Struktur dan Ikatan Logam: Penjelasan Kimia HSC

Anda dapat menempa aluminium menjadi lembaran tipis, menarik tembaga menjadi kawat, lalu menggunakan kawat tersebut untuk menghantarkan arus listrik. Cobalah memperlakukan kristal garam dengan cara yang sama dan kristal itu akan retak.

Jadi, apa yang berbeda di dalam logam?

Bayangkan sebuah padatan yang hanya tersusun dari barisan partikel positif. Sekarang bayangkan satu baris didorong ke samping. Bukankah muatan-muatan positif yang berdekatan akan saling tolak dan membuat struktur itu runtuh?

Benar. Bagian yang belum ada dalam gambaran tersebut adalah elektron.

01Bangun struktur logam terlebih dahulu

Dalam model HSC, logam padat mengandung kisi tiga dimensi yang teratur dari ion logam positif yang dikelilingi oleh elektron terdelokalisasi.

Kisi hanyalah susunan partikel yang berulang. Terdelokalisasi berarti elektron tidak terikat pada satu atom tertentu atau terperangkap dalam satu ikatan tertentu. Elektron terluar, atau elektron valensi, tersebar di seluruh struktur logam.

Logam tetap menyatu karena muatan yang berlawanan saling tarik-menarik. Ikatan logam adalah gaya tarik elektrostatik antara ion logam positif dan elektron terdelokalisasi.

Hal ini memberi kita model utama:

\[ \text{ion logam positif} + \text{elektron terdelokalisasi} + \text{gaya tarik elektrostatik} \]

Elektron-elektron tersebut tidak terlepas dari logam. Elektron tetap menjadi bagian dari struktur, sehingga logam secara keseluruhan bersifat netral secara listrik.

Sebagai contoh, model HSC menggambarkan logam magnesium sebagai pusat-pusat magnesium positif yang dikelilingi oleh elektron valensi terdelokalisasinya. Ini tidak berarti ion \(\mathrm{Mg}^{2+}\) yang terpisah-pisah mengambang di dalam logam. Semuanya merupakan bagian dari satu struktur logam yang berkesinambungan.

Analogi yang berguna, meskipun agak konyol

Bayangkan ikatan kovalen sebagai suatu hubungan ketika dua atom secara sangat khusus berbagi elektron satu sama lain.

Ikatan logam tidak se-eksklusif itu. Elektron valensi tidak terikat khusus pada satu ion tertentu. Elektron-elektron tersebut digunakan bersama di seluruh struktur.

Hal ini membantu kita membayangkan mengapa ikatan logam bersifat tidak berarah. Gaya tariknya tidak bergantung pada satu ion tertentu yang terhubung dengan satu tetangga tertentu.

Analogi tersebut hanya berlaku sampai di situ. Elektron bukanlah manusia kecil yang berkeliaran di antara pasangan. Gambaran “lautan elektron” adalah model sederhana mengenai perilaku elektron dalam logam. Penjelasan yang lebih lengkap menggunakan mekanika kuantum dan pita energi, tetapi model kisi dan elektron terdelokalisasi merupakan tingkat penjelasan yang berguna untuk menjelaskan sifat-sifat logam dalam HSC.

02Mengapa logam menghantarkan listrik

Misalkan Anda menghubungkan kawat tembaga pada suatu beda potensial.

Sebelum rangkaian dihubungkan, elektron terdelokalisasi sudah bergerak di dalam logam, tetapi tidak ada gerakan keseluruhan ke satu arah.

Apa yang berubah ketika medan listrik diterapkan?

Elektron memperoleh gerak hanyut keseluruhan yang kecil melalui struktur. Karena partikel bermuatan ini dapat bergerak melalui padatan, mereka memindahkan muatan.

Itulah sebabnya logam padat menghantarkan listrik.

Ion positif tidak perlu bergerak sepanjang kawat. Dalam logam padat, ion-ion tersebut bergetar di sekitar posisi kisinya, sedangkan elektron terdelokalisasi menjadi pembawa muatan yang dapat bergerak.

Penjelasan lemah yang umum adalah:

Logam menghantarkan listrik karena memiliki elektron bebas.

“Elektron bebas” terlalu tidak spesifik. Elektron-elektron tersebut tidak terlepas dari semua gaya. Elektron tetap tertarik pada kisi ion positif.

Penjelasan yang lebih baik adalah:

Logam menghantarkan listrik karena mengandung elektron terdelokalisasi yang dapat bergerak melalui struktur dan membawa muatan ketika beda potensial diterapkan.

03Mengapa logam dapat dibengkokkan tanpa pecah

Sekarang kembali ke persoalan awal kita.

Bayangkan satu lapisan ion positif didorong ke samping relatif terhadap lapisan lainnya. Jika ikatan bergantung pada pasangan partikel tetap yang terhubung dalam arah tertentu, pergeseran lapisan dapat memutus hubungan tersebut.

Ikatan logam berperilaku berbeda.

Karena elektron terdelokalisasi tersebar di seluruh struktur, ion positif dapat berubah posisi sambil tetap tertarik pada kerapatan elektron di sekitarnya.

Dengan demikian, ikatan logam tetap mempertahankan struktur saat lapisan-lapisan bergerak.

Hal ini membantu menjelaskan dua sifat yang saling berkaitan:

• Ketertempaan adalah kemampuan suatu bahan untuk dibentuk atau ditempa menjadi lembaran.
• Keuletan adalah kemampuan suatu bahan untuk ditarik menjadi kawat.

Tembaga yang ditarik menjadi kawat listrik adalah contoh umum keuletan. Aluminium yang digiling menjadi lembaran tipis adalah contoh ketertempaan.

Perhatikan hal yang tidak dinyatakan oleh penjelasan ini. Penjelasan ini tidak mengatakan bahwa ion logam bergerak bebas melalui padatan seperti partikel dalam cairan. Ion tetap menempati struktur padat yang teratur. Namun, jika gaya yang diberikan cukup besar, lapisan-lapisan dapat bergeser relatif satu sama lain.

04Ikatan logam kuat, tetapi tidak semua logam sama kuatnya

Sangat mudah tergoda untuk menghafal kalimat “logam memiliki ikatan logam yang kuat” lalu berhenti di situ.

Hal ini menimbulkan masalah karena sifat logam sangat beragam. Natrium cukup lunak sehingga mudah dipotong, sedangkan logam seperti tungsten memiliki titik leleh yang jauh lebih tinggi.

Kekuatan gaya tarik logam bergantung pada seberapa kuat ion positif menarik elektron terdelokalisasi.

Dalam model HSC sederhana, gaya tarik yang lebih kuat umumnya diperkirakan terjadi ketika:

• ion logam positif memiliki muatan yang lebih besar,
• lebih banyak elektron valensi disumbangkan ke sistem elektron terdelokalisasi, dan
• ion positif berukuran lebih kecil, sehingga muatan-muatan yang saling tarik berada lebih dekat.

Faktor-faktor ini dapat meningkatkan gaya tarik elektrostatik antara kisi ion dan elektron terdelokalisasi.

05Mengapa logam menghantarkan panas

Logam pada umumnya juga merupakan penghantar panas yang baik.

Perpindahan panas dalam logam terjadi melalui dua bagian penting dari struktur.

Pertama, elektron terdelokalisasi dapat memindahkan energi dengan cepat melalui bahan. Kedua, partikel dalam kisi bergetar lebih kuat ketika dipanaskan dan memindahkan energi ke bagian struktur di sekitarnya.

Untuk penjelasan HSC, elektron terdelokalisasi yang dapat bergerak merupakan salah satu alasan penting mengapa logam memindahkan energi termal secara efektif.

Inilah sebabnya bahan seperti tembaga dan aluminium berguna dalam peralatan memasak dan peralatan perpindahan panas, meskipun pemilihan bahan dalam praktik juga bergantung pada biaya, massa, ketahanan terhadap korosi, dan sifat lainnya.

06Mengapa banyak logam tampak mengilap

Ketika cahaya mencapai permukaan logam, medan elektromagnetiknya berinteraksi dengan elektron terdelokalisasi.

Elektron-elektron ini merespons radiasi elektromagnetik yang datang, dan sebagian besar cahaya dipantulkan dari permukaan. Hal ini berkontribusi pada kilap logam yang khas pada banyak logam yang permukaannya baru tersingkap.

Permukaan logam yang kotor atau teroksidasi mungkin tampak kusam karena yang sebenarnya Anda lihat bisa jadi adalah lapisan zat lain di atas logam.

07Satu model menjelaskan beberapa sifat

Bagian yang berguna dari model ikatan logam adalah bahwa Anda tidak memerlukan cerita hafalan yang terpisah untuk setiap sifat.

Berhati-hatilah dengan pernyataan tentang titik leleh. Banyak logam memiliki titik leleh tinggi, tetapi pernyataan “semua logam memiliki titik leleh tinggi” adalah salah. Merkuri berwujud cair pada suhu kamar, dan logam Golongan 1 memiliki titik leleh yang relatif rendah dibandingkan dengan banyak logam transisi.

08Kesalahpahaman yang paling menggoda: apakah elektronnya benar-benar bebas?

Menyebutnya sebagai “lautan elektron bebas” dapat menciptakan gambaran yang keliru.

Seorang siswa mungkin membayangkan elektron bergerak sepenuhnya secara mandiri, seolah-olah ion positif tidak memberikan pengaruh apa pun terhadapnya. Jika itu benar, tidak akan ada alasan bagi elektron-elektron tersebut untuk tetap berada di dalam logam.

Perbedaan pentingnya adalah:

Terdelokalisasi tidak berarti tidak terikat pada logam.

Elektron tidak terlokalisasi di sekitar satu atom tertentu atau di antara satu pasangan atom tertentu, tetapi elektron tetap menjadi bagian dari struktur logam dan tertarik pada ion positif.

Gaya tarik itulah yang merupakan ikatan logam.

Ada konsekuensi berguna lainnya. Jika sebuah elektron dapat meninggalkan logam sepenuhnya, umumnya energi harus diberikan. Elektron logam dapat bergerak di dalam bahan, bukan secara otomatis bebas terbang meninggalkannya.

09Apa yang berubah dalam paduan?

Misalkan beberapa atom dari unsur berbeda dimasukkan ke dalam logam murni.

Jika atom baru memiliki ukuran berbeda, susunan yang sebelumnya teratur menjadi terdistorsi. Lapisan-lapisan tidak lagi dapat bergeser melewati satu sama lain semudah sebelumnya.

Itulah salah satu alasan paduan dapat lebih keras dan lebih sulit berubah bentuk dibandingkan logam murni yang menjadi bahan asalnya.

Ikatan logam tidak menghilang. Elektron terdelokalisasi masih ada, sehingga banyak paduan tetap dapat menghantarkan listrik. Namun, kisi yang telah berubah dapat membuat pergerakan lapisan menjadi lebih sulit.

Ini merupakan contoh yang berguna tentang mengapa struktur mikroskopis penting. Dua bahan dapat sama-sama memiliki ikatan logam tetapi mempunyai sifat mekanik yang sangat berbeda.

10Cara yang andal untuk menjelaskan sifat logam

Ketika soal HSC meminta Anda menjelaskan suatu sifat menggunakan ikatan logam, susun jawaban dengan urutan berikut:

1. Nyatakan strukturnya. Sebutkan ion logam positif dan elektron terdelokalisasi.
2. Identifikasi gaya atau gerakan yang relevan. Misalnya, elektron yang dapat bergerak untuk konduktivitas, atau gaya tarik elektrostatik yang tidak berarah untuk ketertempaan.
3. Hubungkan perilaku mikroskopis tersebut dengan sifat yang diamati.

Untuk konduktivitas listrik, penjelasannya dapat menjadi:

Logam mengandung ion positif dalam kisi yang dikelilingi oleh elektron terdelokalisasi. Elektron dapat bergerak melalui struktur dan membawa muatan ketika beda potensial diterapkan, sehingga logam menghantarkan listrik.

Untuk ketertempaan, langkah tengahnya berubah:

Lapisan ion positif dapat bergeser sambil tetap tertarik pada elektron terdelokalisasi di sekitarnya, sehingga ikatan logam dapat tetap bertahan saat logam berubah bentuk.

Hubungan antara struktur, perilaku partikel, dan sifat yang dapat diamati inilah yang mengubah suatu deskripsi menjadi penjelasan.

11Pertanyaan dan solusi

Pertanyaan 1

Sepotong tembaga menghantarkan listrik sambil tetap berwujud padat. Jelaskan bagaimana model ikatan logam menjelaskan pengamatan ini.

Solusi 1

Tembaga menghantarkan listrik dalam keadaan padat karena mengandung elektron terdelokalisasi yang dapat bergerak melalui struktur logam dan membawa muatan.

Tembaga terdiri atas ion logam positif yang tersusun dalam kisi, dikelilingi oleh elektron valensi terdelokalisasi. Ion positif tetap berada di dekat posisi kisinya, sehingga padatan mempertahankan bentuknya.

Ketika beda potensial diterapkan, elektron terdelokalisasi mengalami gerak hanyut keseluruhan melalui logam. Karena elektron merupakan partikel bermuatan, gerakan ini memindahkan muatan dan menghasilkan arus listrik.

Poin pentingnya adalah bahwa konduksi listrik tidak mengharuskan ion tembaga itu sendiri bergerak melalui padatan.

Pertanyaan 2

Seorang siswa berkata, “Jika atom logam kehilangan elektron valensinya dan menjadi ion positif, seluruh potongan logam pasti bermuatan positif.”

Jelaskan kesalahannya.

Solusi 2

Logam tetap netral secara listrik karena elektron valensinya tidak meninggalkan potongan logam tersebut.

Dalam model ikatan logam, elektron valensi menjadi terdelokalisasi dan tidak lagi tetap terkait dengan atom individual. Pusat logam yang tersisa bersifat positif, tetapi elektron terdelokalisasi yang bermuatan negatif masih terdapat dalam bahan yang sama.

Oleh karena itu, jumlah muatan positif dan negatif tetap seimbang.

Kesalahan siswa tersebut adalah menganggap terdelokalisasi seolah-olah berarti sepenuhnya dikeluarkan dari logam. Elektron digunakan bersama di seluruh struktur logam, bukan hilang ke lingkungan sekitar.

Pertanyaan 3

Suatu logam dapat digiling menjadi lembaran tipis tanpa pecah. Siswa lain menjelaskan hal ini dengan mengatakan, “Ion positif dapat bergeser karena mereka tidak saling menarik.”

Evaluasi penjelasan ini dan berikan penjelasan yang lebih baik.

Solusi 3

Penjelasan tersebut tidak benar karena logam dipertahankan oleh gaya tarik antara ion positif dan elektron terdelokalisasi, bukan karena tidak adanya gaya.

Ion logam positif akan saling menolak dengan ion positif lainnya jika hanya interaksi itu yang ada. Namun, kisi tersebut dikelilingi oleh elektron terdelokalisasi yang bermuatan negatif.

Ketika lapisan ion bergeser, elektron tetap tersebar di seluruh struktur logam. Oleh karena itu, ion dapat tetap tertarik secara elektrostatik pada kerapatan elektron di sekitarnya bahkan setelah posisi relatifnya berubah.

Gaya tarik yang tidak berarah ini memungkinkan logam berubah bentuk tanpa mengharuskan sekumpulan ikatan tetap antara pasangan partikel tertentu untuk tetap berada pada posisi yang sama.

Itulah penjelasan mikroskopis untuk ketertempaan.

Pertanyaan 4

Logam murni A relatif mudah dibengkokkan. Setelah sejumlah kecil unsur lain yang memiliki atom lebih besar ditambahkan, paduan yang dihasilkan menjadi jauh lebih sulit berubah bentuk tetapi tetap menghantarkan listrik.

Jelaskan kedua pengamatan tersebut menggunakan penalaran pada tingkat partikel.

Solusi 4

Paduan lebih sulit berubah bentuk karena atom-atom dengan ukuran berbeda mengganggu kisi yang teratur dan menghambat pergerakan lapisan, sedangkan paduan tetap dapat menghantarkan listrik karena elektron terdelokalisasi masih ada.

Dalam logam murni, partikel-partikel logam dengan ukuran serupa membentuk struktur yang relatif teratur. Ketika gaya diterapkan, lapisan dapat bergeser sementara gaya tarik logam tetap bertahan.

Memasukkan atom yang lebih besar mendistorsi susunan teratur ini. Struktur yang tidak rata membuat lapisan lebih sulit bergerak dengan lancar melewati satu sama lain, sehingga diperlukan gaya yang lebih besar untuk mengubah bentuk bahan.

Paduan tetap dapat menghantarkan listrik karena ikatan logam masih ada dan elektron terdelokalisasi masih dapat bergerak melalui struktur.

Jebakan pentingnya adalah menganggap bahwa ketahanan mekanis yang lebih besar pasti berarti elektron menjadi terikat pada posisi tetap. Peningkatan kekerasan terutama berasal dari perubahan pada kisi dan semakin sulitnya lapisan partikel bergerak, bukan dari hilangnya seluruh mobilitas elektron.

Pertanyaan 5

Seorang siswa mempelajari bahwa logam padat mengandung kisi ion positif yang teratur, lalu mengamati bahwa logam yang sama masih menghantarkan listrik setelah meleleh.

Mereka menyatakan bahwa hal ini membantah model ikatan logam karena kisi padat yang teratur tidak lagi ada.

Apakah pernyataan tersebut benar? Jelaskan.

Solusi 5

Tidak. Pelelehan menghancurkan keteraturan kisi padat dalam jangkauan jauh, tetapi tidak secara otomatis menghilangkan elektron yang dapat bergerak dan bertanggung jawab atas konduksi logam.

Dalam keadaan padat, pusat-pusat logam positif menempati kisi yang teratur dan elektron terdelokalisasi dapat bergerak di seluruh struktur.

Ketika logam meleleh, partikel positif tidak lagi berada pada posisi tetap dalam kisi yang teratur. Partikel tersebut menjadi dapat bergerak dan tidak teratur. Namun, elektron dapat tetap terdelokalisasi di seluruh logam cair, sehingga muatan masih dapat dipindahkan.

Asumsi tersembunyi siswa tersebut adalah bahwa ikatan logam memerlukan kisi padat yang tetap secara sempurna. Model kisi menggambarkan struktur teratur logam padat, sedangkan delokalisasi elektron dan interaksi logam dapat tetap ada dalam keadaan cair.

Pertanyaan 6

Dua logam hipotetis, X dan Y, memiliki struktur kristal yang sama. Setiap atom X menyumbangkan satu elektron valensi terdelokalisasi dan membentuk pusat positif yang relatif besar. Setiap atom Y menyumbangkan dua elektron valensi terdelokalisasi dan membentuk pusat positif yang lebih kecil serta bermuatan lebih besar.

Dengan hanya menggunakan model ikatan logam, prediksikan logam mana yang seharusnya memerlukan lebih banyak energi untuk memisahkan partikel-partikelnya. Nyatakan satu keterbatasan dari prediksi tersebut.

Solusi 6

Logam Y seharusnya memerlukan lebih banyak energi untuk memisahkan partikel-partikelnya karena model memprediksi gaya tarik elektrostatik yang lebih kuat antara pusat positifnya dan elektron terdelokalisasinya.

Y menyumbangkan lebih banyak elektron terdelokalisasi per atom, sehingga menghasilkan kerapatan muatan negatif yang lebih besar di seluruh struktur logam. Pusat positifnya juga memiliki muatan yang lebih besar.

Karena pusat positif tersebut lebih kecil, muatan yang berlawanan juga dapat berada lebih dekat satu sama lain. Semua faktor ini mendukung gaya tarik elektrostatik yang lebih kuat.

Oleh karena itu, diperlukan lebih banyak energi untuk mengatasi gaya tarik logam dalam Y, sehingga model akan memprediksi ikatan logam yang lebih kuat dan, jika faktor-faktor lain sama, titik leleh yang lebih tinggi.

Keterbatasan pentingnya terletak pada frasa jika faktor-faktor lain sama. Sifat logam nyata juga dipengaruhi oleh struktur kristal, konfigurasi elektron, dan rincian yang tidak tercakup dalam model sederhana kisi ion dan lautan elektron. Model tersebut memberikan prediksi yang berguna secara kimia, tetapi bukan aturan numerik yang berlaku secara universal.

Setelah model ini dipahami dengan baik, sifat-sifat paduan menjadi jauh lebih mudah dijelaskan. Alih-alih menghafal bahwa paduan sering kali lebih keras, Anda dapat bertanya apa yang terjadi pada kisi dan apakah lapisan-lapisannya masih dapat bergerak dengan mudah. Penalaran struktur-sifat yang sama kemudian dapat digunakan untuk membandingkan padatan logam dengan zat ionik, molekuler, dan jaringan kovalen.