Kristal Padat: Pengertian, Jenis, Ciri & Contoh

Padatan kristal adalah jenis padatan yang struktur tiga dimensi dasarnya terdiri dari pola atom atau molekul yang sangat teratur, membentuk kisi kristal. Mayoritas padatan adalah padatan kristal, dan susunan atom dan molekul yang berbeda di dalamnya dapat mengubah sifat dan penampilannya.

Padatan adalah keadaan materi di mana zat mempertahankan bentuknya dan mempertahankan volume yang konsisten. Ini membuat padatan berbeda dari cairan atau gas; cairan mempertahankan volume yang konsisten tetapi mengambil bentuk wadahnya, dan gas mengambil bentuknya dan volume wadah mereka.

Atom dan molekul dalam padatan dapat diatur dalam pola yang teratur, menjadikannya padatan kristal, atau disusun tanpa pola, menjadikannya padatan amorf.

Atom atau molekul dalam kristal membentuk pola periodik, atau berulang, dalam ketiga dimensi. Ini membuat struktur internal kristal sangat terorganisir. Atom atau molekul penyusun kristal disatukan melalui ikatan. Jenis ikatan yang menyatukan mereka, ionik, kovalen, molekuler atau logam, tergantung pada kristal yang terbuat dari apa.

Satuan terkecil dari pola struktur disebut a sel satuan. Sebuah kristal terdiri dari sel-sel unit identik yang berulang-ulang dalam ketiga dimensi. Sel ini adalah komponen paling mendasar dari struktur kristal, dan menentukan beberapa sifat-sifatnya. Ini juga menentukan pola yang dilihat ilmuwan ketika mereka melihat kristal menggunakan difraksi sinar-X, yang dapat membantu mereka mengidentifikasi struktur dan komposisi kristal.

Posisi atom atau molekul yang membentuk sel satuan disebut titik kisi.

Ketika cairan mendingin ke titik bekunya, itu menjadi padat dalam proses yang disebut presipitasi. Ketika suatu zat mengendap menjadi struktur kristal biasa, itu disebut kristalisasi.

Kristalisasi dimulai dengan proses yang disebut nukleasi: Atom atau molekul berkumpul bersama. Ketika cluster tersebut cukup stabil dan cukup besar, pertumbuhan kristal dimulai. Nukleasi terkadang bisa lebih mudah dimulai dengan menggunakan kristal benih (rumpun yang sudah jadi) atau permukaan kasar, yang mendorong pembentukan kelompok.

Bahan atom atau molekul tertentu mungkin dapat membentuk beberapa struktur kristal. Struktur bahan yang mengkristal akan tergantung pada parameter tertentu selama proses kristalisasi, termasuk suhu, tekanan dan keberadaan pengotor.

Ada empat tipe utama padatan kristal: ionik, jaringan kovalen, logam dan molekul. Mereka dibedakan satu sama lain berdasarkan atom atau molekul penyusunnya, dan bagaimana atom atau molekul itu terikat satu sama lain.

Pola berulang dalam struktur kristal ionik terdiri dari kation bermuatan positif bergantian dengan anion bermuatan negatif. Ion-ion ini dapat berupa atom atau molekul. Kristal ionik biasanya rapuh, dengan titik leleh tinggi.

Sebagai padatan, mereka tidak menghantarkan listrik, tetapi mereka dapat menghantarkan listrik sebagai cairan. Mereka dapat terdiri dari atom atau molekul, selama mereka bermuatan. Contoh umum dari padatan ionik adalah natrium klorida (NaCl), yang dikenal sebagai garam meja.

Kristal jaringan kovalen, kadang-kadang hanya disebut kristal jaringan, disatukan oleh ikatan kovalen antara atom penyusunnya. (Perhatikan bahwa kristal jaringan kovalen adalah padatan atom, artinya mereka tidak dapat dibuat dari molekul.) Mereka adalah padatan yang sangat keras, memiliki titik leleh yang tinggi dan tidak menghantarkan listrik dengan baik. Contoh umum dari padatan jaringan kovalen adalah berlian dan kuarsa.

Kristal logam juga merupakan padatan atom, terbuat dari atom logam yang disatukan oleh ikatan logam. Ikatan logam inilah yang memberi logam kelenturan dan keuletannya, karena memungkinkan atom logam berguling dan meluncur melewati satu sama lain tanpa merusak material. Ikatan logam juga memungkinkan elektron valensi bergerak bebas di seluruh logam dalam "laut elektron", yang menjadikannya konduktor listrik yang hebat. Kekerasan dan titik lelehnya sangat bervariasi.

Kristal molekuler terdiri dari molekul terikat, tidak seperti kristal logam dan jaringan, yang terdiri dari atom terikat. Ikatan molekul relatif lemah dibandingkan dengan ikatan atom dan dapat disebabkan oleh berbagai gaya antarmolekul termasuk gaya dispersi dan gaya dipol-dipol.

Ikatan hidrogen yang lemah menahan beberapa kristal molekul, seperti es, bersama-sama. Karena kristal molekuler disatukan oleh ikatan lemah seperti itu, titik lelehnya cenderung jauh lebih rendah, mereka adalah konduktor panas dan listrik yang lebih buruk, dan lebih lembut. Contoh umum dari kristal molekul termasuk es, es kering dan kafein.

Benda padat yang dibentuk oleh gas mulia juga dianggap kristal molekuler meskipun terbuat dari atom tunggal; atom-atom gas mulia terikat oleh gaya yang sama seperti yang mengikat molekul-molekul secara lemah bersama-sama dalam kristal molekul, yang memberi mereka sifat-sifat yang sangat mirip.

Polikristal adalah padatan yang terdiri dari beberapa jenis struktur kristal, yang digabungkan dalam pola non-periodik. Air es adalah contoh polikristal, seperti kebanyakan logam, banyak keramik, dan batu. Unit yang lebih besar yang terdiri dari pola tunggal disebut butir, dan butir dapat berisi banyak sel satuan.

Sebuah elektron dalam padatan kristal terbatas dalam berapa banyak energi yang dapat dimilikinya. Nilai energi yang mungkin dapat membentuk "pita" energi pseudo-kontinyu, yang disebut an pita energi. Sebuah elektron dapat mengambil nilai energi apa pun di dalam pita, selama pita itu tidak terisi (ada batasan berapa banyak elektron yang dapat dikandung oleh pita tertentu).

Pita-pita ini, meskipun dianggap kontinu, secara teknis diskrit; mereka hanya mengandung terlalu banyak tingkat energi yang terlalu berdekatan untuk diselesaikan secara terpisah.

Pita yang paling penting disebut pita konduksi dan pita valensi: Pita valensi adalah kisaran tingkat energi tertinggi dari bahan. di mana elektron hadir pada suhu nol mutlak, sedangkan pita konduksi adalah kisaran level terendah yang mengandung negara bagian.

Dalam semikonduktor dan isolator pita-pita ini dipisahkan oleh celah energi, yang disebut celah pita. Dalam semimetal, mereka tumpang tindih. Dalam logam, pada dasarnya tidak ada perbedaan di antara mereka.

Ketika sebuah elektron berada di pita konduksi, ia memiliki energi yang cukup untuk bergerak bebas di sekitar materi. Beginilah cara bahan-bahan ini menghantarkan listrik: melalui pergerakan elektron di pita konduksinya. Karena pita valensi dan pita konduksi tidak memiliki celah di antara keduanya dalam logam, logam mudah menghantarkan listrik. Bahan dengan celah pita yang lebih besar cenderung menjadi isolator; sulit untuk mendapatkan energi elektron yang cukup untuk melompati celah dan masuk ke pita konduksi.

Jenis padat lainnya adalah padatan amorf, yang tidak memiliki pola periodik. Atom dan molekul dalam padatan amorf sebagian besar kacau. Karena itu, mereka memiliki banyak kesamaan dengan cairan, dan pada kenyataannya tidak memiliki titik leleh yang ditetapkan.

Sebaliknya, karena jarak antara atom atau molekul tetangga dalam struktur bervariasi, energi panas melewati materi secara tidak merata. Bahan meleleh perlahan pada rentang suhu yang besar.

Contoh padatan amorf termasuk karet, kaca dan plastik. Obsidian dan permen kapas juga merupakan contoh padatan amorf.