Kimia notesnota, bab 8
Bahan Buatan dalam Industri
Notes made with reference toNota dibuat dengan rujukan kepada TextbookBuku teks Kimia Tingkatan 4 (KSSM), pageshalaman 252-274
What this chapter coversMatlamat bab ini
- Saya boleh memerihalkan aloi dengan contoh (8.1.1)
- Saya boleh membandingkan sifat aloi dengan logam tulen melalui eksperimen (8.1.2)
- Saya boleh mewajarkan penggunaan aloi berdasarkan komposisi dan sifatnya (8.1.3)
- Saya boleh memerihalkan jenis kaca, komposisi, sifat dan kegunaannya dengan contoh (8.2.1)
- Saya boleh memerihalkan bahan seramik, sifat dan kegunaannya dengan contoh (8.3.1)
- Saya boleh mengaplikasikan penggunaan seramik (8.3.2)
- Saya boleh menyatakan maksud bahan komposit dan sifatnya (8.4.1)
- Saya boleh menghuraikan contoh bahan komposit dan kegunaannya (8.4.2)
- Saya boleh membandingkan dan membezakan sifat bahan komposit dengan komponen asalnya (8.4.3)
8.1Aloi dan Kepentingannya
Aloi ialah campuran dua atau lebih unsur yang mana unsur utamanya ialah logam. Logam tulen terdiri daripada satu jenis atom sahaja. Contoh: duralumin, gangsa, loyang, keluli, keluli nirkarat dan piuter.
Perbandingan sifat aloi dengan logam tulen (8.1.2)
| Sifat | Aloi | Logam tulen |
|---|---|---|
| Permukaan | Berkilat | Pudar |
| Tahan kakisan | Tahan kakisan | Mudah kakis |
| Kekerasan | Keras | Kurang keras |
Susunan atom dan kekerasan
Dalam logam tulen, semua atom bersaiz sama dan disusun secara teratur. Apabila dikenakan daya, lapisan atom mudah menggelongsor di atas satu sama lain. Hal ini menyebabkan logam tulen bersifat mulur (mudah ditarik menjadi dawai halus) dan boleh ditempa (mudah dibentuk).
Dalam aloi, atom asing yang saiznya berlainan daripada atom logam tulen mengganggu susunan teratur atom. Lapisan atom sukar menggelongsor apabila dikenakan daya, maka aloi lebih keras dan kuat.
Rajah daripada buku teks Kimia Tingkatan 4 (KSSM), m.s. 257.
Jangan tulis "atom aloi semuanya sama saiz" atau "tiada ruang kosong". Sebab aloi keras ialah atom berlainan saiz mengganggu susunan teratur, jadi lapisan sukar menggelongsor.
Eksperimen 8.1: sifat aloi dan logam tulen
- Tahan kakisan: kepingan keluli nirkarat dan kepingan besi direndam dalam 80.0 cm3 air suling selama seminggu. Pemboleh ubah dimanipulasikan: jenis kepingan; bergerak balas: pengaratan kepingan; dimalarkan: saiz kepingan dan isi padu air suling. Besi berkarat, keluli nirkarat tidak. Kepingan dibersihkan dengan kertas pasir dahulu untuk membuang lapisan karat atau kotoran.
- Kekerasan: pemberat 1 kg dijatuhkan dari ketinggian 50.0 cm ke atas sebiji bebola keluli yang diletakkan pada blok gangsa, kemudian blok kuprum. Diameter lekuk diukur. Semakin kecil diameter lekuk, semakin keras bahan itu. Lekuk pada gangsa lebih kecil, maka gangsa (aloi) lebih keras daripada kuprum (logam tulen).
Komposisi, sifat dan kegunaan aloi (8.1.1, 8.1.3)
| Aloi | Komposisi | Sifat | Kegunaan |
|---|---|---|---|
| Duralumin | 93% aluminium, 3% kuprum, 3% magnesium, 1% mangan | Lebih kuat daripada aluminium tulen, ketumpatan rendah, tidak berkarat | Badan kapal terbang, kabel elektrik, basikal lumba |
| Gangsa | 90% kuprum, 10% stanum | Lebih kuat daripada kuprum tulen, tidak berkarat | Pingat, tugu, piala |
| Loyang | 70% kuprum, 30% zink | Lebih kuat daripada kuprum tulen, tidak berkarat, berkilat | Alatan muzik, tombol pintu, kunci |
| Keluli | 98% besi, 0.2 - 2% karbon | Lebih kuat dan keras, boleh ditempa | Struktur bangunan, landasan kereta api, badan kereta |
| Keluli nirkarat | 73% besi, 18% kromium, 8% nikel, 1% karbon | Lebih kuat daripada besi tulen, tahan kakisan | Sudu dan garpu, singki, alatan pembedahan |
| Piuter | 95% stanum, 3.5% antimoni, 1.5% kuprum | Lebih kuat daripada stanum tulen, tidak berkarat, berkilat | Barangan perhiasan, piala, cenderamata |
Peratusan komposisi boleh berbeza dalam setiap aloi. Keluli terbahagi kepada tiga jenis: keluli karbon rendah, keluli karbon sederhana dan keluli karbon tinggi.
Superkonduktor tidak mempunyai rintangan elektrik pada suhu yang sangat rendah. Bahan ini digunakan untuk membuat magnet yang mengapungkan dan menggerakkan kereta api Maglev pada kelajuan yang sangat tinggi. (Superkonduktor ditemui pada tahun 1911 apabila merkuri pada suhu 4 K tidak mempunyai rintangan elektrik.)
Contoh kerja: keluliBesi tuang mengandungi 4.0% karbon dan keluli karbon tinggi 0.8%. Peratusan karbon yang perlu disingkirkan = 4.0 - 0.8 = 3.2%. Dalam 500 g keluli karbon tinggi, jisim karbon = 0.8/100 x 500 g = 4.0 g.
Contoh kerja: emas 18 KEmas 24 K ialah emas tulen. Emas 18 K ialah 18 bahagian emas dan 6 bahagian logam lain (kuprum) mengikut jisim, jumlah 24 bahagian. Dalam 24 g emas 18 K: emas = 18/24 x 24 g = 18 g (75%); kuprum = 6 g (25%). Kuprum menjadikan emas lebih keras dan kuat, sesuai untuk cincin.
Mengapakah keluli nirkarat digunakan untuk membuat singki dan alatan pembedahan?
Tunjuk jawapanSembunyi jawapan
Keluli nirkarat mengandungi kromium dan nikel, jadi ia tahan kakisan (tidak berkarat), kuat dan berkilat.
8.2Komposisi Kaca dan Kegunaannya
Kaca dihasilkan apabila silika (silikon dioksida, SiO2) dipanaskan bersama bahan kimia lain. Sifat asas semua kaca: keras tetapi rapuh, lengai secara kimia, lut sinar, kalis air, penebat haba dan penebat elektrik.
| Jenis kaca | Komposisi | Sifat khas | Kegunaan |
|---|---|---|---|
| Kaca silika terlakur | Silika (SiO2) sahaja | Takat lebur tinggi (silika melebur sekitar 1800 °C); tidak mengecut atau mengembang banyak apabila suhu berubah besar | Kanta teleskop |
| Kaca soda kapur | Silika, soda (natrium karbonat, Na2CO3), batu kapur (kalsium karbonat, CaCO3) | Takat lebur rendah sekitar 1000 °C, mudah dibentuk; tidak tahan haba dan mudah retak jika suhu berubah mendadak | Bekas kaca seperti botol dan jag |
| Kaca borosilikat | Silika, soda, batu kapur, boron oksida (B2O3), aluminium oksida (Al2O3) | Rintangan tinggi terhadap haba; pekali pengembangan rendah, tidak mudah retak akibat tegangan terma | Radas kaca makmal seperti bikar dan kelalang |
| Kaca plumbum | Silika, soda, plumbum(II) oksida (PbO) | Lebih lembut dan tumpat (plumbum menggantikan kalsium), lebih berat, indeks pembiasan tinggi | Prisma |
Soda (Na2CO3) menurunkan takat lebur silika. Boron oksida memberi rintangan haba. Plumbum menggantikan kalsium untuk menghasilkan kaca yang lebih lembut dan tumpat, dengan indeks pembiasan tinggi.
Contoh kerja: komposisi kaca borosilikatSatu sampel kaca borosilikat 1.0 kg (1000 g) mengandungi 80% silika, 15% boron oksida dan 5% alumina. Silika = 80/100 x 1000 = 800 g; boron oksida = 15/100 x 1000 = 150 g; alumina = 5/100 x 1000 = 50 g. Jumlah = 1000 g.
Mengapakah bikar makmal diperbuat daripada kaca borosilikat?
Tunjuk jawapanSembunyi jawapan
Kaca borosilikat tahan haba dan mempunyai pekali pengembangan yang rendah, maka ia tidak mudah retak akibat tegangan terma apabila dipanaskan atau disejukkan.
8.3Komposisi Seramik dan Kegunaannya
Seramik ialah pepejal yang terdiri daripada bahan bukan organik dan bahan bukan logam. Bahan seramik terhasil melalui proses pembentukan dan pengerasan melalui kaedah pemanasan pada suhu yang tinggi. Kebanyakan seramik terdiri daripada sebatian logam, sebatian bukan logam atau sebatian separa logam.
Contoh: aluminium oksida, Al2O3 (sebatian logam); titanium karbida, TiC (sebatian bukan logam); silikon karbida, SiC (sebatian separa logam).
Sifat asas seramik
Atom dalam seramik diikat oleh ikatan kovalen dan ikatan ion yang kuat. Seramik hanya melebur pada suhu tinggi, keras dan tahan terhadap mampatan. Apabila dikenakan daya, atom tidak dapat menggelongsor kerana diikat kuat dalam susunan yang tidak teratur. Tenaga daripada daya memecahkan ikatan antara atom, maka seramik rapuh dan lemah terhadap regangan. Elektron tidak bebas bergerak, jadi seramik ialah penebat elektrik dan haba.
- Rintangan haba tinggi dan penebat haba
- Keras dan kuat
- Lengai secara kimia
- Penebat elektrik
- Mudah pecah (rapuh)
Jenis seramik
| Jenis | Bahan | Contoh dan kegunaan |
|---|---|---|
| Seramik tradisional | Tanah liat seperti kaolin, Al2O3.2SiO2.2H2O, dicampur air, dibentuk lalu dibakar pada suhu tinggi | Batu-bata, tembikar, pinggan mangkuk |
| Seramik termaju | Bahan bukan organik seperti oksida, karbida dan nitrida; rintangan haba dan lelasan lebih tinggi, lebih lengai secara kimia | Silikon karbida: cakera pemotong dan cakera brek; tungsten karbida: cincin |
Aplikasi penggunaan seramik (8.3.2)
| Bidang | Aplikasi |
|---|---|
| Perubatan | Zirkonia dalam implan gigi; alumina dalam pembuatan tulang lutut; seramik superkonduktiviti dalam mesin pengimejan resonans magnetik (MRI) |
| Pengangkutan | Komponen enjin kapal terbang jet |
| Penjanaan tenaga | Penebat elektrik di kawasan bervoltan tinggi seperti stesen jana kuasa |
Seramik bukan logam dan bukan aloi. Seramik rapuh dan lemah terhadap regangan, jadi tidak sesuai untuk bahagian yang perlu dibengkokkan atau ditarik.
Mengapakah silikon karbida sesuai untuk membuat cakera pemotong?
Tunjuk jawapanSembunyi jawapan
Silikon karbida sangat keras dan kuat (serta tahan haba), jadi sesuai untuk memotong bahan lain.
8.4Bahan Komposit dan Kepentingannya
Bahan komposit ialah gabungan dua atau lebih bahan yang bukan homogen, iaitu bahan matriks dan bahan pengukuhan. Bahan matriks mengelilingi dan mengikat bahan pengukuhan bersama. Bahan komposit yang terhasil mempunyai sifat yang lebih baik daripada komponen asal.
Contoh: kayu ialah bahan komposit semula jadi, dengan lignin sebagai matriks dan gentian selulosa sebagai bahan pengukuhan.
Contoh bahan komposit dan kegunaannya (8.4.2)
| Bahan komposit | Matriks | Pengukuhan | Kegunaan |
|---|---|---|---|
| Konkrit diperkukuhkan | Konkrit | Tetulang keluli atau jejaring dawai | Jambatan, empangan, bangunan |
| Kaca gentian | Plastik | Gentian kaca | Topi keledar, bampar kereta, papan litar tercetak |
| Gentian optik | Lapisan salutan (kaca atau plastik) dan jaket pelindung (plastik) | Teras gentian kaca silika | Menghantar maklumat dan data dalam bentuk cahaya; menggantikan wayar kuprum dalam kamera video dan rangkaian komputer (LAN) |
| Kaca fotokromik | Kaca | Argentum klorida, AgCl dan kuprum(I) klorida, CuCl | Tingkap kereta, tingkap bangunan, kanta kamera |
| Superkonduktor (YBCO) | Seramik itrium barium kuprum oksida | Magnet superkonduktor dalam pemecut zarah, mesin NMR dan MRI | |
Kaca fotokromik: apabila terdedah kepada cahaya matahari, kaca menjadi gelap kerana pembentukan atom argentum, Ag yang menghalang laluan cahaya. Apabila keadaan menjadi malap, CuCl memangkinkan pembalikan proses supaya kaca menjadi lut sinar semula. Kaca ini melindungi pengguna daripada sinaran UV.
Gentian optik terdiri daripada tiga lapisan: teras (gentian kaca silika), lapisan salutan (kaca atau plastik) dan jaket pelindung (plastik). Cahaya bergerak melalui teras secara pantulan dalam penuh. Teras dan bahan matriks berindeks biasan berlainan. Data dibawa dalam kapasiti banyak dan tidak terjejas oleh gangguan elektromagnet.
Perbandingan dengan komponen asal (8.4.3)
| Bahan komposit | Komponen asal dan sifatnya | Sifat bahan komposit |
|---|---|---|
| Konkrit diperkukuhkan | Konkrit: kekuatan mampatan tinggi, kekuatan regangan rendah, tahan kakisan. Keluli: kekuatan regangan tinggi, mudah karat | Kekuatan mampatan tinggi, kekuatan regangan tinggi, tahan kakisan |
| Kaca gentian | Plastik: kekuatan regangan rendah, kekonduksian haba dan elektrik rendah, tahan kakisan, tahan lasak. Gentian kaca: kekuatan regangan tinggi, kekonduksian haba dan elektrik rendah | Kekuatan regangan tinggi, penebat haba dan elektrik, tahan kakisan, tahan lasak |
| Gentian optik | Plastik: kekuatan mampatan tinggi, fleksibel. Gentian kaca: kekuatan mampatan rendah, keras | Kekuatan mampatan tinggi, fleksibel |
| Kaca fotokromik | Kaca: lut sinar, tidak menyerap UV, tidak sensitif kepada cahaya. AgCl: lut sinar kepada cahaya nampak, menyerap UV, sensitif kepada keamatan cahaya | Lut sinar, menyerap UV, penyerapan UV bergantung pada keamatan cahaya |
| Superkonduktor (YBCO) | Itrium(III) karbonat, kuprum(II) karbonat, barium karbonat dan oksigen: rintangan elektrik tinggi pada suhu bilik | Tiada rintangan elektrik pada suhu yang sangat rendah |
Bagi setiap bahan komposit, nyatakan sumbangan setiap komponen. Konkrit menahan mampatan, keluli menahan regangan dan komposit mewarisi kedua-duanya.
Nyatakan bahan matriks dan bahan pengukuhan dalam kaca gentian.
Tunjuk jawapanSembunyi jawapan
Matriks: plastik. Bahan pengukuhan: gentian kaca.