Bahan Buatan dalam Industri — Nota JomSkor

Bab 8 mengkaji empat kumpulan bahan buatan: aloi, kaca, seramik dan bahan komposit. Pelajar perlu tahu komposisi setiap bahan, mengaitkan sifatnya dengan kegunaan, dan menerangkan mengapa aloi lebih keras daripada logam tulen berdasarkan susunan atom.

Kimia · Tingkatan 4

8.1 Aloi dan Kepentingannya

Aloi ialah campuran dua atau lebih unsur, dengan logam sebagai unsur utama. Contoh: keluli ialah besi yang dicampur dengan sedikit karbon.
Logam tulen: atom sama saiz dan tersusun rapat serta teratur dalam lapisan. Apabila daya dikenakan, lapisan atom mudah menggelongsor, jadi logam tulen lembut, mulur dan mudah ditempa.
Aloi: atom asing yang berlainan saiz mengganggu susunan atom yang teratur. Lapisan atom sukar menggelongsor antara satu sama lain, jadi aloi lebih keras dan lebih kuat.
Tujuan pengaloian: menambah kekuatan dan kekerasan, mencegah kakisan, dan memperbaik rupa logam.
Duralumin: 93% aluminium, 3% kuprum, 3% magnesium, 1% mangan. Kuat, ringan, tahan kakisan. Kegunaan: badan kapal terbang.
Gangsa: 90% kuprum, 10% stanum. Keras, kuat, tahan kakisan. Kegunaan: tugu, pingat.
Loyang: 70% kuprum, 30% zink. Keras dan kuat. Kegunaan: alat muzik, tombol pintu, kunci.
Keluli: 98% besi, 0.2 hingga 2% karbon. Keras dan kuat. Kegunaan: struktur bangunan, jambatan, landasan kereta api, badan kereta.
Keluli nirkarat: 73% besi, 18% kromium, 8% nikel, 1% karbon. Tahan kakisan. Kegunaan: alatan pembedahan, set kutleri, sink, tab mesin basuh.
Piuter: 95% stanum, 3.5% antimoni, 1.5% kuprum. Berkilat dan tahan kakisan. Kegunaan: barangan hiasan, cenderamata, piala.
Eksperimen kekerasan: pemberat dijatuhkan ke atas bebola keluli yang diletakkan pada bongkah bahan. Lekuk yang lebih kecil atau lebih cetek bermaksud bahan itu lebih keras.

8.2 Komposisi Kaca dan Kegunaannya

Komponen utama semua jenis kaca ialah silika atau silikon dioksida, SiO₂, yang diperoleh daripada pasir.
Sifat umum kaca: keras tetapi rapuh, lut sinar, lengai secara kimia, kalis air, penebat haba dan penebat elektrik.
Kaca silika terlakur: silika sahaja. Takat lebur sangat tinggi, pekali pengembangan haba rendah, tahan kejutan terma. Kegunaan: kanta teleskop dan peralatan saintifik bersuhu tinggi. Mahal untuk dihasilkan.
Kaca soda kapur: silika + natrium karbonat (soda) + kalsium karbonat (batu kapur). Takat lebur rendah dan mudah dibentuk, tetapi tidak tahan haba dan mudah retak apabila suhu berubah mendadak. Kegunaan: botol, bekas kaca, cermin tingkap, mentol.
Kaca borosilikat: silika + soda kapur + boron oksida, B₂O₃ + aluminium oksida. Pekali pengembangan haba rendah, tahan haba dan tahan bahan kimia, tidak retak apabila suhu berubah mendadak. Kegunaan: radas makmal (bikar, kelalang kon), peralatan memasak.
Kaca plumbum (kaca kristal): silika + soda + plumbum(II) oksida, PbO. Indeks biasan tinggi, jadi kelihatan berkilau. Kegunaan: candelier, barangan kristal hiasan, prisma.

8.3 Komposisi Seramik dan Kegunaannya

Seramik ialah pepejal tak organik bukan logam yang dibentuk dan dikeraskan melalui pemanasan pada suhu tinggi.
Sifat asas seramik: keras dan kuat (kekuatan mampatan tinggi), rapuh, lengai secara kimia, rintangan haba tinggi, penebat haba dan penebat elektrik.
Seramik tradisional: dibuat daripada tanah liat seperti kaolin (aluminium silikat terhidrat). Tanah liat dicampur air, dibentuk, kemudian dibakar pada suhu tinggi. Contoh: batu bata, tembikar, pasu, pinggan mangkuk, jubin.
Seramik termaju: dibuat daripada sebatian tak organik seperti oksida, karbida dan nitrida. Rintangan haba dan lelasan lebih tinggi, lebih lengai secara kimia, dan tahan kejutan terma.
Contoh seramik termaju: silikon karbida (cakera pemotong, cakera brek), seramik zirkonia (implan gigi), seramik alumina (sendi lutut tiruan), tungsten karbida (mata alat pemotong).
Cakera brek daripada seramik termaju: sesuai kerana rintangan haba tinggi dan tahan kejutan terma, iaitu tidak retak walaupun suhu berubah mendadak.
Kegunaan mengikut sifat: jubin lantai (keras, tahan haba), periuk seramik (tahan haba tinggi), penebat pada talian elektrik (penebat elektrik), implan (lengai secara kimia).

8.4 Bahan Komposit dan Kepentingannya

Bahan komposit ialah gabungan dua atau lebih bahan yang berlainan, iaitu bahan matriks dan bahan pengukuhan. Bahan matriks mengelilingi dan mengikat bahan pengukuhan.
Sifat bahan komposit lebih baik daripada sifat komponen asalnya. Kayu ialah komposit semula jadi: gentian selulosa (pengukuhan) dalam lignin (matriks).
Konkrit diperkukuhkan: konkrit (matriks) + bar keluli atau jejaring dawai (pengukuhan). Kekuatan mampatan dan kekuatan regangan tinggi. Kegunaan: bangunan tinggi, jambatan, empangan.
Kaca gentian: plastik (matriks) + gentian kaca (pengukuhan). Ringan, kuat, kekuatan regangan tinggi, tahan kakisan, penebat haba dan elektrik. Kegunaan: badan kereta dan bot, topi keledar, papan litar tercetak.
Gentian optik: teras gentian kaca silika yang diselaputi lapisan pelapisan kaca atau plastik dan jaket plastik pelindung. Menghantar data dalam bentuk cahaya dengan kehilangan tenaga yang minimum. Kegunaan: kabel rangkaian internet, endoskop.
Kaca fotokromik: kaca (matriks) + argentum klorida, AgCl dan kuprum(I) klorida, CuCl (pengukuhan). Menjadi gelap apabila terdedah kepada cahaya matahari (sinar ultraungu) dan jernih semula apabila cahaya malap. Kegunaan: kanta cermin mata, tingkap bangunan, cermin kereta.
Superkonduktor: seramik itrium barium kuprum oksida, YBCO. Tiada rintangan elektrik pada suhu yang sangat rendah. Kegunaan: supermagnet dalam mesin MRI dan NMR, pemecut zarah, kereta api maglev.

Contoh soalan

Loyang ialah aloi kuprum dengan zink. Terangkan mengapa loyang lebih keras daripada kuprum tulen.

Dalam kuprum tulen, semua atom sama saiz dan tersusun rapat serta teratur dalam lapisan.
Apabila daya dikenakan, lapisan atom kuprum mudah menggelongsor antara satu sama lain.
Dalam loyang, atom zink yang berlainan saiz mengganggu susunan atom kuprum yang teratur.
Lapisan atom sukar menggelongsor apabila daya dikenakan, jadi loyang lebih keras.

Contoh soalan

Bikar dan kelalang kon di makmal diperbuat daripada kaca borosilikat, bukan kaca soda kapur. (a) Nyatakan bahan yang ditambah kepada silika untuk menghasilkan kaca borosilikat. (b) Terangkan mengapa kaca borosilikat lebih sesuai.

(a) Boron oksida, B₂O₃.
(b) Kaca borosilikat mempunyai pekali pengembangan haba yang rendah.
Kaca itu tahan haba dan tidak retak apabila suhu berubah secara mendadak semasa dipanaskan atau disejukkan.
Kaca soda kapur tidak tahan haba dan mudah retak apabila suhu berubah mendadak.

Contoh soalan

Cakera brek kereta berprestasi tinggi diperbuat daripada seramik termaju. (a) Namakan satu contoh seramik termaju. (b) Nyatakan dua sifat seramik termaju yang menjadikannya sesuai untuk cakera brek.

(a) Silikon karbida.
(b) Rintangan haba yang tinggi: cakera tidak menjadi lemah walaupun sangat panas akibat geseran semasa membrek.
Tahan kejutan terma: cakera tidak retak apabila suhu berubah secara mendadak.

Contoh soalan

Badan sebuah bot diperbuat daripada kaca gentian. (a) Nyatakan bahan matriks dan bahan pengukuhan dalam kaca gentian. (b) Nyatakan dua kelebihan kaca gentian berbanding keluli untuk kegunaan ini.

(a) Bahan matriks: plastik.
Bahan pengukuhan: gentian kaca.
(b) Kaca gentian lebih ringan tetapi kuat.
Kaca gentian tahan kakisan, jadi tidak berkarat walaupun sentiasa terdedah kepada air.

Aloi lebih keras BUKAN kerana ikatan lebih kuat atau atom asing bertindak balas dengan logam. Sebabnya: atom asing berlainan saiz mengganggu susunan teratur, jadi lapisan atom sukar menggelongsor
Gangsa = kuprum + stanum; loyang = kuprum + zink. Jangan terbalik
Keluli = besi + karbon; keluli nirkarat ada tambahan kromium dan nikel. Piuter hampir semuanya stanum (95%), bukan plumbum
Dalam eksperimen kekerasan, lekuk LEBIH KECIL bermaksud bahan LEBIH KERAS. Aloi memberi lekuk lebih kecil daripada logam tulennya
Aloi bukan bahan komposit. Duralumin, loyang dan keluli tidak boleh dipilih sebagai contoh bahan komposit
Bahan tambah menentukan sifat: boron oksida (borosilikat, tahan haba), plumbum(II) oksida (kaca plumbum, indeks biasan tinggi), argentum klorida (fotokromik, peka cahaya). Jangan tukar
Komponen UTAMA semua kaca ialah silikon dioksida. Natrium karbonat dan kalsium karbonat hanya bahan tambah dalam kaca soda kapur
Komposisi utama seramik tradisional ialah kaolin (tanah liat), bukan silika
Mudah pecah (rapuh) ialah sifat seramik tetapi BUKAN sebab seramik dipilih untuk sesuatu kegunaan. Pilih sifat yang berkait dengan fungsi, contohnya tahan kejutan terma untuk cakera brek
Kaca gentian ialah bahan komposit (plastik + gentian kaca). Gentian kaca ialah bahan pengukuhannya sahaja. Gentian optik pula yang menghantar data
Matriks mengikat, pengukuhan memberi kekuatan. Dalam kaca gentian, plastik ialah matriks dan gentian kaca ialah pengukuhan, bukan sebaliknya
Superkonduktor tiada rintangan elektrik pada suhu yang sangat RENDAH, bukan pada suhu bilik atau suhu tinggi
Gentian optik menghantar data sebagai cahaya, bukan sebagai arus elektrik

Soalan paling kerap: padankan bahan dengan komposisi, sifat dan kegunaan. Buat satu jadual satu muka surat untuk enam aloi, empat kaca dan lima bahan komposit, kemudian uji diri dengan menutup satu lajur
Terangkan kekerasan aloi dengan empat isi: atom logam tulen sama saiz dan tersusun teratur, lapisan mudah menggelongsor, atom asing berlainan saiz mengganggu susunan, lapisan sukar menggelongsor
Apabila soalan tanya sifat yang PALING sesuai untuk sesuatu kegunaan, kaitkan sifat dengan fungsi: periuk dan cakera brek (tahan haba, tahan kejutan terma), radas makmal (pekali pengembangan haba rendah), candelier (indeks biasan tinggi), mesin basuh dan alatan pembedahan (tahan kakisan)
Hafal bahan kimia kaca fotokromik: argentum klorida dan kuprum(I) klorida. Soalan pilihan I, II, III, IV selalu selitkan argentum nitrat dan kuprum(II) karbonat sebagai pengganggu
Untuk bahan komposit, sentiasa nyatakan kedua-dua bahan matriks dan bahan pengukuhan. Jawapan yang menyebut satu sahaja tidak lengkap
Kenal empat kumpulan: duralumin (aloi), kaca plumbum (kaca), silikon karbida (seramik), gentian optik (bahan komposit). Soalan suka campurkan keempat-empat dalam satu set pilihan

aloi: Campuran dua atau lebih unsur dengan logam sebagai unsur utama
kaolin: Tanah liat putih (aluminium silikat terhidrat) yang menjadi bahan utama seramik tradisional
silika: Silikon dioksida, SiO₂; komponen utama semua jenis kaca
seramik: Pepejal tak organik bukan logam yang dibentuk dan dikeraskan melalui pemanasan pada suhu tinggi
bahan matriks: Bahan yang mengelilingi dan mengikat bahan pengukuhan dalam bahan komposit
bahan komposit: Bahan yang terhasil daripada gabungan dua atau lebih bahan berlainan, iaitu bahan matriks dan bahan pengukuhan, dengan sifat yang lebih baik daripada komponen asalnya
superkonduktor: Bahan yang tiada rintangan elektrik apabila disejukkan ke suhu yang sangat rendah, contohnya seramik YBCO
kaca fotokromik: Kaca yang mengandungi argentum klorida dan kuprum(I) klorida; menjadi gelap apabila terdedah kepada sinar ultraungu
seramik termaju: Seramik daripada sebatian tak organik seperti oksida, karbida dan nitrida, dengan rintangan haba dan lelasan yang lebih tinggi daripada seramik tradisional
bahan pengukuhan: Bahan yang memberi kekuatan kepada bahan komposit, contohnya gentian kaca dan bar keluli
kaca borosilikat: Kaca yang mengandungi boron oksida; pekali pengembangan haba rendah dan tahan perubahan suhu mendadak
tahan kejutan terma: Tidak retak apabila suhu berubah secara mendadak