Ikatan Logam

Diposkan oleh Tuan Kholil on Senin, 01 April 2013


VI. IKATAN LOGAM
Ikatan logam merupakan salah satu ciri khusus dari logam, pada ikatan logam ini elektron tidak hanya menjadi miliki satu atau dua atom saja, melainkan menjadi milik dari semua atom yang ada dalam ikatan logam tersebut. Elektron-elektron dapat terdelokalisasi sehingga dapat bergerak bebas dalam awan elektron yang mengelilingi atom-atom logam. Akibat dari elektron yang dapat bergerak bebas ini adalah sifat logam yang dapat menghantarkan listrik dengan mudah. Ikatan logam ini hanya ditemui pada ikatan yang seluruhnya terdiri dari atom unsur-unsur logam semata.

Salah satu jenis ikatan kimia antaratom adalah ikatan logam. Ikatan logam didefinisikan sebagai ikatan antaratom logam tanpa membentuk suatu molekul.
Sifat-sifat atom logam adalah:
1.      Memiliki kemampuan menghantarkan arus listrik/ panas yang baik.
2.      Keras, dapat ditempah dan ditarik.
3.      Tersusun dalam kristal logam dalam bentuk padatnya.
4.      Memiliki titik didih dan titik leleh yang tinggi.
5.      Mengkilap.

Sifat-sifat logam diatas tidak bisa dijelaskan dengan ikatan ion, karenan tidak mungkin terjadi perpindahan elektron antaratom yang sejenis, dan tidak bisa juga dijelaskan dengan ikatan kovalen karena tidak mungkin ikatan kovalen terjadi pada atom logam, sehingga ikatan yang terdapat dalam logam ini dikhususkan dalam ikatan logam.

Dalam bab selanjutnya akan dibahas mengenai teori ikatan logam yang dapat menjelaskan sifat-sifat logam diatas, serta klasifikasi ikatan logam, dan faktor-faktor yang mempengaruhi kuat lemahnya ikatan logam. Dalam artikel disebutkan pada ikatan logam, elektron-elektron ikatan terdelokalisasi pada kekisi (lattice) atom. Berbeda dengan senyawa organik, lokasi elektron yang berikat dan muatannya adalah statik. Oleh karena delokalisai yang menyebabkan elektron-elektron dapat bergerak bebas, senyawa ini memiliki sifat-sifat mirip logam dalam hal konduktivitas, duktilitas, dan kekerasan.
A.    Fakta Eksperimen
Untuk menjelaskan mengenai ikatan logam, diuraikan beberapa teori yang menjelaskan ikatan yang terjadi pada atom-atom logam yaitu sebagai berikut:
a.      Teori awan elektron
Teori ini dikemukakan oleh Drude dan Lorentz pada awal abad ke-20. Menurut teori ini, di dalam kristal logam terdiri dari ion-ion logam bermuatan positif (kation) yang tersusun rapat dalam awan elektron. Awan elekton ini merupakan elektron valensi yang dilepaskan oleh setiap atom. Elektron valensi ini tidak terikat salah satu ion logam atau pasangan ion logam, tetapi terdelokalisasi terhadap semua ion logam. Hal ini disebabkan oleh tumpang tindih (overlap) orbital valensi dari atom-atom logam. Akibatnya elektron-elektron yang ada pada orbitalnya dapat berpindah ke orbital valensi atom tetangganya. Karena hal inilah elektron-elektron valensi akan terdelokaslisasi pada semua atom yang terdapat pada logam membentuk awan atau lautan elektron, sehingga elektron valensi tersebut bebas bergerak keseluruh bagian dari kristal logam. Elektron-elektron bebas inilah yang menyebabkan adanya ikatan dalam kristal logam. Misalnya logam magnesium yang memiliki 2 elektron valensi. Berdasarkan model awan elektron, logam magnesium dapat dianggap terdiri dari ion positif Mg2+ yang tersusun secara teratur, berulang dan disekitarnya terdapat awan atau lautan elektron yang dibentuk dari elektron valensi magnesium, seperti pada Gambar.
Maka, teori awan atau lautan elektron pada ikatan logam itu didefinisikan sebagai gaya tarik antara muatan positif dari ion-ion logam (kation logam) dengan muatan negatif yang terbentuk dari elektron-elektron valensi dari atom-atom logam. Jadi logam yang memiliki elektron valensi lebih banyak akan menghasilkan kation dengan muatan positif yang lebih besar dan awan elektron dengan jumlah elektron yang lebih banyak atau lebih rapat. Hal ini menyebabkan logam memiliki ikatan yang lebih kuat dibanding logam yang tersusun dari atom-atom logam dengan jumlah elektron valensi lebih sedikit.
Teori lautan atau awan elektron ini dapat menjelaskan berbagai sifat fisika dari logam.
1.      Logam dapat ditempa, dapat dibengkokkan, direntangkan dan tidak rapuh.
Hal ini disebabkan atom-atom logam tersusun secara teratur dan rapat sehingga ketika diberi tekanan atom-atom tersebut dapat tergelincir di atas lapisan atom. Perpindahan atom pada suatu logam ketika diberi tekanan atau ditempa. Menjelaskan mengapa logam dapat ditempa, direntangkan ataupun dibengkokkan, karena pada logam tersebut semua atom sejenis sehingga atom-atom yang bergeser saat diberi tekanan seolah-olah tetap pada kedudukan yang sama. Dengan kata lain apabila sebuah ikatan logam putus maka akan segera terbentuk ikatan logam baru.
2.      Sifat Mengkilap
Di dalam ikatan logam, terdapat elektron-elektron bebas. Sewaktu cahaya jatuh pada permukaan logam, maka elektron-elektron bebas akan menyerap energi cahaya tersebut. Elektron-elektron akan melepas kembali energi tersebut dalam bentuk radiasi elektromagnetik dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi cahaya awal. Oleh karena frekuensinya sama, maka kita melihatnyta sebagai pantulan cahaya yang datang. Pantulan cahaya tersebut memberikan permukaan logam tampak mengkilap.
Bila Cahaya tampak jatuh pada permukaan logam, sebagian elektron valensi yang mudah bergerak tersebut akan tereksitasi. Ketika elektron yang tereksitasi tersebut kembali kepada keadaan dasarnya, maka energi cahaya dengan panjang gelombang tertentu akan dipancarkan kembali. Peristiwa ini dapat menimbulkan sifat kilap yang khas pada logam.
3.      Daya hantar listrik
Di dalam ikatan logam, terdapat elektron valensi yang bebas (mudah bergerak) yang dapat membawa muatan listrik. Jika diberi suatu beda tegangan, maka elektron-elektron ini akan bergerak dari kutub negatif menjadi kutub positif.
4.      Daya hantar panas
Elektron-elektron yang bergerak bebas di dalam kristal logam memiliki energi kinetik. Jika dipanaskan, elektron-elektron akan memperoleh energi kinetik yang cukup untuk dapat bergerak/bervibrasi dengan cepat. Dalam pergerakannya, elektron-elektron tersebut akan bertumbukkan dengan elektron-elektron lainnya. Hal ini menyebabkan terjadinya transfer energi dari bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah.
5.      Titik didih dan titik leleh tinggi
Pada logam, Ikatan logam tidak sepenuhnya putus sampai logam mendidih ini menunjukkan bahwa ikatan logam memiliki titik didih yang tinggi. Hal ini dikarenakan atom-atom logam terikat oleh ikatan logam yang kuat. Untuk mengatasi ikatan tersebut, diperlukan energi dalam jumlah yang besar.
b.      Ikatan logam berdasarkan teori resonansi
Pada tahun 1965 Pauling mengemukakan ikatan logam dengan menetapkan konsep resonansi. Menurut teori ini ikatan logam merupakan ikatan kovalen dan sesuai dengan struktur kristal logam yang dapat diamati pada eksperimen maka dapat diperkirakan teradi resonansi. Dalam mengembangkan teorinya Pauling meninjau kristal logam Li. Dari tafsiran analisis terhadap pola difraksi sinar-X oleh kristal logam Li dapat diketahui bahwa setiap atom Li dikelilingi oleh 8 atom Li yang lain. Karena elekton valensi Li adalah 1, maka tidak mungkin 1 atom Li nmengikat 8 atom Li lainnya.
Bila atom Li menggunakan elektron valensinya, maka resonansi pasangan ikatan Li-Li terjadi secara serempak didalam kisi kristalnya. Dinyatakan dalam 2 dimensi, resonansi yang memungkinkan adalah:
Pada struktur III, IV, V, VI terdapat sebuah atom Li yang bermuatan negatif membentuk ikatan kovalen dengan 2 atom Li yang lain. Terjadinya ikatan kovalen dapat dijelaskan sebagai berikut:
Empat atom Li yaitu Lia Lib Lic Lid masing-masing mempunyai struktur elektron 1s2 2s1 2  2  2 . Bila atom Lid memberikan elektron valensinya pada atom Libmaka Lid menjadi ion  (1s2)dan atom Lib menjadi Lib- (1s2 2s1 2  2  2 ). Orbital 2s1 dan 2  pada ion Lib membentuk orbital hibrida sp yang masing-masing dapat membentuk ikatan kovalen dengan atom Lia dan Lic. Orbital 2  dan 2  pada ion Lib-  yang disebut orbital logam dapat menerima aliran elektron dan memberi sumbangan pada daya hantar listrik.
c.       Teori Pita
Teori ini dikembangkan pada tahun 1970 mempergunakan teori orbital molekul. Ikatan logam mudah dipahami dengan memberi teori orbital molekul ini. Misalnya pada logam Li memiliki susunan elektron 1s2 2s1. Elektron 1s2  terdapat dalam orbital yang terarah (localized) sedangkan elektron dalam 2s1 terdapat pada orbital tidak terarah (delocalized). Elektron 2s inilah yang akan membentuk ikatan.
Bila dua atom Li mendekat, orbital atom 2s akan bergabung dengan orbital atom 2s dari atom lain membentuk dua orbital molekul, yaitu orbital molekul bonding dan anti bonding. Bila atom ketiga mendekat, terbentuk tiga orbital molekul, dan seterusnya. Jadi jumlah molekul sama dengan jumlah atonya. Bila N atom litium bersatu, terbentuk N orbital molekul dengan energi berbeda-berda yang membentuk pita energi, dengan distribusi energi yang kontinyu.
Dalam Litium, Elektron-elektron yang berasal dari orbital 2s kedua atom Li, akan menempati orbital molekul bonding, sedangkan pada orbital molekul antibonding tidak terdapat elektron. Pada pembentukan molekul Li3, terdapat 1 orbital molekul bonding yang berisi 2 elektron, 1 orbital molekul nonbonding dimana terdapat sebuah elektron dan 1 orbital molekul antibonding yang masih kosong. Pada pembentukan molekul Li4, terdapat 2 orbital molekul bonding yang masing-masing berisi 2 elektron dan 2 orbital molekun antibonding yang masih kosong. Proses ini dapat diperluas ke atom yang ke N, meliputi seluruh atom dalam kristal Li. Hal ini mengakibatkan dihasilkan orbital molekul sejumlah N, yang mempunyai perbedaan energi. Sebagai akibatnya adalah bahwa N atom Li yang terdapat dalam kisi kristalnya akan memberntuk N/2 orbital molekul bonding dan N/2 orbital molekul antibonding. N/2 orbital molekul bonding yang terjadi mempunyai tingkat energi yang hampir sama dan menempati ruang yang sangat berdekatan sehingga menjadi kontinyu.
Baik kelompok orbital molekul antibonding, maupun kelompok orbital bonding yang kontinyu tersebut akan berupa pita. Pita terbentuk bila orbital-orbital 2s pada atom-atom Li membentuk orbital molekul.
Bagian dari pita 2s di mana terdapat elektron valensi disebut pita valensi dan tingkat energi tertinggi pada pita valensi disebut energi fermi EF. Dibagian atas tingkat fermi terdapat tingkat-tingkat energi yang masih kosong yang disebut pita konduksi, karena elektron dapat mengalir melalui pita orbital molekul tersebut.
Kesenjangan antara pita valensi dan pita konduksi yang disebut kesenjangan energi merupakan ukuran kemudahan suatu logam untuk menghantarkan listrik. Bila logam dihubungkan dengan sumber arus atau medan magnit, elektron yang berada disekitar tingkat fermi memperoleh tambahan energi yang menyebabkan tingkat energinya naik, sehingga dapat pindah kedalam pita konduksi yang masih kosong dan arus elektron listrik mengalir melalui pita konduksi tersebut.
Dikenal logam-logam yang tidak begitu baik menghantarkan listrik (semikonduktor) disamping logam-logam yang menghantarkan arus listrik dengan baik (konduktor). Hal ini bergantung pada susunan atom logam dalam kristalnya dan suhu. Sifat-sifat tersebut dapat dijelaskan dengan teori pita.
Diketahui bahwa pada konduktor tidak terdapat kesenjangan antara pita konduksi dengan pita konduksi, sehingga karena pertambahan energi yang cukup kecil elektron-elektron valensi dapat berpindah ke pita konduksi dan arus mengalir melalui konduktor.
Pada logam semikonduktor terdapat kesenjangan antara pita valensi dan pita konduksi sedemikian rupa. Sehingga hanya elektron-elektron yang mempunyai energi memadai saja yang dapat berpindah ke pita konduksi.
Pada isolator, terdapat kesenjangan antara pita valensi dan pita konduksi yang besar, sehingga energi yang ditimbulkan medan listrik tidak dapat menghasilkan ekektron yang tidak mempunyai energi yang memadai untuk dapat berpindah ke pita konduksi, karena itu isolator tidak dapat menghantarkan arus listrik.
B.     Definisi dan Contoh
Dari teori diatas maka dapat disimpulkan beberapa definisi dari ikatan logam yaitu:
1.      Ikatan logam adalah ikatan yang terbentuk akibat adanya gaya tarik-menarik yang terjadi antara muatan positif dari ion-ion logam dengan muatan negatif dari elektron-elektron yang bebas bergerak yang dihasilkan oleh elektron valensi masing-masing logam.
2.      Ikatan logam adalah ikatan yang terjadi antara atom logam dengan 8 atau 12 atom logam yang lainnya. Misalnya ikatan antara logam Na dengan 8 logam Na yang lainnya.
3.      Ikatan logam adalah ikatan yang disebabkan oleh adanya elektron valensi suatu logam yang tidak terarah (delocalized). Misalnya pada logam Li memiliki struktur 1s2 2s1. Elektron 1s2  terdapat dalam orbital yang terarah (localized) sedangkan elektron dalam 2s1 terdapat pada orbital tidak terarah (delocalized). Elektron 2s inilah yang akan membentuk ikatan.
4.      Ikatan logam adalah ikatan yang disebabkan oleh tumpang tindih (overlap) orbital valensi dari atom-atom logam. Akibatnya elektron-elektron yang ada pada orbitalnya dapat berpindah ke orbital valensi atom tetangganya.
5.      Ikatan logam adalah ikatan antara inti positif unsur logam di dalam lautan elektron yang dihasilkan oleh elektron valensi unsur logam yang bersangkutan.

Pembentukan Ikatan Logam
Logam memiliki sedikit elektron valensi dan memiliki elektronegativitas yang rendah. Semua jenis logam cenderung melepaskan elektron terluarnya sehingga membentuk ion-ion positif /kation logam. Kulit terluar unsur logam relatif longgar (terdapat banyak tempat kosong) sehingga elektron terdelokalisasi, yaitu suatu keadaan dimana elektron valensi  tidak tetap posisinya pada suatu atom, tetapi senantiasa berpindah pindah dari satu atom ke atom lainnya.
Elektron valensi logam bergerak dengan sangat cepat mengitari intinya dan berbaur dengan elektron valensi yang lain dalam ikatan logam tersebut sehingga menyerupai “awan” atau “lautan” yang membungkus ion-ion positif di dalamnya. Elektron bebas dalam orbit ini bertindak sebagai perekat atau lem. Kation logam yang berdekatan satu sama lain saling tarik menarik dengan adanya elektron bebas sebagai ”lemnya”. Dapat digambarkan seperti gambar di bawah ini.



Contoh-contoh Ikatan logam adalah:
1.      Ikatan Logam Natrium
Natrium memiliki konfigurasi elektron 1s2 2s2 2p6 3s1. Tiap atom Natrium tersentuh oleh delapan atom natrium yang lainnya dan terjadi pembagian (sharing) antara atom tengah dan orbital 3s di semua delapan atom yang lain. Dan tiap atom yang delapan ini disentuh oleh delapan atom natrium lainya secara terus menerus hingga diperoleh seluruh atom dalam bongkahan natrium. Semua orbital 3s dalam semua atom saling tumpang tindih untuk memberikan orbital molekul dalam jumlah yang sangat banyak yang memeperluas keseluruhan tiap bagian logam.
Elektron dapat bergerak dengan leluasa diantara orbital-orbital molekul tersebut, dan karena itu tiap elektron menjadi terlepas dari atom induknya. Logam terikat bersamaan melalui kekuatan daya tarik yang kuat antara inti positif dengan elektron yang terdelokalisasi.
2.      Ikatan Logam Magnesium
Ikatan logam magnesium lebih kuat dan titik leleh juga lebih tinggi dibanding dengan ikatan logam pada natrium. Magnesium memiliki struktur elektronik terluar 3s2. Diantara elektro-elektronnya terjadi delokalisasi, karena itu “lautan” yang ada memiliki kerapatan dua kali lipat daripada yang terdapat pada natrium. Sisa “ion” juga memiliki muatan dua kali lipat dan tentunya akan terjadi dayatarik yang lebih banyak antara “ion” dan “lautan”. Atom-atom magnesium memiliki jari-jari yang sedikit lebih kecil dibandingkan atom-atom natrium dan karena itu elektron yang terdelokalisasi lebih dekat ke inti.
C.    Klasifikasi
Klasifikasi ikatan logam menurut golongannya adalah:
1.      Ikatan Logam pada Unsur Transisi
Logam transisi cenderung memiliki titik leleh dan titik didih yang tinggi. Alasannya adalah logam transisi dapat melibatkan elektron 3d yang ada dalam kondisi delokalisasi seperti elektron pada 4s. Lebih banyak elektron yang dapat terlibat, kecenderungan daya tarik akan semakin lebih kuat. Contoh ikatan logam pada unsur transisi transisi adalah Ag, Fe, Cu dan lain-lain.
2.      Ikatan logam pada unsur golongan utama
Ikatan logam pada unsur golongan utama relatif lebih lemah dibandingkan dengan dengan unsur golongan transisi. Contohnya kristal besi lebih kuat dibandingkan dengan kristal logam magnesium.

Berdasarkan unsur penyusunnya dibagi menjadi 2 yaitu:
1.      Ikatan logam antar unsur sejenis
            Misalnya Ikatan antara unsur litium dengan unsur litium yang lainnya.
2.      Ikatan logam antar unsur yang berbeda jenis (aloi).
Bahan-bahan logam yang bukan hanya dibuat dari satu jenis unsur logam tetapi telah dicampur atau ditambah dengan unsur-unsur lain disebut aloi atau sering disebut lakur atau paduan.
Aloi terbentuk apabila leburan dua atau lebih macam logam dicampur atau leburan suatu logam dicampur dengan unsur-unsur nonlogam yang campuran tersebut tidak saling bereaksi serta masih menunjukan sifat sebagai logam setelah didinginkan.
Aloi dibagi menjadi dua macam yaitu aloi selitan dan aloi substitusi. Disebut aloi selitan bila jari-jari atom unsur yang dipadukan sama atau lebih kecil dari jari-jari atom logam. Sedangkan aloi substitusi terbentuk apabila jari-jari unsur yang dipadukan lebih besar dari jari-jari atom logam.
D.    Faktor yang Mempengaruhi Ikatan
1.      Titik leleh dan titik didih
Logam-logam cenderung memiliki titik leleh dan titik didih yang tinggi karena kekuatan ikatan logam. Kekuatan ikatan berbeda antara logam yang satu dengan logam yang lain. Titik leleh dan titik didih logam berkaitan langsung dengan kekuatan ikatan logamnya. Titik didih dan titik leleh logam makin tinggi bila ikatan logam yang dimiliki makin kuat. Contohnya pada logam alkali semakin kebawah titik didih semakin rendah sehingga ikatan logamnya akan semakin lemah.
Logam
Titik lebur (°C)
Titik didih (°C)
Li
180
1330
Na
97,8
892
K
63,7
774
Rb
38,9
688
Cs
29,7
690
Titik didih dan titik leleh berhubungan dengan sifat periodik unsur yaitu sifat jari-jari atomnya. Semakin besar jari-jari atomnya maka semakin kecil titik didih dan titik lelehnya sehingga mengakibatkan ikatan lebih lemah.
2.      Jari-jari atom
Dalam sistem periodik unsur, pada satu golongan dari atas kebawah, ukuran kation logam dan jari-jari atom logam makin besar.  Hal ini menyebabkan jarak antara pusat kation-kation logam dengan awan elektronnya semakin jauh, sehingga gaya tarik elektrostatik antara kation-kation logam dengan awan elektronnya semakin lemah.

Logam
Jari-jari atom logam (pm)
Kation logam
Jari-jari kation logam (pm)
Li
157
Li+
106
Na
191
Na+
132
K
235
K+
165
Rb
250
Rb+
175
Cs
272
Cs+
188

3.      Jumlah elektron valensi (elektron yang terdelokalisasi)
Logam-logam golongan 1 seperti natrium dan kalium memiliki ikatan logam yang relatif rendah karena tiap atomnya hanya memiliki satu elektron untuk dikontribusikan pada ikatan. Sedangkan pada logam golongan II seperti magnesium memiliki dua elektron untuk dikontribusikan pada ikatan sehingga logam golongan II  memiliki ikatan yang relatif lebih kuat dibanding logam golongan 1.
4.      Bilangan koordinasi
Logam natrium dikelilingi oleh delapan logam natrium yang lainnya, sedangkan logam magnesium dikelilingi oleh dua belas logam magnesium lainnya. Hal ini menyebabkan ikatan logam pada magnesium lebih besar dibandingkan dengan ikatan logam pada natrium.