Kimia Keadaan Padat mempelajari struktur, ikatan, dan sifat fisik material anorganik dalam bentuk kristal.

1. Struktur Padatan Kristal

Padatan kristal dicirikan oleh susunan partikel (atom, ion, atau molekul) yang teratur dan berulang dalam tiga dimensi, yang disebut kisi kristal.

1.1 Kisi, Sel Satuan, dan Kerapatan Susunan

• Kisi (Lattice): Susunan titik-titik hipotesis yang menggambarkan posisi partikel dalam ruang.
• Sel Satuan (Unit Cell): Unit terkecil dari kisi yang, jika diulang, menghasilkan seluruh struktur kristal. Terdapat 14 jenis kisi Bravais yang menggambarkan semua kemungkinan susunan kristal.

• Sistem Kristal: Sel satuan diklasifikasikan berdasarkan panjang sisi ($a, b, c$) dan sudutnya ($\alpha, \beta, \gamma$) menjadi 7 sistem kristal dasar (Kubik, Tetragonal, Ortorombik, Monoklinik, Triklinik, Heksagonal, Rombohedral).
• Kerapatan Susunan (Packing Efficiency): Menggambarkan seberapa efisien ruang diisi oleh atom.
  • Susunan Kubik Sederhana (SC): Kerapatan 52%
  • Susunan Kubik Berpusat Badan (BCC): Kerapatan 68%
  • Susunan Kubik Berpusat Muka (FCC) dan Heksagonal Kerapatan Tinggi (HCP): Keduanya memiliki kerapatan maksimum 74%. Susunan ini juga disebut Close-Packed Structures.

1.2 Struktur Padatan Ionik

Struktur padatan ionik lebih kompleks karena harus menampung kation dan anion. Penentuan strukturnya bergantung pada dua faktor:

1. Stoikiometri: Rasio jumlah kation terhadap anion.
2. Rasio Jari-jari ($\mathbf{r_+ / r_-}$): Menentukan bilangan koordinasi ion dan bagaimana ion yang lebih kecil (biasanya kation) menempati lubang (voids) di antara ion yang lebih besar (biasanya anion).

Rasio Jari-jari	Bilangan Koordinasi	Geometri	Contoh Struktur
$0.225 – 0.414$	4	Tetrahedral	$ZnS$ (Zinc Blend)
$0.414 – 0.732$	6	Oktahedral	$NaCl$ (Rock Salt)
$0.732 – 1.000$	8	Kubik	$CsCl$ (Cesium Chloride)

2. Sifat Elektronik Padatan

Sifat listrik, magnetik, dan optik padatan ditentukan oleh pergerakan elektron, yang dijelaskan dengan Teori Pita (Band Theory).

2.1 Teori Pita

Teori Pita adalah perluasan dari Teori Orbital Molekul (Bab 2) ke padatan yang sangat besar. Ketika banyak atom bergabung, orbital atom valensi mereka bergabung membentuk pita energi yang hampir kontinu:

• Pita Valensi: Pita energi yang terisi penuh oleh elektron.
• Pita Konduksi: Pita energi kosong yang terletak di atas pita valensi.
• Celah Pita (Band Gap, $\mathbf{E_g}$): Jarak energi antara pita valensi dan pita konduksi.

2.2 Klasifikasi Material Berdasarkan Celah Pita

Tipe Material	Celah Pita (Eg​)	Konduktivitas	Contoh
Konduktor (Logam)	Nol atau Overlap	Sangat Tinggi	$\text{Cu, Ag}$
Semikonduktor	Kecil (0.1 – 3 eV)	Menengah (Meningkat dengan $T$)	$\text{Si, Ge}$
Isolator	Besar (> 3 eV)	Sangat Rendah	$\text{C}$ (Intan), $\text{SiO}_2$

2.3 Semikonduktor dan Doping

Semikonduktor adalah material kunci dalam elektronik modern. Konduktivitasnya dapat dimanipulasi melalui proses Doping:

• Semikonduktor Tipe n (Negatif): Atom $\text{Si}$ (Golongan 14) didoping dengan atom dari Golongan 15 ($\text{P, As}$). Kelebihan elektron (pembawa muatan negatif) disumbangkan ke pita konduksi.
• Semikonduktor Tipe p (Positif): Atom $\text{Si}$ didoping dengan atom dari Golongan 13 ($\text{B, Al}$). Kekurangan elektron (dikenal sebagai lubang/holes) menciptakan pembawa muatan positif di pita valensi.

3. Ketidaksempurnaan dan Stabilitas Padatan

Padatan “nyata” selalu mengandung ketidaksempurnaan atau cacat kristal yang sangat mempengaruhi sifat listrik, optik, dan mekanik.

• Cacat Titik:
  • Vakansi (Vacancy): Sebuah atom atau ion hilang dari posisi kisi normalnya.
  • Interstisial: Sebuah atom atau ion berada pada posisi antara situs kisi normal (lubang).
  • Cacat Schottky: Sepasang vakansi kation dan anion (mempertahankan netralitas muatan).
  • Cacat Frenkel: Ion berpindah dari posisi kisi normalnya ke posisi interstisial.

4. Kimia Keramik dan Sains Material

Kimia keadaan padat mendasari pengembangan material anorganik fungsional:

• Keramik: Material padat non-logam yang terdiri dari senyawa ionik dan kovalen (misalnya $\text{Al}_2\text{O}_3, \text{SiC}$). Dikenal karena kekerasan, titik leleh tinggi, dan insulasi listrik.
• Superkonduktor: Material yang menunjukkan hambatan listrik nol di bawah suhu kritis tertentu (misalnya keramik $YBa_2Cu_3O_{7-x}$, High-Temperature Superconductors).
• Zeolit: Alumosilikat berpori dengan struktur unik yang digunakan sebagai saringan molekuler dan katalis di industri minyak bumi.