenuh ( saturasi ) nya. Karena itu agar proses kristalisasi bisa berlangsung, maka konsentrasi solute dalam larutan harus lebih tinggi dari pada konsentrasi jenuh/saturasi di boundary layer, agar bisa terjadi mass transfer ( = difusi ) solute dari larutan ke boundary layer. ( ingat dasar dari phenomena transfer : arah transfer selalu terjadi dari potensi
driving force tinggi ke yang rendah ).
Molekul solute yang baru berdifusi masuk ke boundary layer ini akan mengubah equilibrium sehingga akan mendorong kembali terbentuknya kondisi equilibrium dengan cara mendorong solute excess tersebut untuk mengikatkan diri dengan molekul pembentuk kisi-kisi kristal. Dengan demikian terjadi penambahan lapisan/layer kristal baru dipermukaan kisi-kisi kristal yang lama. Hal sebaliknya akan terjadi bila suatu kristal dimasukkan ke larutan yang belum jenuh, dimana akan terjadi transfer molekul dari kisi-kisi permukaan ke dalam larutan, sehingga dikatakan kristalnya melarut dalam solvent.
Csupersaturasi Permukaan kisi kristal & Boundary layer
Csaturasi
Cunsaturasi Konsentrasi : C solute
Gb. Grafik profil konsentrasi solute di luar kisi-kisi permukaan kristal.
Pada saat terjadi pengikatan antara molekul solute ke kisi-kisi permukaan kristal yang berupa ikatan electron, akan terjadi efek panas yang disebut panas kristalisasi. Dan hal yang sebaliknya akan terjadi saat terjadi pelarutan molekul fasa padatan dari kisi-kisi permukaan \kristal akan terjadi panas pelarutan Secara kuantitatif, besarnya panas kristalisasi adalah
panas pelarutan. Driving force mass transfer proses kristalisasi adalah beda konsentrasi solute di dalam larutan dengan konsentrasi solute di boundary layer :
C
yaitu derajat supersaturasi larutan (
degree of supersaturation ) :
C
= Clarutan - C boundary layer
= Csuper-sat -
Semakin besar driving force :
C
Csaturasi
, proses diffusi solute dari larutan ke permukaan kristal
semakin cepat, maka semakin tinggi kecepatan kristalisasinya.
Tetapi bila kecepatan kristalisasi terlalu cepat
kristal tumbuh terlalu cepat, maka
ada kemungkinan molekul solute yang lain (sebagai impuritas) akan ikut terseret masuk dan terperangkap didalam lapisan/layer baru yang terbentuk. Akibatnya kemurnian kristal produk akan berkurang.
Adanya impuritas yang terlalu banyak
dalam larutan yang akan dikristalkan dan
pengaturan kecepatan pengadukan akan menentukan ataupun dapat mengubah bentuk kristal produk ( habit modification ). Karena itu dalam industri sering harus dilakukan pemurnian larutan yang akan dikristalkan terlebih dahulu.
Kapasitas Panas Zat Padat Pada bagian ini akan dibahas Kapasitas panas dan Kapasitas panas jenis khusus untuk gas Sempurna. Satuan kalor atau panas adalah kalori atau BTU (British thermal unit). Satu kalori didefinisikan sebagai panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 gram air denagn 1 oC. Satu BTU didefinisikan sebagai panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 lb air dengan 1 oF Oleh karena 1 lb = 454 gram dan 1 skala F = 5/9 Skala Celsius, maka 1 BTU = 252 kalori . Kapasitas panas suatu zat ialah banyaknnya panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu zat itu dengan 1K. Jika suhu zat itu naik dengn dT dan kapasits panas zat itu C, maka panas yang diperlukan adalah dQ = C dT Jadi Kapasitas panas zat itu adalah C = dQ /dT C merupakan fungsi dari T. Artinya kenaikan suhu dari 273 K menjadi 274 diperlukan panas yang berbeda dengan kenaikan suhu dari 300 K menjadi 301 K.
Kapasitas panas rata-rata
C = Q/DT
Satuan C dalam (SI) adalah J K-1. Jika kapasitas panas dibagi dengan massa zat m, hasilnya disebut kapasitas panas jenis, c. c = C/m = dQ /(m.dT) = dq/dT Satuan kapasitas panas jenis adalah Jkg-1K. C merupakan fungsi dari T. Artinya kenaikan suhu dari 273 K menjadi 274 diperlukan panas yang berbeda dengan kenaikan suhu dari 300 K menjadi 301 K.
Kapasitas panas rata-rata C = Q/DT
Satuan C dalam (SI) adalah J K-1
Jika kapasitas panas dibagi dengan massa zat m, hasilnya disebut kapasitas panas jenis, c. c = C/m = dQ /(m.dT) = dq/dT Satuan kapasitas panas jenis adalah Jkg-1K q = (u2-u1) + w
(H. I Termodinamika)
l = (u2-u1) + (p2v2 – p1v1 ) atau (u2-u1) = l – (p2v2 – p1v1) l = (u2 +p2v2 )-( u1 + p1v1) Suku-suku dalam kurung pada ruas kanan disebut entalpi, diberi lambang h, jadi, h = u + pv Dengan demikian panas transformasi ditulis l = h2 – h1 Karena p, v, dan u adalah variabel keadaan, maka h juga variabel keadaan dan diferensialnya adalah diferensial eksak. Selanjutnya akan digunakan lambang-lambang berikut l pc : untuk perubahan fase padat ke cair (proses pencairan) l cu : untuk perubahan fase cair ke uap (proses penguapan) l pu : untuk perubahan fase padat ke uap (proses sublimasi). Entalpi untuk bermacam fase digunakan lambang.hp, hc, dan hu (untuk entalpi padat, cair dan uap). l pc = hc - hp l cu = hu - hc l pu = hu- hp
Ternyata l cu untuk air berubah dengan suhu, yaitu turun bila suhu naik, dan menjadi nol pada suhu kritis, yaitu untuk air adalah 374 oC. Bila suatu zat sebagian dalam keadaan cair dan sebagian lagi dalam keadaan uap pada suhu jenuh, maka kualitas zat itu didefinisikan sebagai nisbah massa uap dengan massa total dan diberi lambang x, x = mu/m = mu/(mc+mu) V = Vc + Vu atau mv = mcvc + muvu v = mc vc/m + mu vu/m = (m-mu)vc/m + muvu/m = (1- x)vc + xvu atau v = vc + x(vu-vc) = vc +xvcu dengan vcu = vu - vc Untuk Energi Dalam U = Uc + Uu atau mu = mcuc + muuu Bila ruas kiri dan akan dibagi dengan m , diperoleh u = (mcuc)/m + (muuu)/m = (m – mu)uc/m + (muuu)/m = (1-X) uc + X uu = uc + X (uu-uc) = uc + Xucu, Dimana n untuk Entalpi
Defraksi Sinar X
DIFRAKSI SINAR X Difraksi dapat memastikan stuktur atomik dari kristal dan mengambarkan tiga dimensi susunan sesungguhnya atom atom itu. Contoh kristal NaCl :
d
Tiga Dimensi
Dua Dimensi
Difraksi Sinar-X Difraksi sinar-X merupakan teknik yang digunakan untuk menganalisis padatan kristalin. Sinar-X merupakan radiasi gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang
sekitar 1 Å, berada di antara panjang gelombang sinar gama (γ) dan sinar ultraviolet. Sinar -X dihasilkan jika elektron berkecepatan tinggi menu mbuk suatu logam target (Gambar 1).
Gambar 1. Pembentukan sinar-X. Elektron berkecepatan tinggi yang mengenai elektron pada orbital 1s akan menyebabkan elektron tereksitasi menyebabkan kekosongan (□ ) pada orbital 1s tersebut, dengan adanya pengisian elektron pada orbital kosong tersebut dari orbital yang lebih tinggi energinya akan memberikan pancaran sinar-X. Sinar-X yang diperoleh memberikan intensitas puncak tertentu yang bergantung pada kebolehjadian transisi elektron yang terjadi. Tr ansisi Kα lebih mungkin terjadi dan memiliki
intensitas yang lebih tinggi daripada transisi Kβ, sehingga radiasi Kα yang digunakan untuk keperluan difraksi sinar-X. Sinar-X juga dapat dihasilkan oleh proses perlambatan elektron pada saat menembus logam sasaran. Proses perlambatan ini menghasilkan sinar-X yang biasa disebut sebagai radiasi putih. Hasil dari semua proses tadi untuk logam tertentu adalah spektrum khas sinar-X, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Terdapat bentuk dasar yang
terbentuk oleh radiasi putih dan puncak khas tajam yang bergantung pada kuantisasi transisi e.
Gambar 2.Spektrum panjang gelombang sinar-X pada logam. Terdapat beberapa jenis pancaran panjang gelombang yang dihasilkan dengan intensitas yang berbeda, dimana panjang gelombang Kα1 memiliki intensitas yang lebih tinggi, sehingga digunakan dalam difraksi sinar-X. Sinar-X yang monokromatis sangat diperlukan dalam suatu eksperimen difraksi sinar-X. Untuk tujuan itu salah satun ya dapat digunakan filter, yang secara selektif meneruskan panjang gelombang yang ingin digunakan. Untuk sinar-X dari tabung tembaga, biasanya digunakan lembaran nikel sebagai filter. Nikel sangat efektif
dalam meneruskan radiasi Cu Kα, karena radiasi Cu Kβ memiliki cukup energi untuk mengionisasi elek tron 1s Nikel, sedangkan radiasi Cu Kα tidak cukup untuk mengionisasi. Dengan demikian, lembaran nikel tersebut akan mengabsorpsi semua panjang gelombang
termasuk radiasi putih, kecuali radiasi Cu Kα.
Hukum Bragg Suatu kristal memiliki susunan atom yang tersusun secara teratur dan berulang, memiliki jarak antar atom yang ordenya sama dengan panjang gelombang sinar-X. Akibatnya, bila seberkas sinar-X ditembakkan pada suatu material kristalin maka sinar tersebut akan menghasilkan pola difraksi khas. Pola difraksi yang dihasilkan sesuai dengan susunan atom pada kristal tersebut. Menurut pendekatan Bragg, kristal dapat dipandang terdiri atas bidang bidang datar (kisi kristal) yang masing-masing berfungsi sebagai cermin semi transparan. Jika sinar-X ditembakkan pada tumpukan bidang datar tersebut, maka beberapa akan dipantulkan oleh bidang tersebut dengan sudut pantul yang sama dengan sudut datangnya, seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 3, sedangkan sisanya akan diteruskan menembus bidang. Perumusan secara matematik dapat dikemukakan dengan menghubungkan panjang gelombang sinar-X, jarak antar bidang dalam kristal, dan sudut difraksi:
nλ = 2d sin θ (Persamaan Bragg) λ adalah panjang gelombang sinar -X, d adalah jarak antar kisi kristal, θ adalah sudut dat ang sinar, dan n = 1, 2, 3, dan seterusnya adalah orde difraksi. Persamaan Bragg tersebut digunakan untuk menentukan parameter sel kristal. Sedangkan untuk menentukan struktur kristal, dengan menggunakan metoda komputasi kristalografik, data intensitas digunakan untuk menentukan posisi-posisi atomnya.
Gambar 3.
Pemantulan berkas sinar-X monokromatis oleh dua bidang kisi dalam kristal,
dengan sudut sebesar θ dan jarak antara bidang kisi sebesar dhkl Difraksi Sinar-X Serbuk Salah satu teknik yang digunakan untuk menentukan struktur suatu padatan kristalin, adalah metoda difraksi sinar-X serbuk (X-ray powder diffraction). Sampel berupa serbuk padatan kristalin yang memiliki sejumlah besar kristal kecil dengan diameter butiran kristalnya sekitar 10-7 – 10-4 m ditempatkan pada suatu plat kaca dalam difraktometer seperti terlihat pada Gambar 4.
Gambar 4
Skema difraktometer sinar-X serbuk.
Tabung sinar-X akan mengeluarkan sinar-X yang yang difokuskan sehingga mengenai sampel oleh pemfokus, detektor akan bergerak sepanjang lintasannya, untuk merekam pola difraksi sinar-X. Pola difraksi yang dihasilkan berupa deretan puncak-puncak difraksi dengan
intensitas relatif yang bervariasi sepanjang nilai 2θ tertentu. Besarnya intensitas relatif puncak dari deretan puncak tersebut bergantung pada jumlah atom atau ion yang ada, dan distribusinya di dalam sel satuan material tersebut. Pola difraksi setiap padatan kristalin khas, yang bergantung pada kisi kristal, unit parameter, dan panjang gelombang sinar-X yang digunakan. Dengan demikian, sangat kecil kemungkinan dihasilkan pola difraksi yang sama untuk suatu padatan kristalin yang berbeda.
Gambar 5. Pola Difraksi Sinar-X Serbuk
Metode Le Bail Pada pola difraksi sinar-X serbuk sering terjadi adanya overlap pada puncak difraksi
terutama pada nilai 2θ yang tinggi. Dengan adanya overlap tersebut menyebabkan sulitnya pemisahan intensitas dari tiap-tiap pemantulan sinar, sehingga penentuan struktur sukar dilakukan. Namun, dengan metoda Rietveld, kini dimungkinkan untuk menentukan struktur kristal, terutama untuk struktur yang relatif sederhana, dari data difraksi serbuk. Sebagai langkah awal penggunaan metoda Rietveld, sering digunakan metoda Le Bail. Pada metode Le Bail, intensitas dari berbagai puncak difraksi dihitung dengan hanya menggunakan parameter sel satuan dan parameter yang mendefinisikan puncak. Dari analisis Le Bail akan didapatkan parameter sel dan plot Le Bail mirip plot Rietveld.
Gambar 6. Hasil Refinement Pola Difraksi Sinar-X Serbuk Men ggunakan Metode Le Bail Dengan Menggunakan Program Rietica.
TUGAS KIMIA FISIKA ZAT PADAT
Oleh: Kelompok 11 Liga Indriyani
(2312030027)
HerlindaSeptiany
(2312030033)
Hanindito Saktya
(2312030087)
Regine Generis
(2312030105)
Kelas A D3 Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Nopember Surabaya 2012
