Logam

Struktur dan ikatan

Atom zat logam biasanya tersusun dalam salah satu dari tiga struktur kristal umum, antara lain body-centered cubic (bcc), face-centered cubic (fcc), dan hexagonal close-pack (hcp). Dalam bcc, masing-masing atom terletak di pusat kubus dikelilingi atom lainnya. Dalam fcc dan hcp, masing-masing atom dikelilingi oleh duabelas atom lainnya, tetapi susunan lapisannya berbeda. Beberapa logam mengadopsi struktur yang berbeda, tergantung pada suhu.
Atom logam mudah kehilangan elektron kelopak terluarnya, menghasilkan awan elektron bebas yang mengalir dalam pengaturan sifatnya yang padat. Hal ini menyebabkan kemampuan zat logam menjadi mudah menghantarkan panas dan listrik. Jika aliran elektron ini terjadi, karakteristik padat dari logam dihasilkan oleh interaksi elektrostatis di antara masing-masing atom dan awan elektron. Ikatan jenis ini disebut ikatan logam.

Fisika

Logam secara umum memiliki konduktivitas listrik tinggi, konduktivitas termal tinggi, dan densitas yang tinggi pula. Umumnya mereka lentur dan liat, berubah bentuk di bawah tekanan tanpa terbelah. Dalam hal sifat optiknya, logam mengkilat dan berkilau. Lembaran logam dengan ketebalan di bawah beberapa mikrometer terlihat opak, tetapi kertas emas meneruskan sinar hijau.
Meskipun sebagian besar logam memiliki densitas yang lebih tinggi daripada kebanyakan nonlogam, terdapat rentang variasi yang lebar dalam hal densitas mereka. Litium adalah unsur padat yang paling rendah densitasnya, sementara osmium adalah yang paling tinggi. Logam alkali dan alkali tanah pada golongan 1 dan 2 dirujuk sebagai logam ringan karena mereka memiliki densitas rendah, kekerasan rendah, dan titik lebur yang rendah pula. Tingginya densitas sebagian besar logam karena ketatnya kisi kristal struktur logam mereka. Kekuatan ikatan logam untuk logam yang berbeda mencapai maksimum di sekitar pusat deret logam transisi, karena unsur-unsur tersebut memiliki sejumlah besar elektron terdelokalisasi dalam ikatan logam jenis ikatan ketat. Namun, faktor lain (seperti jari-jari atom, muatan inti, jumlah orbital ikatan, tumpangsuh energi orbital dan bentuk kristal) juga terlibat.

Listrik

Konduktivitas termal dan listrik logam berangkata dari kenyataan bahwa elektron terluar mereka terdelokalisasi. Situasi ini dapat divisualisasikan dengan memperhatikan struktur atom logam sebagai suatu koleksi atom yang terbenam dalam lautan elektron yang bergerak cepat. Konduktivitas listrik logam, seperti halnya kapasitas bahang dan konduktivitas panas, dapat dihitung menurut model elektron bebas, yang tidak memperhatikan struktur detail kisi ion.
Ketika mempertimbangkan struktur pita elektron dan energi ikatan suatu logam, perlu diperhatikan potensial positif yang disebabkan oleh pengaturan spesifik inti ion—yang muncul periodik dalam kristal. Konsekuensi paling penting dari potetensial periodik adalah pembentukan celah pita kecil pada perbatasan zona Brillouin. Secara matematis, potensial inti ion dapat dihitung melalui beragam model, yang paling sederhana adalah model elektron hampir bebas.

Logam paduan

Logam paduan adalah campuran dari dua atau lebih unsur di mana komponen utamanya adalah logam. Sebagian besar logam murni terlalu lunak, rapuh atau reaktif secara kimia untuk penggunaan praktis. Menggabungkan rasio logam yang berbeda sebagai logam paduan memodifikasi sifat logam murni untuk menghasilkan karakteristik yang diinginkan. Tujuan pembuatan logam paduan umumnya membuat mereka kurang rapuh, lebih keras, tahan terhadap korosi, atau memiliki warna dan keharuman yang diinginkan. Dari semua paduan logam yang digunakan saat ini, paduan besi (baja, baja nirkarat, besi tuang, baja perkakas, baja paduan) merupakan proporsi terbesar baik secara kuantitas maupun nilai komersial. Besi yang dipadu dengan berbagai proporsi karbon memberi baja berkadar karbon rendah, menengah dan tinggi, dengan peningkatan level karbon mengurangi keuletan dan ketangguhan. Penambahan silikon akan menghasilkan besi cor, sedangkan penambahan kromium, nikel dan molibdenum pada baja karbon (lebih dari 10%) menghasilkan baja nirkarat.
Paduan logam penting lainnya adalah aluminium, titanium, tembaga dan magnesium. Paduan tembaga yang sudah dikenal sejak prasejarah—perunggu memberi nama untuk Zaman Perunggu—dan memiliki banyak aplikasi saat ini, yang terpenting adalah kabel listrik. Paduan dari tiga logam lainnya telah dikembangkan akhir-akhir ini; karena reaktivitas kimianya, mereka memerlukan proses ekstraksi elektrolitik. Paduan aluminium, titanium dan magnesium berharga kareana rasio kekuatan-terhadap-beratnya yang tinggi; magnesium juga bisa memberikan perisai elektromagnetik. Bahan-bahan ini ideal untuk situasi di mana rasio kekuatan-terhadap-berat yang tinggi lebih penting daripada biaya material, seperti di ruang angkasa dan beberapa aplikasi otomotif.
Logam paduan yang dirancang khusus untuk aplikasi yang sangat berat, seperti mesin jet, dapat mengandung lebih dari sepuluh unsur.

Logam dasar

Dalam kimia, istilah logam dasar digunakan secara informal untuk mengacu pada logam yang mudah teroksidasi atau berkarat, dan mudah bereaksi dengan asam klorida encer (HCl) membentuk hidrogen. Contohnya termasuk besi, nikel, timbal dan seng. Tembaga dianggap sebagai logam dasar karena relatif mudah teroksidasi, meskipun tidak bereaksi dengan HCl. Logam dasar biasanya digunakan dalam kondisi yang berlawanan dengan logam mulia.
Dalam alkimia, logam dasar adalah logam biasa dan murah, berlawanan dengan logam berharga, terutama emas dan perak. Tujuan lama para alkemis adalah transmutasi logam dasar menjadi logam berharga.
Dalam numismatik, koin di masa lalu mendapatkan nilainya terutama dari kandungan logam berharga. Sebagian besar mata uang modern adalah mata uang fiat, yang memungkinkan koin dibuat dari logam dasar.

Logam Ferro

Istilah "ferro" berasal dari bahasa Latin yang berarti "mengandung zat besi". Ini bisa termasuk besi murni, seperti besi tempa, atau paduan seperti baja. Logam besi sering bersifat magnetis, tetapi tidak eksklusif.

Logam mulia

Logam mulia adalah logam yang tahan terhadap korosi atau oksidasi, tidak seperti sebagian besar logam dasar. Mereka cenderung juga merupakan logam berharga, seringkali karena kelangkaannya. Contohnya antara laain emas, platina, perak, rodium, iridium, dan paladium.

Logam berharga

Suatu logam berharga adalah unsur kimia metalik yang langka dengan nilai ekonomi tinggi.
Secara kimia, logam berharga kurang reaktif daripada sebagian besar unsur, memiliki kilau tinggi dan konduktivitas listrik yang tinggi. Dalam sejarah, logam berharga penting sebagai mata uang, tetapi saat ini hanya dianggap sebagai komoditas investasi dan industri. Emas, perak, platina dan paladium masing-masing mempunyai kode mata uang ISO 4217. Logam berharga yang paling dikenal adalah emas dan perak. Sementara keduanya memiliki penggunaan indusri, mereka lebih dikenal dalam bidang seni, perhiasan, ddan koin. Logam berharga lainnya termasuk dalan logam golongan platina: rutenium, rodium, paladium, osmium, iridium, dan platina, dengan platina adalah yang paling banyak diperdagangkan.
Permintaan logam berharga didorong tidak hanya berdasarkan penggunaan praktisnya, tetapi juga perannya sebagai investasi dan penyimpan nilai (bahasa Inggris: store of value). Paladium pernah, sekitar musim panas 2006, bernilai sedikit di bawah setengah harga emas, dan platina sekitar dua kali harga emas. Perak secara substansial tidak terlampau mahal, tetapi seringkali secara tradisional dianggap sebagai logam berharga karena perannya sebagai koin dan perhiasan.

Logam berat

Logam berat adalah semua logam atau metaloid yang relatif padat. Definisi yang lebih spesifik telah diajukan, tetapi tidak satupun memperoleh persetujuan luas. Beberapa logam berat memiliki penggunaan ceruk, atau dinyatakan beracun; beberapa esensial dalam jumlah renik.

Ekstraksi

Logam seringkali diekstraksi dari bumi yang berarti menambang bijih yang kaya dengan sumber daya unsur yang dimaksud, seperti bauksit. Lokasi bijih ditentukan dengan teknik prospekting, diikuti dengan eksplorasi dan pengujian deposit. Sumber daya mineral umumnya dibagi ke dalam tambang permukaan, yang ditambang dengan ekskavasi menggunakan alat berat, dan tambang bawah tanah.
Setelah bijih ditambang, logam harus diekstraksi, biasanya menggunakan reduksi kimia atau elektrolitik. Pirometalurgi menggunakan suhu tinggi untuk mengubah bijih menjadi bahan baku, sementara hidrometalurgi menerapkan kimia berbasis air untuk tujuan yang sama. Metode yang digunakan bergantung pada jenis logam dan kontaminannya.
Jika bijih ligam berupa senyawa ionik antara logam dan nonlogam, bijih tersebut biasanya harus dilebur—dipanaskan dengan penambahan reduktor—untuk mengekstrak logam murni. Banyak logam umu, seperti besi, dilebur menggunakan karbon sebagai reduktor. Beberapa logam seperti aluminium dan natrium, tidak memiliki reduktor praktis yang dijual bebas, sehingga diekstraksi menggunakan teknik elektrolisis.
Bijih sulfida tidak direduksi langsung menjadi logam tetapi dipanggang di udara terbuka untuk mengubahnya menjadi oksida.

Daur ulang

Permintaan untuk logam terkait erat dengan pertumbuhan ekonomi. Selama abad ke-20, ragam penggunaan logam di masyarakat meningkat tajam. Saat ini, perkembangan negara-negara besar, seperti China dan India, dan kemajuan teknologi, mendorong permintaan yang semakin banyak. Hasilnya adalah aktivitas pertambangan semakin meluas, dan semakin banyak stok logam dunia di atas tanah yang digunakan, sementara yang di bawah tanah sebagai cadangan yang tidak digunakan. Contohnya adalah stok tembaga bekas. Antara tahun 1932 dan 1999, tembaga yang digunakan di AS meningkat dari 73 g menjadi 238 g per orang.
Logam secara inheren dapat didaur ulang, jadi pada prinsipnya, dapat digunakan berulang-ulang, meminimalkan dampak negatif lingkungan dan menghemat energi. Misalnya, 95% energi yang digunakan untuk membuat aluminium dari bijih bauksit diselamatkan dengan menggunakan bahan daur ulang. Tingkat daur ulang logam umumnya rendah. Pada tahun 2010, International Resource Panel, yang diselenggarakan oleh United Nations Environment Programme (UNEP) menerbitkan laporan tentang stok logam yang ada di masyarakat dan tingkat daur ulangnya.
Penulis laporan tersebut mengamati bahwa stok logam di masyarakat dapat berfungsi sebagai tambang raksasa di atas tanah. Mereka memperingatkan bahwa tingkat daur ulang beberapa logam langka yang digunakan dalam aplikasi seperti ponsel, kemasan baterai untuk mobil hibrida dan sel bahan bakar sangat rendah
Penulis laporan tersebut mengamati bahwa stok logam di masyarakat dapat menjadi tambang raksasa di atas tanah. Mereka memperingatkan bahwa tingkat daur ulang beberapa logam langka yang digunakan dalam aplikasi seperti telepon seluler, kemasan baterai untuk mobil hibrida dan sel bahan bakar sangat rendah sehingga jika tingkat daur ulang pada masa depan tidak ditingkatkan secara dramatis, maka logam kritis ini akan menjadi tidak tersedia untuk digunakan dalam teknologi modern.

Metalurgi

Metalurgi merupakan domain dari ilmu bahan yang mempelajari perilaku fisika dan kimia unsur logam, senyawa intermetalik mereka, dan campurannya yang disebut logam paduan.

Aplikasi

Beberapa logam dan paduan logam memiliki kekuatan struktural per satuan massa yang tinggi, menjadikannya bahan yang berguna untuk membawa muatan besar atau menahan kerusakan akibat benturan. Paduan logam dapat direkayasa untuk memiliki ketahanan tinggi terhadap pergeser, torsi dan deformasi. Namun logam yang sama juga rentan terhadap kerusakan akibat kelelahan akibat penggunaan berulang atau dari kegagalan tekanan mendadak saat kapasitas beban terlampaui. Kekuatan dan ketahanan logam telah menyebabkan penggunaan seringnya pada konstruksi bangunan dan jembatan bertingkat tinggi, serta kebanyakan kendaraan, peralatan, perkakas, pipa, tanda non-iluminasi dan jalur rel.
Dua logam struktural yang paling umum digunakan, besi dan aluminium, juga merupakan logam paling melimpah di kerak bumi.
Umumnya, logam bermanfaat bagi manusia, karena penggunaannya di bidang industri, pertanian, dan kedokteran. Contohnya, raksa yang digunakan dalam proses kloralkali. Proses kloralkali merupakan proses elektrolisis yang berperan penting dalam industri manufaktur dan pemurnian zat kimia. Beberapa zat kimia yang dapat diperoleh dengan proses kloralkali adalah natrium, kalsium, magnesium, aluminium, tembaga, seng, perak, hidrogen, klor, fluor, natrium hidroksida, kalium dikromat, dan kalium permanganat.
Elektrolisis larutan NaCl menghasilkan natrium hidroksida di katode (kutub positif) dan gas klor di anode (kutub negatif). Pada industri angkasa luar dan profesi kedokteran dibutuhkan bahan yang kuat, tahan karat, dan bersifat noniritin, seperti paduan titanium. Sebagian jenis logam merupakan unsur penting karena dibutuhkan dalam berbagai fungsi biokimia. Pada zaman dahulu, logam tertentu, seperti tembaga, besi, dan timah digunakan untuk membuat peralatan, perlengkapan mesin, dan senjata.
Logam adalah konduktor yang baik, membuatnya berharga dalam peralatan listrik dan untuk membawa arus listrik dari kejauhan dengan sedikit energi yang hilang. Jaringan listrik mengandalkan kabel logam untuk mendistribusikan listrik. Sistem kelistrikan rumah sebagian besar dihubungkan dengan kabel tembaga memanfaatkan sifat hantarannya yang baik.
Konduktivitas termal logam berguna untuk wadah untuk memanaskan bahan di atas api. Logam juga digunakan untuk pembuang panas (bahasa Inggris: heat sink) untuk melindungi peralatan sensitif dari pelewatpanasan (bahasa Inggris: overheating.
Reflektivitas tinggi beberapa logam penting dalam konstruksi cermin, termasuk instrumen astronomi presisi. Sifat terakhir ini juga bisa membuat perhiasan metalik menarik secara estetika.
Beberapa logam memiliki kegunaan khusus; logam radioaktif seperti uranium dan plutonium digunakan pada pembangkit listrik tenaga nuklir untuk menghasilkan energi melalui fisi nuklir. Raksa adalah cairan pada suhu kamar dan digunakan dalam saklar untuk menyelesaikan rangkaian saat mengalir di atas kontak saklar. Logam paduan bentuk memori digunakan untuk aplikasi seperti pipa, pengencang dan vaskular stent.
Logam dapat didoping dengan molekul asing—organik, anorganik, biologis dan polimer. Doping ini mengandung logam dengan sifat baru yang disebabkan oleh adanya molekul tamu. Aplikasi dalam katalisis, obat-obatan, sel elektrokimia, korosi dan lainnya telah dikembangkan.

Perdagangan

Bank Dunia melaporkan bahwa China adalah top importir bijih dan logam pada tahun 2005, diikuti Amerika Serikat dan Jepang.

Sejarah

Sifat logam telah membuat manusia terpesona selama berabad-abad, karena bahan-bahan ini memberi orang alat yang tak tertandingi baik dalam perang maupun dalam persiapan dan pemrosesannya. Emas dan perak murni dikenal manusia sejak Zaman Batu. Timbal dan perak dilebur dari bijih mereka pada awal milenium keempat SM.
Penulis bahasa Latin dan Yunani kuno seperti Theophrastus, Pliny the Elder dalam Natural History, atau Pedanius Dioscorides, tidak mencoba untuk mengklasifikasikan logam. Orang-orang Eropa kuno tidak pernah mencapai konsep "logam" sebagai zat elementer yang berbeda dengan sifat kimia dan fisik tetap. Setelah Empedocles, semua zat di dalam lingkungan sublunar diasumsikan memiliki variasi dalam unsur klasik penyusunnya yaitu bumi, air, udara dan api. Setelah Pythagoras, Plato berasumsi bahwa unsur-unsur ini dapat dikurangi lebih jauh ke bidang bentuk geometris (segitiga dan persegi) ruang pembatas dan yang berhubungan dengan polihedra reguler di bumi:kubus, air:ikosahedron, udara:oktahedron, api:tetrahedron. Namun, perpanjangan filosofis ini tidak menjadi sepopuler empat elemen sederhana, setelah ditolak oleh Aristoteles. Aristoteles juga menolak teori atom Democritus, karena ia mengklasifikasikan keberadaan vakum yang tersirat yang diperlukan untuk gerak sebagai sebuah kontradiksi (vakum menyiratkan tidak ada, karena itu tidak dapat ada). Aristoteles memang, bagaimanapun, memperkenalkan kualitas antagonis yang mendasarinya (atau kekuatan) kering vs basah dan dingin vs panas ke dalam komposisi masing-masing dari keempat elemen tersebut. Kata "logam" awalnya berarti "ranjau" dan baru kemudian mendapatkan makna umum produk dari bahan yang diperoleh di tambang. Pada abad pertama Masehi, hubungan antara planet dan logam yang ada diasumsikan sebagai Emas:Matahari, Perak:Bulan, Elektrum:Jupiter, Besi:Mars, Tembaga:Venus, Timah:Merkurius, Timbal:Saturnus. Setelah elektrum terungkap merupakan kombinasi antara perak dan emas, hubungan timah:Jupiter dan raksa:Merkurius digantikan ke urutan sebelumnya.
Alkimiawan Arab dan abad pertengahan percaya
bahwa semua logam, dan faktanya, semua materi sublunar, secara tersusun dari prinsip belerang yang membawa sifat mudah terbakar, dan prinsip raksa, ibu dari semua logam, yang membawa sifat likuiditas atau fusibilitas, dan volatilitas. Prinsip-prinsip ini tidak selalu merupakan zat yang umum belerang dan raksa yang ditemukan di kebanyakan laboratorium. Teori ini memperkuat keyakinan bahwa semua logam ditakdirkan untuk menjadi emas di perut bumi melalui kombinasi panas, pencernaan, waktu, dan penghapusan kontaminan yang tepat, yang kesemuanya dapat dikembangkan dan dipercepat melalui pengetahuan dan metode alkimia. Paracelsus menambahkan prinsip ketiga garam, pembawa sifat nonvolatil dan tahan api, dalam doktrin tria prima-nya. Teori-teori ini mempertahankan empat unsur klasik yang mendasari komposisi belerang, raksa dan garam.
Teks sistematis pertama tentang seni pertambangan dan metalurgi adalah De la Pirotechnia oleh Vannoccio Biringuccio, yang memperlakukan pemeriksaan, penggabungan, dan pandai logam. Enam belas tahun kemudian, Georgius Agricola menerbitkan De Re Metallica pada tahun 1555, sebuah laporan yang jelas dan lengkap mengenai profesi pertambangan, metalurgi, seni dan sains, serta memenuhi syarat sebagai risalah terbesar industri kimia sepanjang abad keenam belas. Dia memberikan deskripsi berikut tentang logam di De Natura Fossilium (1546).
Logam adalah badan mineral, yang sifatnya cair atau agak keras. Logam keras dapat dilelehkan oleh panasnya api, tapi ketika sudah mendingin lagi dan kehilangan semua panas, akan menjadi keras kembali dan melanjutkan bentuknya terakhirnya. Dalam hal ini, ia berbeda dari batu yang meleleh di dalam api, karena meskipun batu mendapatkan kembali kekerasannya, tetapi ia kehilangan bentuk dan sifatnya yang murni. Secara tradisional ada enam jenis logam, yaitu emas, perak, tembaga, besi, timah dan timbal. Ada yang benar-benar lain, quicksilver adalah logam, meskipun alkimiawan tidak setuju dengan kita tentang masalah ini, begitu pula dengan bismut. Penulis Yunani kuno tampaknya masa bodoh terhadap bismut, oleh karena itu Ammonius dengan tepat menyatakan bahwa ada banyak spesies logam, hewan, dan tumbuhan yang tidak kita kenal. Stibium ketika dilelehkan di dalam wadah dan disuling memiliki hak untuk dianggap sebagai logam sebagaimana diberikan kepada timbal oleh para penulis. Setiap logam memiliki bentuknya sendiri yang diawetkan saat dipisahkan dari logam yang dicampur dengannya. Oleh karena itu baik elektrum maupun Stannum [bukan berarti timah yang kita kenal saat ini] itu sendiri bukan merupakan logam asli, melainkan paduan dua logam. Elektrum adalah paduan emas dan perak, sedangkan Stannum paduan timbal dan perak. Namun jika perak dipisahkan dari elektrum, maka yang tertinggal adalah emas dan bukan elektrum; jika perak diambil dari Stannum, maka yang tertinggal adalah timbal dan bukan Stannum. Bagaimanapun, apakah kuningan ditemukan sebagai logam asli atau tidak, tidak dapat dipastikan dengan pasti. Kita hanya tahu kuningan buatan, yang terdiri dari tembaga yang diwarnai dengan warna mineral kalamin. Namun jika ada yang harus digali, itu akan menjadi logam yang tepat. Tembaga hitam dan putih sepertinya berbeda dari jenis merah. Logam, oleh karena itu, pada dasarnya padat, seperti yang telah saya nyatakan, atau cairan, seperti pada kasus unik dari quicksilver. Tapi cukup sekarang soal jenisnya yang sederhana.