Unsur Karbon dan Silikon

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 SiF₆^2–, 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