Struktur 2.3 · Model logam

Lembar kerja ini mengajarkan Struktur 2.3, Model logam, untuk kursus yang pertama kali dinilai pada 2025.

Prasyarat: konfigurasi elektron dan energi ionisasi dari Struktur 1.3, serta model ionik dan kovalen dari Struktur 2.1 dan 2.2. Anda akan membandingkan titik leleh dari buku data.

Mengapa kawat tembaga dapat dibengkokkan dan menghantarkan listrik?

Kawat tembaga menghantarkan arus baik saat dingin maupun saat merah menyala. Anda dapat membengkokkannya, memukulnya hingga rata, atau menariknya menjadi kawat yang lebih tipis, dan ia tidak pecah. Kristal ionik tidak melakukan keduanya: hanya menghantarkan saat melebur dan patah saat dipukul. Model logam menjelaskan kedua sifat logam dengan satu gambaran.

Kation dalam lautan elektron

Atom logam memiliki sedikit elektron valensi dan energi ionisasi rendah, sehingga mereka melepaskan elektron valensi dengan mudah. Dalam logam padat:

• atom melepaskan elektron valensi dan menjadi ion positif, kation, tersusun dalam jaring yang teratur;
• elektron yang terlepas tidak terikat pada satu ion tertentu. Mereka adalah elektron terdelokalisasi, bebas bergerak melalui seluruh struktur, sering disebut "lautan" elektron.

Ikatan logam adalah gaya elektrostatik antara kisi-kisi kation dan elektron yang terdelokalisasi.

Tiga poin yang diperhatikan oleh penguji:

• Tidak ada anion dalam logam. Muatan negatif dibawa oleh elektron.
• Gaya tarik bekerja ke segala arah: ikatan bersifat tidak berarah.
• Setiap ion tertarik pada banyak elektron, dan setiap elektron tertarik pada banyak ion, sehingga tidak terdapat ikatan terpisah antar pasangan atom.

Menjelaskan setiap sifat

Untuk menjelaskan suatu sifat, sebutkan struktur, partikel, gaya, dan pembawa muatan yang bergerak.

Keuletan berarti dapat dihampar menjadi bentuk tertentu; keterdugitan berarti dapat ditarik menjadi kawat.

Logam dibandingkan dengan senyawa ionik

Perhatikan pembawa muatan yang berbeda: selalu sebutkan elektron untuk logam dan ion untuk senyawa ionik cair.

Apa yang membuat ikatan lebih kuat

Ikatan logam lebih kuat ketika daya tarik antara kation dan lautan elektron lebih besar. Dua faktor menentukan hal ini:

1. Muatan kation dan jumlah elektron terdelokalisasi. Muatan yang lebih besar memberikan lebih banyak elektron terdelokalisasi per ion dan daya tarik yang lebih kuat.
2. Jari-jari kation. Ion yang lebih kecil memungkinkan elektron berada lebih dekat dengan inti, sehingga daya tariknya lebih kuat.

Ikatan logam yang lebih kuat berarti titik leleh dan titik didih yang lebih tinggi.

Sepanjang periode 3: Na, Mg, Al

• $\text{Na}^{+}$ memberikan satu elektron terdelokalisasi per ion, $\text{Mg}^{2+}$ dua, dan $\text{Al}^{3+}$ tiga.
• Ion juga menjadi lebih kecil: $\text{Na}^{+}$ 102 pm, $\text{Mg}^{2+}$ 72 pm, $\text{Al}^{3+}$ 54 pm.
• Kedua perubahan memperkuat daya tarik, sehingga titik leleh meningkat dari $98\ ^\circ\text{C}$ ke $650\ ^\circ\text{C}$ dan $660\ ^\circ\text{C}$.

Titik didih menunjukkan tren lebih jelas daripada titik leleh: Na $883\ ^\circ\text{C}$, Mg $1090\ ^\circ\text{C}$, Al $2519\ ^\circ\text{C}$. Pelelehan hanya melemahkan kisi, tetapi penguapan memisahkan ion secara utuh dari satu sama lain.

Menurun dalam golongan 1: Li hingga Cs

Setiap logam golongan 1 memberikan satu elektron terdelokalisasi per ion. Menurun dalam golongan, kation menjadi lebih besar, sehingga elektron terdelokalisasi berada lebih jauh dari setiap inti, dan daya tariknya lebih lemah. Titik leleh turun dari $181\ ^\circ\text{C}$ (Li) ke $28\ ^\circ\text{C}$ (Cs): cesium meleleh di tangan yang hangat.

Contoh dikerjakan

Jelaskan mengapa magnesium memiliki titik leleh yang lebih tinggi daripada natrium.

• Struktur: keduanya adalah kisi logam raksasa; pelelehan mengatasi ikatan logam.
• Ion: $\text{Mg}^{2+}$ bermuatan lebih tinggi daripada $\text{Na}^{+}$ dan ukurannya lebih kecil.
• Elektron: magnesium memiliki dua elektron terdelokalisasi per atom, sedangkan natrium hanya satu.
• Kesimpulan: gaya tarik antara kation dan elektron terdelokalisasi lebih kuat pada magnesium, sehingga membutuhkan energi lebih besar untuk mencairkannya.

1. Definisikan ikatan logam.
2. Jelaskan mengapa tembaga padat menghantarkan listrik tetapi tembaga(II) klorida padat tidak.
3. Jelaskan mengapa logam dapat melengkung ketika dipukul palu, tetapi kristal natrium klorida hancur.
4. Jelaskan mengapa aluminium memiliki titik didih yang lebih tinggi daripada natrium.
5. Jelaskan mengapa titik leleh logam golongan 1 menurun dari litium hingga sesium.
6. Perkirakan, dengan alasan, mana yang memiliki titik leleh lebih tinggi: kalium atau kalsium.

Jawaban.

1. Gaya tarik elektrostatik antara kisi ion positif (kation) dan elektron terdelokalisasi.
2. Tembaga mengandung elektron terdelokalisasi yang dapat bergerak melalui kisi dan membawa muatan. Dalam padatan tembaga(II) klorida, ion-ionnya terkunci pada posisi tetap dan tidak ada elektron yang dapat bergerak, sehingga tidak ada arus listrik yang mengalir.
3. Dalam logam, ikatan bersifat non-directional: lapisan kation meluncur dan elektron terdelokalisasi bergerak bersama mereka, sehingga gaya tarik mempertahankan susunan baru. Pada NaCl, pergeseran akan membawa ion bermuatan sama berdekatan, menyebabkan tolakan dan retaknya kristal.
4. $\text{Al}^{3+}$ memiliki muatan lebih tinggi dan jari-jari lebih kecil daripada $\text{Na}^{+}$, serta aluminium memiliki tiga elektron terdelokalisasi per atom berbanding satu. Tarikan antara kation dan elektron terdelokalisasi lebih kuat, sehingga diperlukan energi lebih banyak untuk memisahkan ion-ion tersebut.
5. Setiap ion menyumbangkan satu elektron terdelokalisasi, namun ukuran ion bertambah ke bawah dalam golongan. Elektron terdelokalisasi semakin jauh dari inti, tarikan menjadi lemah, dan energi yang dibutuhkan untuk meleburkan logam berkurang.
6. Kalsium: $\text{Ca}^{2+}$ memiliki muatan lebih tinggi dan ukurannya lebih kecil daripada $\text{K}^{+}$, serta menyumbangkan dua elektron terdelokalisasi per atom, sehingga ikatan logaminya lebih kuat ($842\ ^\circ\text{C}$ berbanding $63\ ^\circ\text{C}$).

• Definisikan ikatan logam sebagai tarikan antara kation dan elektron terdelokalisasi; jangan sebut anion atau "molekul".
• Logam menghantarkan listrik melalui elektron terdelokalisasi baik dalam keadaan padat maupun cair; senyawa ionik cair menghantarkan listrik melalui ion.
• Untuk kelenturan, jelaskan bahwa lapisan-lapisan meluncur dan ikatan non-directional tetap terjaga.
• Bandingkan kekuatan ikatan logam dengan muatan (jumlah elektron terdelokalisasi) dan jari-jari ion, serta hubungkan dengan energi yang dibutuhkan.