Kristal merupakan susunan atom-atom yang teratur dalam ruang tiga dimensi. Keteraturan susunan tersebut terjadi karena kondisi geometris yang harus memenuhi adanya ikatan atom yang berarah dan susunan yang rapat. Walaupun tidak mudah untuk menyatakan bagaimana atom tersusun dalam padatan, namun ada hal-hal yang diharapkan menjadi faktor penting yang menentukan terbentuknya polihedra koordinasi susunan atom-atom.
Secara ideal, susunan polihedra koordinasi paling stabil adalah yang memungkinkan terjadinya energi per satuan volume yang minimum. Keadaan tersebut dicapai jika:
a) kenetralan listrik terpenuhi,
b) ikatan kovalen yang diskrit dan terarah terpenuhi,
c) gaya tolak ion-ion menjadi minimal,
d) susunan atom serapat mungkin.
2. Kisi Ruang Bravais Dan Susunan Atom Pada Kristal
Kisi ruang (space lattice) adalah susunan titik-titik dalam ruang tiga dimensi dimana setiap titik memiliki lingkungan yang serupa. Titik dengan lingkungan yang serupa itu disebut simpul kisi (lattice points). Simpul kisi dapat disusun hanya dalam 14 susunan yang berbeda, yang disebut kisi-kisi Bravais.
Jika atom-atom dalam kristal membentuk susunan teratur yang berulang maka atom-atom dalam kristal haruslah tersusun dalam salah satu dari 14 bentuk kisi-kisi tersebut. Perlu dicatat bahwa setiap simpul kisi bisa ditempati oleh lebih dari satu atom, dan atom atau kelompok atom yang menempati tiap-tiap simpul kisi haruslah identik dan memiliki orientasi sama sesuai dengan pengertian simpul kisi.
Karena kristal yang sempurna merupakan susunan atom secara teratur dalam kisi ruang, maka susunan atom tersebut dapat dinyatakan secara lengkap dengan menyatakan posisi atom dalam suatu kesatuan yang berulang. Kesatuan yang berulang di dalam kisi ruang itu disebut sel unit (unit cell). Jika posisi atom dalam padatan dapat dinyatakan dalam sel unit ini, maka sel unit itu merupakan sel unit struktur kristal. Rusuk dari suatu sel unit dalam struktur kristal haruslah merupakan translasi kisi, yaitu vektor yang menghubungkan dua simpul kisi. Jika sel unit disusun bersentuhan antar bidang sisi, mereka akan mengisi ruangan tanpa meninggalkan ruang kosong dan membentuk kisi ruang. Satu kisi ruang yang sama mungkin bisa dibangun dari sel unit yang berbeda, akan tetapi yang disebut sel unit dipilih yang memiliki geometri sederhana dan mengandung hanya sejumlah kecil simpul kisi. Sel unit dari 14 kisi Bravais diperlihatkan pada gambar 1.
Gambar 1. Sel unit dari 14 kisi ruang Bravais.
Jika kita pilih tiga rusuk non-paralel pada suatu sel sedemikian rupa sehingga simpul kisi hanya terletak pada sudut-sudut sel, sel itu disebut sel sederhana atau sel primitif. Pada Gambar 1. sel primitif diberi tanda huruf P. Sel primitif hanya berisi satu simpul kisi; jika kita lakukan translasi sepanjang rusuknya, simpul kisi yang semula ada pada sel menjadi tidak lagi berada pada sel tersebut. Sel dengan simpul kisi yang terletak pada pusat dua bidang sisi yang paralel diberi tanda C (center); sel dengan simpul kisi di pusat setiap bidang kisi diberi tanda F (face); sel dengan simpul kisi di pusat bagian dalam sel unit ditandai dengan huruf I. Huruf R menunjuk pada sel primitif rhombohedral.
Sel unit yang paling sederhana adalah kubus yang semua rusuk dan sudutnya sama yaitu, a – a – a , α = β = γ = 90o . Ada tiga variasi pada kubus ini yaitu kubus sederhana (primitive), face centered cubic, dan body centered cubic. Jika salah satu rusuk tidak sama dengan dua rusuk yang lain tetapi sudut tetap sama 90o, kita dapatkan bentuk tetragonal, a − a − c, α = β = γ = 90o ; ada dua variasi seperti terlihat pada Gambar.1. Jika rusuk-rusuk tidak sama tetapi sudut tetap sama 90okita dapatkan bentuk orthorombic dengan 4 variasi.
3. Kristal Unsur
Dari empat keadaan yang harus dipenuhi untuk terbentuknya struktur kristal, dua keadaan telah pasti dipenuhi oleh unsur-unsur yang membentuk kristal yaitu kenetralan listrik dan gaya tolak antar ion yang minimal. Dua keadaan lagi yang diperlukan adalah pemenuhan persyratan ikatan kovalen dan terjadinya susunan yang rapat. Kita akan melihat terlebih dahulu unsur metal dan gas mulia.
a) Unsur grup VIII dan Metal.
Gas mulia, Ne dengan kofigurasi [He] 2s2 2p6, dan Ar [Ne] 3s2 3p6, serta Kr [Ar] 3d10 4s2 4p6, memiliki delapan elektron di kulit terluarnya. Konfigurasi ini sangat mantap. Oleh karena itu mereka tidak membentuk ikatan dengan sesama atom atau dengan kata lain atom-atom ini merupakan atom bebas. Dalam membentuk padatan (membeku) atom-atom gas mulia tersusun dalam susunan yang rapat. Konfigurasi yang mantap dari gas mulia menjadi konfigurasi yang cenderung untuk dicapai oleh unsur-unsur lain dalam membentuk ikatan atom.
Selain gas mulia, atom metal juga membentuk susunan rapat dalam padatan. Hal ini disebabkan karena ikatan metal merupakan ikatan tak berarah. Syarat utama yang harus dipenuhi dalam membentuk padatan adalah terjadinya susunan yang rapat. Tiga sel satuan yang paling banyak dijumpai pada metal (dan gas mulia dalam keadaan beku) adalah FCC, HCP, dan BCC yang diperlihatkan pada gambar 2.
Gambar 2. Sel unit FCC, BCC, dan HCP.
b) Unsur grup VII.
Atom Cl [Ne] 3I2 3p5, Br [Ar] 4s2 4p5, J [Kr] 4d10 5s2 5p5, memuat 7 elektron di kulit terluarnya (tingkat energi terluar). Oleh karena itu pada umumnya mereka berikatan dengan hanya 1 atom dari elemen yang sama membentuk molekul diatomik (Cl2, Br2, J2); dengan ikatan ini masing-masing atom akan memiliki konfigurasi gas mulia, delapan elektron di kulit terluar. Molekul-molekul diatomik tersebut berikatan satu dengan yang lain melalui ikatan sekunder yang lemah, membentuk kristal. Karena ikatan antar molekul yang lemah ini maka titik-leleh mereka rendah.
c) Unsur grup VI.
Atom S [Ne] 3s2 3p4, Se [Ar] 3d10 4s2 4p4, Te [Kr] 4d10 5s2 5p4, memiliki 6 elektron di kulit terluarnya. Setiap akan mengikat dua atom lain untuk memenuhi konfigurasi gas mulia dengan delapan elektron di kulit terluar masing-masing. Ikatan semacam ini dapat dipenuhi dengan membentuk molekul rantai spiral atau cincin di mana setiap atom berikatan dengan dua atom yang lain dengan sudut ikatan tertentu. Molekul rantai spiral atau cincin ini berikatan satu sama lain dengan ikatan sekunder yang lemah membentuk kristal. Contoh ikatan telurium yang membentuk spiral diberikan pada Gambar 3. Satu rantaian spiral ikatan Te bergabung dengan spiral Te yang lain membentuk kristal hexagonal.
Gambar 3. Rantai spiral Te membentuk kristal hexagonal.
d) Unsur Grup V.
Atom P [Ne] 3s2 3p3, As [Ar] 3d10 4s2 4p3, Sb [Kr] 4d10 5s2 5p3, dan Bi [Xe] 4f14 5d10 6s2 6p3 memiliki 5 elektron di kulit terluarnya dan setiap atom akan berikatan dengan tiga atom lain dengan sudut ikatan tertentu. Atom-atom berikatan membentuk lapisan bergelombang dan lapisan-lapisan ini berikatan satu dengan lainnya melalui ikatan yang lemah. Contoh salah satu lapisan dari kristal As diperlihatkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Salah satu lapisan kristal As.
e) Unsur Grup IV.
Pada Grup IV hanya unsur ringan yang membentuk krital dimana semua ikatan yang menyatukan kristal adalah kovalen. Ikatan ini merupakan hasil dari orbital hibrida sp3 tetrahedral yang saling terkait dan membentuk kristal kubik pada C (intan), Si, Ge, Sn. (lihat tentang hibridisasi). Sebagian dari unsusr grup ini dapat pula membentuk struktur dengan ikatan kristal tidak kovalen, seperti pada grafit. Atom-atom pada grafit terikat secara kovalen heksagonal membentuk bidang datar yang terikat dengan bidang yang lain melalui ikatan yang lemah seperti diperlihatkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Kristal grafit
Dalam hal ini ikatan kovalen terjadi antar orbital sp2 sedangkan ikatan antar bidang lebih bersifat ikatan metal. Oleh karena itu grafit lebih mudah mengalirkan arus listrik dan panas pada arah sejajar dengan bidang ini dibandingkan dengan arah tegak lurus.
