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, 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 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 akan dia bangun, demikian pula, ini juga menarik

minat ahli biologi untuk mengetahui sesuatu tentang alat-alat material, seperti kayu dan

tulang yang berasal dari komponen 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 cair uap padat kristalin.

Contohnya: pemurnian anthracene, 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 Area

Concentr. 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 - Cboundary layer

= Csuper-sat - Csaturasi

Semakin besar driving force : C , 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 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 menumbuk 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. Transisi 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 satunya 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 elektron 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 datang

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 Menggunakan 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