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
Berapa banyak jenis mineral?
Chalcopyrite
Gibbsite
Tercatat ada lebih dari 4000 jenis mineral
Simon & Schuster’s Guide to Rocks and Minerals
05
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
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
Air raksa / merkuri termasuk mineral?
11
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
Batubara termasuk mineral?
12
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
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
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
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
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
Pengelompokan Unsur Kimia
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
Pengelompokan Unsur Kimia
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
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