Kimia zat padat, yang juga kadang-kadang disebut sebagai kimia material, adalah studi tentang sintesis, struktur, dan sifat-sifat material fase padat. Oleh karena itu, bidang ini memiliki tumpang tindih yang kuat dengan fisika zat padat, mineralogi, kristalografi, keramik, metalurgi, termodinamika, ilmu material, dan elektronik dengan fokus pada sintesis material baru dan karakterisasinya. Beragam teknik sintetis, seperti metode keramik dan deposisi uap kimia, membuat bahan padat. Padatan dapat diklasifikasikan sebagai kristal atau amorf berdasarkan sifat keteraturan yang ada dalam susunan partikel penyusunnya. Komposisi unsur, struktur mikro, dan sifat fisiknya dapat dikarakterisasi melalui berbagai metode analisis.
Sejarah
Karena relevansinya yang langsung dengan produk perdagangan, kimia anorganik solid state sangat didorong oleh teknologi. Kemajuan di bidang ini sering kali didorong oleh tuntutan industri, terkadang bekerja sama dengan akademisi. Aplikasi yang ditemukan pada abad ke-20 meliputi katalis berbasis zeolit dan platina untuk pemrosesan minyak bumi pada tahun 1950-an, silikon dengan kemurnian tinggi sebagai komponen inti perangkat mikroelektronik pada tahun 1960-an, dan superkonduktivitas "suhu tinggi" pada tahun 1980-an. Penemuan kristalografi sinar-X pada awal 1900-an oleh William Lawrence Bragg adalah inovasi yang memungkinkan. Pemahaman kita tentang bagaimana reaksi berlangsung pada tingkat atom dalam keadaan padat sangat maju oleh karya Carl Wagner tentang teori laju oksidasi, difusi balik ion, dan kimia cacat. Karena kontribusinya, dia kadang-kadang disebut sebagai bapak kimia solid state.
Wafer silikon untuk digunakan dalam perangkat elektronik
Metode sintetis
Mengingat keragaman senyawa padat, beragam metode yang sama beragamnya digunakan untuk persiapannya. Sintesis dapat berkisar dari metode suhu tinggi, seperti metode keramik, hingga metode gas, seperti pengendapan uap kimia. Seringkali, metode-metode tersebut mencegah pembentukan cacat atau menghasilkan produk dengan kemurnian tinggi.
Metode suhu tinggi
Metode Keramik
Metode keramik adalah salah satu teknik sintesis yang paling umum. Sintesis terjadi sepenuhnya dalam keadaan padat. Reaktan digiling bersama, dibentuk menjadi pelet menggunakan mesin cetak pelet dan mesin cetak hidrolik, dan dipanaskan pada suhu tinggi. Ketika suhu reaktan mencukupi, ion-ion pada batas butir bereaksi membentuk fase yang diinginkan. Umumnya metode keramik menghasilkan serbuk polikristalin, tetapi bukan kristal tunggal.
Dengan menggunakan lesung dan alu atau ball mill, reaktan digiling bersama, yang mengurangi ukuran dan meningkatkan luas permukaan reaktan. Jika pencampuran tidak cukup, kita dapat menggunakan teknik seperti ko-presipitasi dan sol-gel. Seorang ahli kimia membentuk pelet dari reaktan yang digiling dan menempatkan pelet ke dalam wadah untuk dipanaskan. Pilihan wadah tergantung pada prekursor, suhu reaksi, dan produk yang diharapkan. Sebagai contoh, oksida logam biasanya disintesis dalam wadah silika atau alumina. Tungku tabung memanaskan pelet. Tungku tabung tersedia hingga suhu maksimum 2800oC.
Sintesis fluks cair
Sintesis fluks cair dapat menjadi metode yang efisien untuk mendapatkan kristal tunggal. Dalam metode ini, pereaksi awal dikombinasikan dengan fluks, bahan inert dengan titik leleh yang lebih rendah dari bahan awal. Fluks berfungsi sebagai pelarut. Setelah reaksi, fluks yang berlebih dapat dibersihkan dengan menggunakan pelarut yang sesuai atau dapat dipanaskan lagi untuk menghilangkan fluks melalui sublimasi jika merupakan senyawa yang mudah menguap.
Bahan wadah memiliki peran besar dalam sintesis fluks cair. Wadah tidak boleh bereaksi dengan fluks atau pereaksi awal. Jika ada bahan yang mudah menguap, disarankan untuk melakukan reaksi dalam ampul tertutup. Jika fase target sensitif terhadap oksigen, tabung silika leburan berlapis karbon atau wadah karbon di dalam tabung silika leburan sering digunakan untuk mencegah kontak langsung antara dinding tabung dan reagen.
Transportasi uap kimia
Pengangkutan uap kimia menghasilkan bahan yang sangat murni. Reaksi biasanya terjadi dalam ampul tertutup. Agen pengangkut, yang ditambahkan ke ampul tertutup, menghasilkan spesies perantara yang mudah menguap dari reaktan padat. Untuk oksida logam, zat pengangkut biasanya berupa Cl2 atau HCl. Ampul memiliki gradien suhu, dan, ketika reaktan gas bergerak sepanjang gradien, pada akhirnya akan mengendap sebagai kristal. Contoh reaksi transpor uap kimia yang digunakan secara industri adalah proses Mond. Proses Mond melibatkan pemanasan nikel yang tidak murni dalam aliran karbon monoksida untuk menghasilkan nikel murni.
Metode suhu rendah
Metode interkalasi
Sintesis interkalasi adalah penyisipan molekul atau ion di antara lapisan-lapisan padatan. Padatan berlapis memiliki ikatan antarmolekul yang lemah yang menyatukan lapisan-lapisannya. Proses ini terjadi melalui difusi. Interkalasi selanjutnya didorong oleh pertukaran ion, reaksi asam-basa atau reaksi elektrokimia. Metode interkalasi pertama kali digunakan di Cina dengan ditemukannya porselen. Selain itu, graphene juga diproduksi dengan metode interkalasi, dan metode ini adalah prinsip di balik baterai lithium-ion.
Metode solusi
Dimungkinkan untuk menggunakan pelarut untuk menyiapkan padatan dengan pengendapan atau penguapan. Kadang-kadang, pelarut adalah hidrotermal yang berada di bawah tekanan pada suhu yang lebih tinggi dari titik didih normal. Variasi dari tema ini adalah penggunaan metode fluks, yang menggunakan garam dengan titik leleh yang relatif rendah sebagai pelarut.
Metode gas
Banyak padatan yang bereaksi dengan kuat dengan spesies gas seperti klorin, yodium, dan oksigen. Padatan lain membentuk produk tambahan, seperti CO atau etilena. Reaksi semacam itu dilakukan di dalam tabung terbuka, yang dilalui gas. Selain itu, reaksi-reaksi ini juga dapat terjadi di dalam alat pengukur seperti TGA. Dalam hal ini, informasi stoikiometri dapat diperoleh selama reaksi berlangsung, yang membantu mengidentifikasi produk.
Disadur dari: en.wikipedia.org