Pengantar Mineral - cdn-edunex.itb.ac.id

Pengantar Mineral

Kristal, Mineral, dan BatuanArie Naftali Hawu Hede, S.T., M.T., Ph.D.

KK Eksplorasi Sumber Daya Bumi -Teknik Pertambangan - FTTM ITB

Kimia Kristal

01

Pendahuluan

Apakah mineral itu?

Dalam bidang kebumian, mineral merupakan materi yang membentuk/membangun batuan.

Kuarsa (SiO2) Pirit (FeS2) Magnetit (Fe3O4)

02

Pendahuluan03

Pendahuluan

Kuarsa Biotit mika Plagioklasfeldspar

04

Berapa banyak jenis mineral?

Chalcopyrite

Gibbsite

Tercatat ada lebih dari 4000 jenis mineral

Simon & Schuster’s Guide to Rocks and Minerals

05

Kegunaan Mineral06

Kegunaan Mineral

Intan/Diamond (C)

07

Kegunaan Mineral

Talc (Mg3Si4O10(OH)2)

08

Kegunaan Mineral

Kalsit (CaCO3)

09

Kriteria Materi sebagai Mineral

Materi harus berbentuk padatan dalam kondisi

normal di Bumi

Materi harus secara terbentuk secara alami, yangberarti bukan buatan manusia

Materi harus anorganik, bukan mahluk hidupatau terbentuk dari bagian mahluk hidup atauorganik

Materi harus mempunyai komposisi kimia tetappada batas-batas tertentu

Materi tersusun oleh atom secarateratur/dalam susunan tertentu

Definisi Mineral:Benda padat, homogen yang terdapat di alam,terbentuk secara anorganik, mempunyaikomposisi kimia pada batas-batas tertentu,dan mempunyai atom-atom yang tersusunsecara teratur.

1

2

3

4

5

Kuarsa (SiO2)

Si

O

O

O

O

Silikat : SiO4

10



normal di Bumi






1

2

3

4

5

Air raksa / merkuri termasuk mineral?

11



normal di Bumi






1

2

3

4

5

Batubara termasuk mineral?

12



normal di Bumi






1

2

3

4

5

Belerang/sulfur termasuk mineral?

13

Mineral

Berbagai sifat fisik mineral seperti warna, kilap, bentuk, tekstur, kekerasan, dan sifat-sifatfisik lainnya.

Ditentukan oleh SUSUNAN DALAM ATOM

Chalcopyrite

Gibbsite

14

Atom dan Unsur Kimia

Kristal, Mineral, dan Batuan

Kimia Kristal

15

Pendahuluan

KristalZat padat yang terdiri atas susunan atom dan molekulyang teratur.

16

MineralBenda padat, homogen yang terdapat di alam, terbentuksecara anorganik, mempunyai komposisi kimia padabatas-batas tertentu, dan mempunyai atom-atom yangtersusun secara teratur.

KIMIA KRISTAL

KimiaKomposisi atau konsentrasi dari unsur yang menyusunmineral.

Kimia kristalSuatu studi mengenai prinsip-prinsip kimia di balik kristal danpenggunaannya dalam mendeskripsikanhubungan struktur dan sifat dalam padatan

PENDAHULUAN

Apakah atom itu?Bagaimana atom-

atom tersusun?

Bagaimana sifat dan susunan unsur-

unsur dalam suatu mineral dapat

berbeda-beda baik dari sifat fisik

maupun kimia

Bagaimana atom-atom berinteraksi

satu dengan yang lain?

Atom/unsur biasa apa yang

ada di mineral yang umum?

17

Atom

Setiap materi terdiri partikel-partikel kecil yang menyusun zat tersebut yang dapat berupa atom, molekul, atau ion.

Atom tidak bermuatan (netral).Ion atom/molekul yang bermuatan listrik

Nukleus

Proton (+)

Neutron (N)

Elektron (-)

Nukleus (inti atom) terdiri dari dua partikel sub-atomyaitu proton dan neutron.

Jumlah proton dalam atom = nomor atom (Z),

Contoh helium, oksigen, dan aluminium masing-masing mempunyai 2, 8, dan 13 proton.

Jumlah proton dan neutron = nomor massa atom

Massa atom pada keadaan diam sering diekspresikanmenggunakan satuan massa atom (amu).

1 amu didefinisikan sebagai 1/12 massaatom karbon-12 netral, kira-kira sebesar1,66 × 10−27 kg.

Contoh Oksigen-16

18

Isotop

Jumlah neutron bisa berbeda pada setiap unsur. Setiapisotop unsur memiliki jumlah neutron yang berbeda.

O

Contoh:Oksigen (O) nomor atom 8.Terdapat 3 isotop =>jumlah neutron yang bervariasi: 16Onomor massa 16 dengan 8 neutron,

17O nomor massa 17 dengan 9 neutron,18O nomor massa 18 dengan 10 neutron.

8+8N

8-

8+9N

8-

8+10N

8-

16

8

Nomor masa

Nomor atom16O Oksigen-16

Isotop dapat bersifat stabil atau tidak dipengaruhi oleh perbandingan banyaknya jumlah neutron dan proton.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c4/Table_isotopes_en.svg

Grafik kestabilan isotop, perbandingan nomor proton

dan neutron.

16O

17O

18O

19

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c4/Table_isotopes_en.svg

Konfigurasi ElektronKonfigurasi elektron adalah susunan elektron berdasarkan kulit atau orbital dari suatu atom.

a) Konfigurasi elektron Bohr; elektron-elektron mengelilingi inti pada jalur lintasantertentu (tingkat energi tertentu = kulit elektron). Kulit K, L, M, N, O, P denganjumlah elektron max tiap kulit = 2n2

b) Konfigurasi elektron berdasarkan teori atom mekanika kuantum; Lintasan (orbit)dinyatakan dalam kulit/level/shell dan sub-kulit/sub-level/sub-shell.

Urutan pengisian(konfigurasi) elektron

Aturan Diagram Orbital1. Prinsip Aufbau; pengisian elektron dimulai dari tingkat energi terendah ke lebih tinggi2. Aturan Hund; setiap orbital di subtingkat diisi elektron tunggal sebelum orbital diisi

pasangan elektron3. Larangan Pauli; elektron-elektron tidak boleh memiliki ke empat bilangan kuantum yang

sama

4p6

Jumlah elektron

Letak subkulitLetak kulit

Subkulit s ; max. 2 elektronSubkulit p ; max. 6 elektronSubkulit d ; max. 10 elektronSubkulit f ; max. 14 elektron

24Cr = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5

Tugas, cari tahu mengapa?

20

Ion

Ion adalah atom atau molekul yang memperoleh atau kehilangan satu ataulebih elektron sehingga jumlah elektron tidak sama dengan proton.

Na → Na+ + e−

Cl + e− → Cl−

Ion positif ; kation

misal

Ion negative ; anion

Na Na

Cl Cl

Atom Ion

Ion yang hanya berisi satu atom disebut ion monoatomik atau ion atomik, Ion yang berisi dua atau lebih atom disebut ion molekuler atau ion poliatomik

21

Unsur KimiaIA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA

IIIB IVB VB VIB VIIB ----- VIIIB ------ IB IIB

22

Pengelompokan Unsur Kimia

Berdasarkan sifat fisika dan kimianya, unsur kimia secara umum dibagi ke dalam tiga kategori:

1 2 3Unsur logam

• 78% dari semua unsur yang dikenaladalah logam

• Biasanya padat pada suhu kamar• Biasanya memiliki titik leleh dan

titik didih yang tinggi• Penghantar panas dan listrik yang

baik• Dapat ditempa dan diregangkan

Unsur Nonlogam

• Total ada 22 non-logam• Biasanya padatan atau gas pada

suhu kamar• Titik leleh dan titik didih rendah• Penghantar panas dan listrik yang

buruk

Unsur Metaloid

Menunjukkan sifat logam dan non-logamContoh: Silikon, germanium, arsen, dan antimon

23


Secara khusus pembagian unsur dapat dijelaskan sebagai berikut:

• Gol. IA (logam alkali) bersifat sangat reaktif dan dapat membentuk larutan asam (alkali). Karena sifatnya itu, elementidak dijumpai secara alami. Larutan asam bersifat korosif dan berbahaya.

• Gol. IIA (Logam alkali tanah), tergolong logam aktif tapi kereaktifannya kurang dibandingkan logam alkali, bersifatlebih lunak, mempunyai 2 buah elektron.

• Gol. IIIA; boron akan membentuk ikatan kovalen sedangkan unsur lain akan membentuk ikatan ion.

• Gol. IVA terdiri dari non-logam karbon, metalloid silicon dan germanium, logam timah dan timbah, dan unsursintetik.

• Gol. VA; N dan P adalah non-logam, AS dan Sb adalah metalloid, Bi adalah logam

• Gol VIA; sering disebu kalkogenik (pembentuk bijih).

• Gol. VIIA; sering disebut halogen (halo=garam, gen=pembentuk), bersifat sangat reaktif.

• Gol. VIIIA; gas nobel yang bersifat inert, jarang bereaksi dengan unsur lain karena telah stabil

• Gol. B (transisi); semua unsur transisi tergolon logam, mempunyai kekerasan, titik leleh, dan titik didih yang relative tinggi.

24


Klasifikasi GoldschmidtVictor M Goldschmidt

(1888-1947)

25


Kelimpahan unsur kimia di kerak benua bagian atas (upper continental crust).

• Dekat permukaan pada kerak benuakaya Si-Al.

• 10 unsur utama (O, Si, Ti, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K, H) merupakan 99 % penyusun kerak bumi.

26

Unsur kimia logam utama

Elemen %

Alumunium (Al) 8,130

Besi (Fe) 5,000

Magnesium (Mg) 2,090

Titanium (Ti) 0,440

Mangan (Mn) 0,100

Kromiun (Cr) 0,020

Vanadium (V) 0,015

Zink (Zn) 0,011

Nikel (Ni) 0,008

Tembaga (Cu) 0,005

Timah (Sn) 0,004

Elemen %

Kobalt (Co) 0,0023000

Timbal (Pb) 0,0016000

Arsenik (As) 0,0005000

Uranium (U) 0,0004000

Molibdenum (Mo) 0,0002500

Tungsten (W) 0,0001500

Antimony (Sb) 0,0001000

Air Raksa (Hg) 0,0000500

Perak (Ag) 0,0000100

Emas (Au) 0,0000005

Platinum (Pt) 0,0000005

Unsur-unsur logam utama pada Batuan Beku

27

Unsur kimia logam utamaPerbandingan antara rata-rata kelimpahan unsur logam di alam dengan rata-rata kadar minimum ekonomis

LogamRata-rata

Kelimpahan di alam(%)

Rata-rata kadar minimum yang ekonomis

(%)

Faktor Konsentrasi (Konsentrasi Clarke)

Alumunium 8,13 30 4

Besi 5,00 30 6

Mangan 0,10 35 350

Khrom 0,01 30 3000

Tembaga 0,0055 0,5 90

Nikel 0,0075 0,5 66

Seng 0,0070 3 430

Timah 0,0002 1 5000

Timbal 0,0013 4 3075

Uranium 0,0002 0,1 500

Emas 0,0000004 0,001 2500

28

Ikatan Kimia

Kristal, Mineral, dan Batuan

Kimia Kristal

29

Prinsip Dasar Kimia Kristal-Mineral

Karena mineral adalah kristalin, maka secara kimiawi dapatdipelajari susunan yang sistematik dan teratur dari atom-atom .

Penemuan difraksi sinar-X yang memungkinkanmempelajari susunan atom dalam kristal.

Atom dapat berasosiasi dengan atom-atom lain dalamsuatu grup sebagai satu struktur tunggal.

Atom dibangun oleh inti bermuatan positip dikelilingi olehsatu elektron atau lebih membentuk suatu bola denganjari-jari efektif dalam Å.

Radius atom tidak hanya tergantung pada sifat unsurtetapi juga pada keadaan ionisasi dan cara bagaimana iaberhubungan dengan atom-atom lain yang berdekatan

30

Ikatan Kimia dalam Atom

• Atom yang tidak menunjukkankecenderungan bereaksi kimia (mis. gas mulia) mempunyai konfigurasi elektronyang stabil.

• Dalam usahanya untuk mendapatkankonfigurasi elektron gas mulia, atom-atom ini mengadakan ikatan kimia.

• Atom-atom dapat memperoleh susunanelektron gas mulia dengan 2 cara:

1. kehilangan atau memperoleh elektrondan membentuk ikatan ion.

2. dengan menggunakan elektron secarabersamaan (sharing electron) membentuk ikatan kovalen.

• Ikatan Ion

• Ikalan Kovalen

• Ikatan Logam

• Ikatan van der Waals

31

Ikatan Ion

Ikatan ion merupakan sejenis interaksi elektrostatik antara dua atom yang memilikiperbedaan elektronegativitas yang besar.

Ikatan ion umumnya terdapat dalam senyawa anorganik, seperti mineral yang hampir semuanya mempunyai ikatan ion kecuali unsur native dan sulfida

• Khlorin ialah unsur yang menambah 1 elektronmenjadi ion bermuatan negatif (Cl-) → konfigurasielektron argon.

• Sodium ialah unsur yang melepaskan 1 elektronmenjadi ion dengan muatan positif (Na+) →

berkonfigurasi elektron neon.

• Sodium dan khlorin berkombinasi membentukstruktur ion yang diikat oleh gaya tarik menarikelektrostatik.

32

Ikatan Ion

Sifat Kristal dengan ikatan Ion

• Mudah larut dalam pelarut polar seperti air (H2O) adalah pelarut polar karena

ion hidrogen terbentuk pada satu sisi dari molekul air memberi muatan positif

sedangkan tepi lain dari molekul air memiliki muatan negatif

• Memiliki kekerasan dan density sedang

• Memiliki titik leleh yang tinggi

• Merupakan material yang baik untuk insulasi listrik dan panas

33

Ikatan Kovalen

• Cara lain untuk mencapai struktur gas mulia (kulit elektron terluar terisi penuh oleh 8elektron) ialah dengan menggunakan dua atau lebih elektron secara bersamaan (sharingelectron) pada kulit terluarnya.

• Jenis ikatan ini umumnya terdapat dalam senyawa-senyawa organik, jarang dijumpai dalammineral.

Contoh yang terbaik pada mineral adalah intan,

tiap atom karbon dikelilingi oleh empat atom

karbon lainnya, masing-masing sharing satu

elektron dengan atom pusat (central atom).

Pola ini terulang di seluruh struktur, dan seluruh

kristal merupakan suatu molekul raksasa.

Cl

Cl

+ = Cl

Cl

Gas khlorin (Cl2) yang selalu berhubungan dengan dua atom dalammolekul (diatomic molecules), tiap atom khlorin mempunyai tujuhelektron kulit terluar

34

Ikatan Kovalen

Sifat Kristal dengan ikatan kovalen

• Relatif tidak larut dalam pelarut polar seperti air

• Memiliki titik leleh yang tinggi

• Cenderung memiliki kekerasan yang tinggi

• Umumnya merupakan konduktor panas dan listrik yang buruk

35

Ikatan Logam

Logam adalah

• unsur yang atomnya mudah melepaskan elektronterluarnya,

• struktur atom suatu logam ditentukan oleh packing atom-atom bermuatan positif,

• elektron-elektron yang terlepas tersebar diantaraatom-atom dan bergerak bebas.

Elektron-elektron bebas inilah yang menyebabkan logam sebagai penghantar listrik dan panas yang baik.

Mineral yang mempunyai ikatan logam adalahnative metal, sulfida, dan arsenida.

Sifat Kristal dengan ikatan logam

• Kekerasan rendah sampai sedang

• Biasanya bersifat malleable dan ductile

• Konduktor listrik dan panas yang baik

• Hanya larut dalam asam

36

Ikatan van der Waals

Ikatan ini khas pada gas mulia. Kejenuhan elektron kulit terluar atom tidak mampu membentukikatan logam, kovalen, ataupun ion, akibatnya, gaya tarik menarik antar atom sangat lemah.

Susunan atom grafit (C)

garis putus-putus menandakanikatan van der Waals, garis penuhmenandakan ikatan kovalen.

37

Ikatan Kimia dalam Kristal

• Keempat jenis ikatan ini memberikan dasaryang mudah untuk klasifikasi strukturkristal. Akan tetapi ikatan dalam senyawadapat bersifat intermedier.

• Ikatan silikon-oksigen dalam silika dansilikat bukanlah bersifat murni ikatanion atau murni ikatan kovalen tetapibersifat intermedier.

• Dalam suatu senyawa dapat terjadi lebihdari satu jenis ikatan, umpamanya molekulsulfur terbentuk dari delapan atom yangterikat secara kovalen dan molekul initerikat bersama-sama dalam kristaldengan ikatan van der Waals.

NaCl terikat secara ikatan logam

sebesar 80%.

38

Ikatan Kimia dalam Kristal

• Sifat-sifat fisika seperti kekerasan (hardness) dan mechanical strenght ditentukan oleh ikatan-ikatan yang terlemah, yang akan lebihdahulu pecah pada pertambahan mechanical strain dan thermal strain.

• Misalnya di dalam grafit, atom-atom karbonberikatan secara kovalen dalam lembaran-lembaran (sheets) dan lembaran-lembaran inisaling berhubungan dengan ikatan van der Waals. Yang terakhir ini lemah dan mudahpecah, inilah yang merupakan kelembekan(softness) dari grafit, dan ia cepat membelah(cleavability) sejajar dengan lembaran-lembaran atom karbon.

39

Terima Kasih40

Arie Naftali Hawu Hedeemail: [email protected]

- 2021 -

Documents

Pengantar Mineral - cdn-edunex.itb.ac.id