Karbon dan Silikon. Karbon
dan silikon berada dalam golongan IVA dengan konfigurasi elektron
ns2np2 membentuk ikatan kovalen dengan struktur tetrahedral. Silikon
dapat membentuk enam buah ikatan yaitu SiF62–, sedangkan karbon maksimal empat ikatan kovalen.
1. Kelimpahan Karbon dan Silikon di Alam. Silikon merupakan unsur yang paling melimpah di alam, terdapat dalam bentuk silika (SiO2)
dan mineral silikat. Unsur berikutnya yang juga melimpah di alam adalah
karbon, ditemukan dalam semua makhluk hidup dan batubara serta minyak
bumi. Sumber utama karbon selain dari senyawa organik terdapat dalam mineral karbonat, yakni batu kapur dan dolomit. Karbon juga terdapat sebagai CO2 di atmosfer serta sebagai grafit dan intan.
2. Sifat-Sifat Karbon dan Silikon. Bentuk
alotrop dari karbon yang berupa kristal adalah grafit dan intan,
sedangkan bentuk amorf dari karbon adalah arang dan kokas (karbon
hitam). Grafit dan intan membentuk struktur jaringan kovalen yang sangat
besar (struktur raksasa). Grafit bersifat lunak, berwarna hitam
mengkilap dengan struktur berlapis, dan dapat menghantarkan listrik
(bersifat konduktor). Intan bersifat keras, tidak berwarna, dan
transparan terhadap cahaya, tetapi intan tidak dapat menghantarkan arus
listrik (insulator). Perbedaan sifat antara grafit dan intan akibat dari
bentuk strukturnya. Grafit membentuk struktur segienam datar dan
berlapis melalui ikatan hibrida sp2. Adapun intan membentuk struktur
tetrahedral, di mana setiap atom karbon berikatan dengan empat atom
karbon lain melalui ikatan hibrida sp3 (lihat Gambar 3.33a). Bentuk
amorf dari karbon memiliki struktur lapisan seperti grafit. Perbedaannya
terletak pada tumpukan lapisan. Grafit memiliki lapisan struktur
beraturan (lihat Gambar 3.33b), sedangkan karbon amorf tidak beraturan.
Untuk memecahkan intan diperlukan energi
sangat tinggi sebab banyak ikatan C–C yang harus diputuskan. Jika
ikatan C–C putus, bentuknya menjadi tidak beraturan (amorf).
Tabel 3.15 Kekuatan Ikatan C–C, Si–Si, dan Si–O
Ikatan | Energi Ikat (kJ mol–1) |
C–C | 347 |
Si–Si | 226 |
Si–O | 368 |
Silikon berupa padatan keras dengan
struktur serupa intan, berwarna abu mengkilap dan meleleh pada 1.410°C.
Silikon bersifat semikonduktor. Daya hantarnya kecil pada suhu kamar,
tetapi pada suhu tinggi menjadi konduktor yang baik. Beberapa sifat fisika karbon dan silikon ditunjukkan pada Tabel 3.16.
Tabel 3.16 Sifat-Sifat Fisika Karbon dan Silikon
Sifat | C | Si |
Titik leleh (°C) | 3.550 | 1.410 |
Titik didih (°C) | 4.827 | 2.355 |
Massa jenis (g cm–3) | 3,51 | 2,33 |
Keelektronegatifan | 2,5 | 1,8 |
Jari-jari kovalen ( ) | 0,77 | 1,77 |
Silikon dan karbon dapat bereaksi dengan uap air pada suhu tinggi. Persamaan reaksinya:
C(s) + H2O(g)⎯ Δ ⎯→CO(g) + H2(g)
Si(s) + 2H2O(g)⎯ Δ ⎯→SiO2(g) + 2H2(g)
Gambar 3.34 (a) Model struktur kuarsa (silikat) (b) Kuarsa yang sesungguhnya
3. Pembuatan serta Kegunaan Unsur Karbon dan Silikon. Grafit
sintetis diproduksi untuk pembuatan elektrode pada industri baterai.
Grafit dibuat melalui pemanasan arang minyak bumi dalam tungku listrik
pada 3.500°C dengan katalis pasir dan besi. Karbon hitam seperti karbon
aktif diproduksi dalam jumlah besar melalui pembakaran gas alam dan
batubara tanpa oksigen.
CH4(g)⎯ Δ ⎯→C(s) + 2H2(g)
Karbon hitam digunakan untuk industri
karet dan sebagai pigmen untuk tinta hitam. Karbon amorf dan fiber
grafit digunakan sebagai penguat pada suhu
tinggi, seperti tungku atau tanur. Karbon ini dibuat melalui pemanasan
fiber tekstil pada suhu tinggi. Intan dapat dibuat dari grafit pada suhu
dan tekanan sangat tinggi menghasilkan intan buatan yang murah sebagai
alat pemotong kaca dan penggilingan. Prosesnya dilakukan pada 3.000°C
dan 105 atm dengan katalis logam transisi.
C(grafit) ⎯3.000°C105atm⎯→C(intan)
Silikon dibuat melalui reduksi pasir kuarsa (SiO2) oleh karbon dalam tungku listrik pada 3.000°C.
Gambar 3.35 Karbon hitam, intan, dan grafit
SiO2(l) + 2C(s)⎯ Δ ⎯→Si(l) + 2CO2(g)
Untuk tujuan metalurgi,
silikon dipadukan dengan besi membentuk ferosilikon (Fe–Si). Paduan ini
diperoleh melalui reduksi besi(III) oksida bersama-sama dengan pasir
kuarsa. Silikon ultramurni digunakan sebagai bahan semikonduktor padat
seperti transistor, sel surya, dan chips mikro-komputer. Silikon
ultramurni dibuat dari silikon tidak murni. Prosesnya adalah seperti
berikut.
a) Silikon tidak murni (hasil reduksi pasir) dipanaskan dengan gas klorin membentuk SiCl4 (cairan dengan titik didih 58°C).
Si(s) + 2Cl2(g)⎯ Δ ⎯→SiCl4(l)
b) SiCl4 dicampur dengan gas H2 dan dilewatkan melalui tabung pemanas hingga terjadi reaksi:
SiCl4(l) + 2H2(g)⎯ Δ ⎯→Si(s) + 4HCl(g)
c) Setelah dingin, silikon ultra-murni
mengkristal pada permukaan batang silikon murni. Silikon yang dibuat
dengan cara ini hanya memiliki pengotor 10–8%.
Gambar 3.36 (a) Silikon ultra-murni digunakan untuk material elektronika. (b) Komponen sel surya
Dear readers, after reading the Content please ask for advice and to provide constructive feedback Please Write Relevant Comment with Polite Language.Your comments inspired me to continue blogging. Your opinion much more valuable to me. Thank you.