Ilmu Bahan

BAHAN TEKNIK

Bahan Teknik adalah semua unsur atau zat yang berbentuk padat, cair, atau gas yang banyak digunakan untuk kebutuhan keperluan dunia teknik atau industri

a. Padat : Logam, keramik, plastik, kaca, karet, kayu

b. Cair : Pelumas, air, bensin, solar, bahan kimia lain

c. Gas : Oksigen, Asitilin, Hidrogen, CO2 dan lainnya

a. Klasifikasi Bahan Teknik

Bahan yang ada disekitar kita pada dasarnya digolongkan menjadi bahan teknik dan bahan bukan teknik. Bahan teknik dibedakan antara lain bahan organik dan bahan an organik.

1) Bahan Organik adalah bahan yang diperoleh dari alam, misalnya : kayu, batu, karet

2) Bahan An-organik adalah bahan yang diperoleh dari hasil proses kimia, misalnya : gelas, keramik, mika dsb.

Gambar 3. Bahan organik dan an-organik (sumber : google.com)

1) Bahan organik

Bahan alam merupakan bahan baku produk yang diperoleh dan digunakan secara langsung dari bahan alam, oleh karena itu produk akhir yang menggunakan bahan baku ini akan memiliki sifat yang sama dengan bahan asalnya. Yang termasuk dalam kelompok ini antara lain kayu, batu, karet, kulit, keramik, celulosa dan lain-lain.

Gambar 4..Kayu (sumber : google.com)

Gambar 5. Getah pohon karet (sumber : google.com)

2) Bahan an-organik

Bahan-bahan tiruan (syntetic materials) biasanya diperoleh dari senyawa kimia dengan komposisi berbagai unsur akan diperoleh suatu sifat tertentu secara spesifik atau sifat yang menyerupai sifat bahan alam. Bahan ini dikenal sebagai bahan plastik (Plastics Materrials), yakni suatu bahan yang pertama kali dibuat oleh Leo Baekeland seorang Belgia tahun 1907 dan dipatenkan dengan nama Bakelite. Molekul yang kita sebut sebagai “Polymer” yang berarti, material plastik yang terbentuk dari ikatan rantai atom-atom serta terdiri atas “beberapa unit” ikatan rantai atom-atom tersebut. Oleh karena itu proses pengikatan dengan molekul-molekul kecil ini dikenal sebagai Polimerisasi.

Contoh dari bahan jenis ini ialah Polyethene yakni polimer yang terdiri atas 1200 atom karbon pada setiap 2 atom hidrogen sehingga memiliki tegangan serta keuletan yang tinggi dan pada beberapa jenis plastik memiliki regangan yang besar yang diakibatkan oleh rantai ikatan yang panjang.

Gambar 9. Bahan sintetik (sumber : google.com)

b. Sifat Alamiah Bahan Teknik

 Struktur atom dan unsur

Unit struktural dasar paling kecil dari satu materi adalah atom. Atom terdiri dari inti (yang bermuatan positif) yang dikelilingi elektron (yang bermuatan negatif) sedemikian sehingga muatannya seimbang. Jumlah elektron menunjukan nomor atom dan menjadi identitas suatu unsur. Ada lebih dari 100 unsur (lihat tabel periodik di bawah), dan unsur-unsur inilah yang membangun materi.

Unsur-unsur logam (metal) ada di sebelah kiri dan tengah dari tabel periodik. Sedangkan unsur non-logam ada di sebelah kanan. Di antara area metal dan non- metal ada area transisi yang berisi unsur-unsur yang disebut metaloid atau semi-metal.

Gambar 10. Tabel priodik (sumber : google.com)

Di antara unsur-unsur itu, ada persamaan sekaligus juga perbedaan. Persamaan dan perbedaan ini dapat dijelaskan oleh struktur atomnya masing. Dalam gambar di bawah, diperlihatkan model struktur atomik yang paling sederhana, dimana elektron-elektron berputar dalam orbit di sekeliling inti. Dalam gambar terlihat atom Hidrogen (H) mempunyai satu elektron yang berputar dalam satu lapis orbit. Helium (He) mempunyai dua elektron dan satu lapis orbit. Florid (F) mempunyai 9 elektron dalam dua orbit. Neon (Ne) mempunyai 10 elektron dalam dua orbit. Sedangkan Natrium (Na, yang disebut juga Sodium) mempunyai 11 elektron dalam tiga orbit.

(a) hidrogen. (b) helium, (c) fluorine, (d) neon, dan (e) sodium. (sumber : google.com)

Gambar 11. Model sederhana struktur atom beberapa elemen:

Dua unsur dapat bersenyawa menjadi satu molekul. Dalam molekul natrium-florid (lihat gambar di bawah), satu elektron dari Natrium ditransfer ke Fluor untuk “dipakai bersama”.

(sumber : google.com)

Gambar 12. Molekul sodium fluorida, dibentuk dari elektron lebih atom sodium untuk melengkapi orbit terluar atom fluorine.

3) Ikatan antar atom serta antar molekul

Atom-atom dalam molekul diikat dalam beberapa jenis ikatan, yaitu ikatan primer dan ikatan sekunder.

Ikatan primer sendiri dapat dibagi tiga: (1) ikatan ionik, (2) ikatan kovalen , dan (3) ikatan metalik.

Gambar 13. Tiga bentuk ikatan utama: (a) ionik, (b) kovalen, dan (c) metalik. (sumber : google.com)

Ikatan ionik. a)

Contoh molekul yang mempunyai ikatan ionik adalah garam meja (NaCl). Sifatnya antara lain konduktivitas listriknya rendah dan ductility yang buruk.

Gambar 14. Molekul NaCl (sumber : google.com)

katan kovalen. b)

Contoh molekul dengan ikatan kovalen adalah gas Fluorin (F2) dan intan. Berkenaan dengan intan, yang dibangun oleh atom karbon (nomor atom 6), setiap atom mempunyai 4 tetangga dengan mana mereka berbagi elektron. Ini yang membuat suatu struktur tiga dimensi yang yang yang sangat kaku dan membuat intan mempunyai kekerasan yang sangat tinggi. Bentuk lain dari karbon (misalnya grafit) tidak mempunyai struktur atomik yang kaku seperti intan. Bahan padat dengan ikatan kovalen umumnya mempunyai kekerasan yang tinggi dan konduktivitas listrik yang rendah.

c) Ikatan metalik adalah mekanisme ikatan terjadi pada logam murni dan logam paduan. Atom-atom dari kelompok logam umumnya mempunyai jumlah elektron yang kurang dari jumlah maksimum, pada orbit terluarnya. Jadi dalam satu blok logam terjadi pemakaian-bersama elektron-elektron pada orbit terluar, oleh seluruh atom yang ada pada blok itu. Elektron-elektron tersebut membentuk semacam awan yang menembus seluruh blok.

Dengan adanya elektron yang dipakai bersama, dan adanya kebebasan elektron untuk bergerak bebas dalam blok logam itu, maka ikatan metalik membuat konduktivitas listrik menjadi tinggi. Sifat umum lain karena ikatan metalik ini adalah tingginya konduktivitas panas dan ductility yang bagus.

Berbeda dengan ikatan primer yang dijelaskan di atas, ikatan sekunder adalah ikatan yang terjadi karena tarik menarik antar molekul. Jadi tidak ada transfer elektron ataupun pemakaian elektron secara bersama, sehingga ikatannya pun tidak sekuat ikatan primer. Ada tiga jenis ikatan yang termasuk dalam ikatan sekunder: (1) dipole forces, (2) London forces, dan (3) ikatan Hidrogen. Jenis ikatan 1 dan 2 disebut juga ikatan Van der Waals.

Walaupun molekul itu seharusnya netral muatannya, tetapi terdapat kutub positif dan kutub negatif pada setiap molekul, sehingga terjadi tarik menarik antar molekul. Itu yang menjelaskan dipole forces.

London forces terjadi karena pergerakan elektron sesekali membuatnya ada di satu sisi dari atom sehingga terjadi kutub bermuatan negatif.

Ikatan Hidrogen terjadi karena dua atom Hidrogen yang ada dalam satu molekul (misalnya molekul H2O), posisinya ada pada satu sisi dari molekul. Sisi molekul yang ada dua Hirogen itu tarik menarik dengan sisi lain dari molekul tetangganya. Ikatan Hidrogen merupakan jenis ikatan yang penting dalam terbentuknya polimer.

4) Struktur kristalin

Atom dan molekul merupakan “batu-bata” pembangun suatu struktur bangunan makroskopik dari suatu materi. Ketika suatu bahan berubah dari cair menjadi padat, atom atau molekul ini akan menyusun sendiri, ke atas dan bawah, serta ke kiri dan kanan. Ada yang membuat susunannya teratur, ada juga yang tidak.

Jika strukturnya beraturan dan berulang, maka disebut struktur kristalin. Unit terkecil dari perulangan ini disebut sel, sebagaimana diperlihatkan dalam gambar di bawah ini. Salah satu bentuk konfigurasi atom-atom dalam sel adalah BCC (body- centered-cubic), dimana atom-atom menempati ke 8 sudut dan di tengah-tengah sel (Gambar 1.19a). Pada kenyataannya, proporsi ukuran atom terhadap ukuran sel adalah lebih besar, seperti yang diperlihatkan dalam gambar (b). Di atas dan bawah, kanan dan kiri setiap sel, akan ada sel-sel serupa dalam posisi yang teratur, sehingga terlihat seperti gambar (c). Hal ini terjadi pada logam, keramik dan polimer.

Jenis-jenis struktur kristal. Selain bentuk BCC, ada juga bentuk dua lain yaitu FCC (face-centered cubic) dan HCP (hexagonal close-packed), sebagaimana diperlihatkan dalam gambar berikut.