Dokumen ini membahas struktur kristal, termasuk pengertian, proses pembentukan, dan jenis-jenis ikatan dalam kristal. Kristal terbentuk dari atom atau molekul yang teratur dalam pola tiga dimensi, dan dapat dibedakan menjadi kristal tunggal atau polikristalin. Selain itu, dokumen menjelaskan sifat-sifat fizikal dan kimia dari berbagai jenis kristal serta perbedaan antara padatan kristal, polikristalin, dan amorf.

1. MATERIAL TEKNIK
STRUKTUR KRISTAL

2. Struktur Kristal
Kristal atau hablur adalah suatu padatan yang atom, molekul, atau ion penyusunnya terkemas
secara teratur dan polanya berulang melebar secara tiga dimensi. Secara umum, zat cair membentuk
kristal ketika mengalami proses pemadatan. Pada kondisi ideal, hasilnya bisa berupa kristal tunggal,
yang semua atom-atom dalam padatannya "terpasang" pada kisi atau struktur kristal yang sama, tapi,
secara umum, kebanyakan kristal terbentuk secara simultan sehingga menghasilkan padatan
polikristalin. Misalnya, kebanyakan logam yang kita temui sehari-hari merupakan polikristal. Struktur
kristal mana yang akan terbentuk dari suatu cairan tergantung pada kimia cairannya sendiri, kondisi
ketika terjadi pemadatan, dan tekanan ambien. Proses terbentuknya struktur kristalin dikenal
sebagai kristalisasi.

3. Meskipun istilah "kristal" memiliki makna yang sudah ditentukan dalam ilmu material dan fisika
zat padat, dalam kehidupan sehari-hari "kristal" merujuk pada benda padat yang menunjukkan bentuk
geometri tertentu, dan kerap kali sedap di mata. Berbagai bentuk kristal tersebut dapat ditemukan di
alam. Bentuk-bentuk kristal ini bergantung pada jenis ikatan molekuler antara atom-atom untuk
menentukan strukturnya, dan juga keadaan terciptanya kristal tersebut. Bunga salju, intan, dan garam
dapur adalah contoh-contoh kristal. Beberapa material kristalin mungkin menunjukkan sifat-sifat
elektrik khas, seperti efek feroelektrik atau efek piezoelektrik. Kelakuan cahaya dalam kristal
dijelaskan dalam optika kristal. Dalam struktur dielektrik periodik serangkaian sifat-sifat optis unik
dapat ditemukan seperti yang dijelaskan dalam kristal fotonik. Kristal fotonik adalah struktur buatan
dari sekurang-kurangnya dua bahan dielektrik periodik yang memiliki indeks bias berbeda dengan
periodisitas (konstanta kisi) yang sebanding dengan panjang gelombang cahaya.

4. Kristal ionik terbentuk karena adanya gaya tarik antara ion bermuatan positif dan negatif. Umumnya,
kristal ionik memiliki titik leleh tinggi dan hantaran listrik yang rendah. Contoh dari kristal ionik
adalah NaCl, LiF, AgCl, Zn. Kristal ionik tidak memiliki arah khusus seperti kristal kovalen sehingga
pada kristal NaCl misalnya, ion natrium akan berinteraksi dengan semua ion klorida dengan intensitas
interaksi yang beragam dan ion klorida akan berinteraksi dengan seluruh ion natriumnya. Secara
umum kristal ion mempunyai struktur yang rapat dan tidak mempunyai pori disebabkan oleh karena
adanya interaksi Coulomb yang kuat diantara anion dan kation (Uchida and Mizuno, 2007). Dengan
menggunakan makrokation dan makroanion sebagai bahan dasar, maka interaksi Coulomb diantara ion-
ion dapat dikurangi sehingga membentuk kristal ion dengan adanya rongga atau pori yang dapat
dimanfaatkan untuk katalis, adsorpsi selektif maupun pemisahan (Kawamoto et al., 2005).

5. Gambar 1.1 Sel unit Kristal material padat

6. Struktur kristal material dapat dikelompokkan ke dalam salah satu dari tujuh sistem
dasar dan diatur dalam 14 cara yang berbeda, yang disebut kisi Bravais (Gb. 1.1). Perlu dicatat
bahwa satuan panjang tepi sel dan sudut aksial yang unik untuk setiap bahan kristal. Dimensi
Kristal yang unik disebut parameter kisi. Sudut aksial selain 90 ° atau 120 ° juga dapat
berubah sedikit dengan perubahan dalam komposisi. Ketika kisi sel satuan tidak sama di semua
tiga arah, semua panjang yang tidak sama harus dinyatakan secara benar untuk mendefinisikan
sistem kristal. Hal yang sama juga berlaku untuk semua sudut aksial tidak sama seperti dalam
Tabel 1.1.

7. Gambar 1.2. Ilustrasi parameter kisi
Struktur kristal terdiri dari atom, atau molekul, yang
diatur dalam pola berulang dalam tiga dimensi. Susunan atom
atau molekul di bagian dalam kristal disebut struktur kristalnya.
Sebuah distribusi poin (atau atom) dalam tiga dimensi dikatakan
membentuk kisi ruang jika setiap titik memiliki lingkungan yang
identik (Gb. 1.1). Ketika mendiskusikan struktur kristal, biasanya
diasumsikan bahwa kisi ruang berlanjut hingga tak terbatas ke
segala arah. Dalam hal dari kristal yang khas, atau butiran, dari
besi 0,01 inci dalam ukuran, terdapat 1018 atom besi dalam
bentuk butir, pendekatan hingga tak terbatas tampaknya jauh
lebih masuk akal. Perpotongan garis, yang disebut titik kisi,
merupakan lokasi di ruang angkasa dengan jenis yang sama dari
atom atau kelompok atom komposisi identik, pengaturan, dan
orientasi. Geometri kisi ruang ditentukan oleh konstanta kisi a,
b, dan c dan sudut interaxial α, β, dan γ seperti dalam Gb.1.2.
Sel satuan kristal adalah pola terkecil dari pengaturan yang
dapat terkandung dalam sebuah parallelepiped, tepi yang
membentuk a, b, dan c dari sumbu kristal.

8. Dalam system kristallografi kepadatan tatanan atom dapat ditentukan oleh factor kepadatan atom
(FKA), yang dirumuskan dalam pers. 1.1. Disamping itu berat jenis material padat juga dapat ditentukan oleh
tatanan atom dalam Kristal seperti dalam pers 1.2.
𝐹𝑃𝐴 =
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝐴𝑡𝑜𝑚 𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝑈𝑛𝑖𝑡 𝑆𝑒𝑙
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑈𝑛𝑖𝑡 𝑆𝑒𝑙
(1.1)
Dan Mass density = mass/volume (1.2)
Dengan memasukan tingkat kepadatan atom kedalam pres. 1.2, maka persamaan berat jenis material menjadi:
NA = 6,023x1023 atom/mol

9. Gambar 1.3. Struktur Kristal metalik
a. BCC
b. FCC
c. HCP
Ikatan logam terjadi ketika masing-masing atom-atom logam
menyumbangkan elektron valensi luarnya ke pembentukan awan elektron yang
mengelilingi ion logam bermuatan positif. Oleh karena itu, elektron valensi
dibagi oleh semua atom. Dalam ikatan ini, ion bermuatan positif saling tolak
seragam sehingga mereka mengatur diri menjadi pola rutin yang
diselenggarakan bersama oleh awan elektron bermuatan negatif. Karena awan
elektron negatif mengelilingi masing-masing ion positif yang membentuk
struktur tiga dimensi kristal tertib, daya tarik listrik yang kuat memegang
logam bersama-sama. Karakteristik ikatan logam adalah kenyataan bahwa
setiap ion positif adalah setara. Idealnya, ion simetris diproduksi ketika
elektron valensi dihapus dari atom logam. Sebagai hasil dari simetri ion,
logam cenderung sangat simetris, struktur Kristal close-packed. Mereka juga
memiliki sejumlah besar atom tetangga terdekat (biasanya 8 sampai 12), yang
membantu menjelaskan kepadatan dan kekakuan elastis yang tinggi.

10. Gambar 1.4. Diagram volume HCP
dua atom di tengah segi enam dari kedua bagian atas dan lapisan bawah masing-masing
berkontribusi ½ atom dan masing-masing dari tiga atom di lapisan tengah berkontribusi 1 atom. Gb.1.4
merupakan uraian unit sel HCP dalam skala lebih besar. Jumlah koordinasi atom dalam struktur ini adalah
12. Ada enam tetangga terdekat di lapisan yang sama dikemas dekat, tiga di lapisan atas dan tiga di
lapisan bawah. Faktor kemasan adalah 0,74, sama dengan sel satuan FCC. Struktur HCP sangat umum
untuk unsur logam dan beberapa contoh termasuk berilium, kadmium, magnesium, titanium, seng dan
zirkonium.
a). Struktur Kristal HCP, b). Alas HCP, c). ∆ABC
alas HCP
Seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas
tengah, ada enam atom dalam sel satuan hcp.
Setiap dari 12 atom di sudut-sudut lapisan atas
dan bawah berkontribusi atom 1/6 ke sel unit,

11. Kedua struktur FCC dan HCP memiliki faktor kemasan dari
0,74, terdiri dari pesawat erat dikemas atom, dan memiliki bilangan
koordinasi dari 12. Perbedaan antara fcc dan hcp adalah urutan
susun. Lapisan siklus HCP antara dua posisi bergeser setara
sedangkan siklus lapisan FCC antara tiga posisi. Seperti dapat
dilihat pada gambar, struktur HCP hanya berisi dua jenis bidang
dengan pengaturan ABAB bergantian seperti dalam Gb. 1.5.
Perhatikan bagaimana atom dari bidang ketiga berada di posisi yang
sama persis seperti atom dalam bidang pertama. Namun, struktur
FCC mengandung tiga jenis bidang dengan pengaturan ABCABC.
Perhatikan bagaimana atom dalam baris A dan C tidak lagi selaras.
Ingat bahwa struktur kisi kubik memungkinkan slip terjadi lebih
mudah daripada kisi non-kubik, sehingga logam HCP yang tidak ulet
sebagai logam FCC.
Gambar
1.5.
Perbandingan
susunan
struktur
kristal

12. Metal Crystal Structure Atomic Radius (nm)
Aluminum FCC 0.1431
Cadmium HCP 0.1490
Chromium BCC 0.1249
Cobalt HCP 0.1253
Copper FCC 0.1278
Gold FCC 0.1442
Iron (Alpha) BCC 0.1241
Lead FCC 0.1750
Magnesium HCP 0.1599
Molybdenum BCC 0.1363
Nickel FCC 0.1246
Platinum FCC 0.1387
Silver FCC 0.1445
Tantalum BCC 0.1430
Titanium (Alpha) HCP 0.1445
Tungsten BCC 0.1371
Zinc HCP 0.1332
Tabel 1. Struktur kristal unsur logam stabil pada temperatur ruang

13. Gambar 1.6. Geometri struktur Kristal logam
Kristalinitas atau tingkat keteraturan geometri yang diukur berdasarkan jumlah atom yang
digantikan dari situs kisi periodiknya. Dan berdasarkan aspek geometri Kristal dibedakan atas: 1).
padatan kristal atau kristalin, jika semua atom atau molekul penyusun padatan tertata dalam kisi
ruang periodik 1,2 atau 3D. 2). padatan polikristal atau polikristalin, jika padatan mengandung banyak
kristalit (= butiran(grain): kristal kecil yang terorientasi random dan saling bergabung oleh gaya
elektrostatik). 3). padatan amorf, jika atom dan molekul semuanya tertata random dan tidak
membentuk kristalit. 4). Padatan dinyatakan imperfect jika tidak kristalin atau atom-atomnya
dipindahkan dari posisinya pada suatu tatanan titik periodic Imperfeksi perpindahan atom disebut
juga dengancacat fisis (physical defect)atau cacat(defect)saja. Hubungan butir atom dan struktur
kristal secara geometri seperti Gb.1.6. dan dimensi kisi strukturnya seperti dalam Tabel 2

14. Tabel 2. Dimensi struktur Kristal

15. Tabel 1.3. Jenis unsure dalam Tabel periodic unsur

16. Solidifikasi
Struktur kristal adalah bentuk normal logam ketika logam didinginkan di bawah titik leleh (asumsi).
Ketika suatu zat membeku pada pendinginan dari keadaan cair, membentuk zat padat yang dapat berisi baik
sebagai amorf atau struktur kristal. Sebuah struktur amorf pada dasarnya adalah sebuah struktur acak.
Meskipun mungkin berisi apa yang dikenal sebagai short-range order, di mana kelompok-kelompok kecil dari
atom diatur secara teratur, tidak mengandung long-range order, di mana semua atom tertata secara
teratur. Bahan amorf khususnya kaca dan hampir semua senyawa organik. Namun, logam, dalam kondisi beku
normal, biasanya membentuk kristal-jenis struktur long-range orderly. Kecuali untuk kaca, hampir semua
bahan keramik juga membentuk struktur kristal. Oleh karena itu, logam dan keramik, secara umum,
kristaline, sedangkan gelas dan polimer sebagian besar amorf. Komposisi khusus dari beberapa paduan
logam dapat dibuat untuk membentuk struktur amorf di bawah laju pendinginan yang sangat tinggi dari dari
kondisi cair, dengan demikian, mereka disebut sebagai logam amorf atau gelas metalik.

17. Terimakasih