20130911130943unit 9 struktur hablur i
TRANSCRIPT
S t r u k t u r H a b l u r ( 1 ) | 186
UNIT 9
STRUKTUR HABLUR (BAHAGIAN 1) HASIL PEMBELAJARAN Di akhir unit ini, anda diharap dapat: 1. Menerangkan rupa bentuk dan struktur hablur 2. Menjelaskan struktur dalaman kekisi hablur dan sel unit 3. Menentukan nombor koordinatan dan bilangan atom perunit sel sistem hablur kiub 4. Menghubungkait jejari atom dengan ketumpatan hablur sistem hablur kiub
PETA KONSEP TAJUK
Rupa Bentuk dan Struktur Hablur
Kekisi Hablur dan Sel Unit
Sel Unit Kiub
Jejari Atom bagi Sistem Hablur Kiub Nombor Koordinatan
Ketumpatan Hablur
Struktur Hablur
S t r u k t u r H a b l u r ( 1 ) | 187
9.1 Pengenalan
Pernahkah anda terfikir bagaimana bentuk sebenar serbuk garam yang digunakan dalam masakan di
dapur? Garam masakan (Rajah 9.1(a)) mempunyai struktur molekul NaCl dengan nama saintifiknya natrium
klorida. Apabila sebutir garam dianalisis menggunakan instrumen saintifik didapati garam ini terdiri daripada
susunan ion natrium (Na+) dan ion klorida (Cl-) yang berselang-seli di antara satu sama lain (Rajah 9.1(b)).
Ikatan ionik yang kuat terbentuk di antara ion natrium dan ion klorida.
Rajah 9.1 (a) Garam masakan (wisegeek.org), (b) Susunan natrium klorida (genesismission.4t.com)
Secara umumnya, pepejal boleh dikelaskan kepada pepejal berhablur dn pepejal amorfus. Pepejal berhablur
terdiri daripada atom atau molekul atau ion yang tersusun dalam tiga dimensi mengikut corak berulang-ulang
atau sekata. Ia juga mempunyai takat lebur yang tepat. Contoh pepejal berhablur ialah logam ferum atau
sebatian cesium klorida. Manakala pepejal amorfus pula terdiri daripada atom atau molekul atau ion yang tidak
tersusun secara teratur (berantai panjang dan berbelit-belit). Selalunya ia tidak mempunyai takat lebur yang
tepat dan contoh pepejal amorfus ialah kaca.
9.2 Rupa Bentuk dan Struktur Hablur
Hablur mempunyai satah bertemu pada sudut tertentu yang dipanggil muka. Sudut yang menemukan satah-
satah ini dinamakan sudut di antara muka. Muka dan sudut di antara muka akan menentukan bentuk hablur
yang terbentuk. Mari kita perhatikan struktur hablur natrium klorida yang berbentuk kiub seperti Rajah 9.2 di
bawah
Rajah 9.2 Struktur kiub natrium klorida
(a) (b)
Na+
Cl-
Na+
S t r u k t u r H a b l u r ( 1 ) | 188
Maklumat bentuk hablur boleh ditentukan dengan menggunakan instrumen X-ray kristalografi, manakala
maklumat mengenai susunan atom atau ion dalam hablur boleh didapati dengan menggunakan instrumen
pembelauan sinar-X. Pembelauan sinar-X melibatkan persamaan Bragg (Persamaan 9.1) yang
menghubungkaitkan di antara sudut pemantulan sinar- X yang dikenalan pada jarak gelombang tertentu pada
lapisan atom atau ion dengan jarak antara satah atau lapisan atom atau ion dalam hablur (Rajah 9.3).
Rajah 9.3 Belauan sinar-X
Persamaan Bragg
nλ = 2 d sin θ (9.1)
n = nombor bulat
θ = sudut antara alur dan lapisan atom
λ = jarak gelombang sinar-X
d = jarak antara satah atau lapisan atom atau ion dalam hablur
Dengan persamaan Bragg ini, nilai d bagi pepejal hablur boleh dikira daripada pengetahuan jarak gelombang, λ
dan nilai θ.
Contoh 9.1 Apabila sinar-X dengan jarak gelombang 0.157 nm dipantulkan pada satu hablur, sudut
pantulan bagi alur tertib pertama (n=1) adalah 25º, kirakan jarak antara lapisan atom dalam hablur
tersebut.
Penyelesaian
Dengan menggunakan persamaan Bragg (Persamaan 9.1)
nλ = 2 d sin θ
d = (1 x 0.157 nm) / (2 x sin 25º)
d = 0.186 nm
Sinar-X
θ
d
θ
S t r u k t u r H a b l u r ( 1 ) | 189
9.3 Kekisi Hablur dan Sel Unit
Hablur pepejal terdiri daripada suatu susunan teratur dan berulang-ulang dalam 3 dimensi zarah-zarah asas
seperti atom, ion atau molekul. Susunan ini dinamakan kekisi hablur atau kekisi ruang. Pada asasnya susunan
zarah-zarah dalam kekisi hablur terdiri daripada titik-titik dalam ruang yang membentuk corak tertentu dalam
geometri yang teratur. Kekisi hablur yang terkecil sekali dikenali sebagai sel unit yang mana ia adalah selaras
dengan formula sebatian yang terlibat. Contoh sel unit dalam susunan 2 dimensi (Rajah 9.4 (a) dan (b)) dan sel
unit bagi natrium klorida (Rajah 9.5 (a) dan (b)). Susunan titik-titik yang berulang dalam ruang yang mempunyai
sekitaran yang sama dikenali sebagai titik kekisi.
Rajah 9.4 Gambarajah susunan zarah atau atom dalam 2 dimensi yang menunjukkan kehadiran sel unit
Rajah 9.5 (a) Gambarajah kekisi hablur bagi natrium klorida dan (b) Kekisi hablur natrium klorida
disusun dalam 3 dimensi (wps.prenhall.com)
Hablur pepejal boleh dikelaskan kepada tujuh jenis sel unit dalam sistem hablur yang dikenali sebagai Kekisi
Bravais. Sistem hablur ini terdiri daripada sel unit kiub, tetragonal, monoklinik, ortorombik, trikinik, heksagonal
dan rombohedral. Setiap bentuk sel dicirikan oleh sudut-sudut yang terhasil di antara tepi sel unit dan panjang
relatifnya. Misalnya sel unit kiub mempunyai panjang sisi (a, b dan c) yang sama dan sudut (α, β dan γ) di mana
sisi bertemu adalah 90º (Rajah 9.6). Tujuh jenis sel unit dalam sistem kekisi Bravais ditunjukkan dalam Rajah
9.7.
(a) (b)
Na+
Cl-
Sel unit
Titik kekisi
S t r u k t u r H a b l u r ( 1 ) | 190
Rajah 9.6 Gambarajah sel unit kiub yang melibatkan panjang sisi (a, b dan c) dan sudut antara sisi (α, β dan γ).
Rajah 9.7 Gambarajah sel unit kiub yang melibatkan panjang sisi (a, b dan c) dan sudut antara sisi (α, β dan γ).
Sel unit kiub
a = b = c α = β = γ = 90º
Kiub
a = b = c
α = β = γ = 90 º
Ortorombik
a ≠b ≠ c
α = β = γ = 90 º
Heksagonal
a = b ≠ c
α = β = 90 º
γ = 120 º
Monoklinik
a ≠ b ≠ c
α = β = 90 º
γ ≠ 120 º
Trikinik
a ≠ b ≠ c
α ≠ β ≠ γ ≠ 90 º
Trigonal
a = b = c
α = β = γ ≠ 90 º
Tetragonal
a = b ≠ c
α = β = γ = 90 º
Contoh 9.2 Lakarkan sel unit kiub yang mempunyai data berikut, a = b ≠ c dan α = β = γ = 90 º. Nyatakan nama bagi sel unit ini Penyelesaian
Sel unit tetragonal
S t r u k t u r H a b l u r ( 1 ) | 191
9.4 Sel Unit Kiub
Sel unit kiub merupakan sel unit yang paling ringkas dalam kekisi Bravais. Ianya terbahagi kepada 3 jenis iaitu:
a) Sel kiub mudah
b) Sel kiub berpusat jasad
c) Sel kiub berpusat muka
Bagi sel kiub mudah, zarah-zarah terdiri daripada atom, molekul atau ion akan menduduki pepenjuru kiub di
mana susunan zarah ini diikat bersama dengan daya–daya pengikatan. Perbezaan sel kiub berpusat jasad
dengan sel kiub mudah adalah terdapat penambahan satu zarah ditengah-tengah sel kiub tersebut manakala
perbezaan sel kiub berpusat muka dengan sel kiub mudah pula adalah terdapat penambahan zarah-zarah pada
enam permukaan yang membentuk kiub tersebut.
9.5 Nombor Koordinatan
Nombor koordinatan dalam sistem hablur adalah bilangan atom atau ion atau molekul jiran yang terdekat bagi
sesuatu sistem yang dibincangkan. Contohnya sel kiub berpusat jasad, atom yang terletak di tengah sel kiub
8 atom (penjuru) x 1/8 = 1 atom Jumlah atom = 1 atom
Nota: 8 atom di penjuru yang bersentuhan antara satu sama lain
menyumbang 1/8 bahagian bagi setiap atom
Bilangan atom per sel unit
Sel kiub mudah
Sel kiub berpusat jasad
Sel kiub berpusat muka
8 atom (penjuru) x 1/8 = 1 atom 1 atom jasad x 1 = 1 atom Jumlah atom = 2 atom
Nota: 8 atom di penjuru yang bersentuhan antara
satu sama lain menyumbang 1/8 bahagian bagi setiap atom
dan satu atom pusat bersentuhan dengan 8 atom penjuru
8 atom (penjuru) x 1/8 = 1 atom 6 atom muka x 1/2 = 3 atom Jumlah atom = 4 atom
Nota: 8 atom di penjuru yang bersentuhan antara satu sama lain
menyumbang 1/8 bahagian bagi setiap atom
dan 6 atom muka bersentuhan dengan 8 atom penjuru
Contoh 9.3 Hitungkan bilangan titik kekisi (atom) dalam satu sel unit berpusat jasad.
Penyelesaian
8 atom (penjuru) x 1/8 = 1 atom 1 atom (pusat) = 1 atom Jumlah titik kekisi = 2 atom
S t r u k t u r H a b l u r ( 1 ) | 192
tersebut berjiran dengan 8 atom lain iaitu 4 atom pada lapisan atas sel kiub dan 4 lagi atom pada lapisan bawah
sel kiub tersebut. Maka nombor koordinatan bagi atom yang berada di tengah sel kiub berpusat jasad adalah 8
(Rajah 9.8). Semakin besar nilai nombor koordinatan maka semakin dekat atom di antara satu sama lain. Bagi
sel kiub mudah dan sel kiub berpusat muka nombor koordinatan masing-masing adalah 4 dan 12 (Rajah 9.9 dan
9.10).
Rajah 9.8 Gambarajah sel kiub berpusat jasad dengan 8 nombor koordinatan
Rajah 9.9 Gambarajah sel kiub berpusat muka dengan 12 nombor koordinatan
Rajah 9.9 Gambarajah Sel kiub mudah dengan 6 nombor koordinatan
Contoh 9.4 Berdasarkan Rajah 9.9, tentukan atom per sel unit bagi sel kiub mudah. Tentukan nombor koordinatannya.
Penyelesaian
8 atom (penjuru) x 1/8 = 1 atom Jumlah atom per sel unit = 1 atom
Nombor koordinatan adalah 6
S t r u k t u r H a b l u r ( 1 ) | 193
9.6 Jejari Atom bagi Sistem Hablur Kiub
Jejari atom dalam sistem sel kiub adalah jarak pusat atom ke pusat atom bersebelahan. Jejari atom ini boleh
dikira jika atom dalam sistem hablur adalah sfera, sfera ini bersentuhan dengan sfera jiran sebelah dan jenis
struktur dan pemalar kekisi diketahui.
Jadual 9.1 Sistem kuib dengan jejari, r
Sistem Kiub Jejari, r
Kiub berpusat jasad
(pemalar kekisi = a)
a3
4
Kiub mudah
(pemalar kekisi = a)
a
2
Kiub berpusat muka
(pemalar kekisi = a)
a2
4
Maklumat bagi nilai a (pemalar kekisi) boleh didapati daripada data analisis menggunakan sinar-X. Bagi
mendapatkan jejari atom dalam sistem kiub, perkaitan diantara a dan r (jejari) boleh dibina seperti Rajah 9.10
(a,b dan c) di bawah
Sel kiub mudah
a = 2r
(a)
(b)
Sel kiub berpusat muka
b = 4r
b2 = a
2 + a
2
4r = (a2 + a
2)
4r = 2a
a = 4r
2
S t r u k t u r H a b l u r ( 1 ) | 194
Rajah 9.10 Gambarajah (a) sel kiub mudah, (b) sel kiub berpusat muka, dan (c) sel kiub berpusat jasad
9.7 Ketumpatan Hablur
Ketumpatan sesuatu hablur boleh dikira dengan mengaitkan bilangan atom per sel unit, jisim molekul bagi hablur
tersebut, nombor Avogadro dan permalar kekisi. Ianya boleh dibentuk menjadi satu formula seperti di bawah
(9.2)
Di mana
(c)
= n x M
a3 N
N = bilangan atom dalam satu unit sel
M = jisim molekul bagi hablur
N = nombor Avogadro (6.023 x 1023)
= ketumpatan
a = pemalar kekisi
Contoh 9.5 Analisis sinar-X menunjukkan aurum menghablur dalam struktur kiub berpusat jasad dengan nilai a adalah 18.6 nm. Tentukan jejari atom bagi aurum.
Penyelesaian
Dengan menggunakan terbitan dalam Rajah 9.10(b) di atas, nilai jejari boleh dikira
r = 2a 4
r = 2 x 18.6 nm 4
r = 6.57 nm
Sel kiub berpusat jasad
b2 = a
2 + a
2
c2 = a
2 + b
2
= 3a2
c = 3 a = 4r
a = 4r
3
S t r u k t u r H a b l u r ( 1 ) | 195
Latihan
9.1 Apakah yang dimaksudkan dengan nombor koordinatan?
9.2 Berapakah nombor koordinatan bagi kiub berpusat muka?
9.3 Berapakah bilangan atom dalam satu unit sel kiub berpusat jasad?
9.4 Apakah jejari atom bagi bagi sesuatu hablur yang menpunyai sistem hablur kiub mudah jika pemalar
kekisinya adalah 17.6 nm?
9.5 Tentukan ketumpatan aurum yang menghablur dengan kiub berpusat muka dengan jejari atom 144 pm.
Jawapan
9.1 Nombor koordinatan sesuatu atom adalah bilangan atom bersebelahannya
9.2 Nombor koordinatan bagi sel kiub berpusat muka ialah 12
9.3 Bilangan atom dalam satu sel kiub berpusat jasad ialah 2
9.4 8.8 nm.
9.5 19.3 g cm-3
Contoh 9.6 Logam natrium menghablur dalam sel unit berpusat jasad. Jika pemalar kekisinya ialah 3.21 nm. Kirakan ketumpatan natrium. Penyelesaian
Dengan menggunakan persamaan 9.2 di atas dan bilangan atom natrium per sel unit = 2,
Ketumpatan = 2 atom natrium x 23 g natrium
(3.21 nm)3 6.023 x 1023
= 2.31 x 10-24 g nm-3
Contoh 9.7 Analisis sinar-X menunjukkan kuprum menghablur dengan kekisi kiub berpusat muka dimana panjang tepi satu sel unit ialah 361.5 pm (1 pm = 10-12 m). Berapakah isipadu bagi sel unit kuprum Penyelesaian
Panjang sel unit = 361.5 pm = 3.615 x 10-8 cm
Isipadu sel unit kuprum = (3.615 x 10-8 cm)3
= 4.724 x 10-23 cm3
S t r u k t u r H a b l u r ( 1 ) | 196
Rujukan
Ibrahim, R., Md Isa, I.& Kassim, A. (2003) Kimia Analisis. Universiti Pendidikan Sultan Idris
Yahaya, R, Mohd Jelan, A, Abd. Latif, L & Maah, M. J. (1998) Kimia Tak Organik Asas Matrikulasi, Penerbit Fajar
Bakti Sdn. Bhd. Shah Alam
Catherine, E. H. & Alan, G.S. (2001) Inorganic Chemistry, 1st Edition, Pearson Education
Miessler, G. L. & Tarr, D.A. (2004) Inorganic Chemistry, 3rd Edition, Pearson Education International