Air kristal

Dalam kristalografi, air kristal atau air hidrasi adalah air yang terdapat di dalam kristal. Air sering kali diperlukan dalam pembentukan kristal.^[1] Dalam beberapa konteks, air kristal adalah berat total air dalam suatu senyawa pada temperatur tertentu dan berada pada rasio stoikiometri tertentu. Menurut pandangan klasik, "air kristal" merujuk pada air yang ditemukan dalam susunan kristal kompleks logam atau garam, tetapi tidak berikatan langsung dengan kation logam.

• 
  Tembaga(II) sulfat hidrat berwarna biru cerah.
• 
  Tembaga(II) sulfat anhidrat berwarna putih.

Selama proses kristalisasi dari pelarut air atau uap, kebanyakan senyawa menarik molekul air dalam struktur kristalnya. Air kristal umumnya dapat dihilangkan dengan pemanasan sampel, tetapi sering kali sifat kristalnya juga menghilang

Dibandingkan dengan garam anorganik, protein mengkristal dengan sejumlah besar air dalam kisi kristalnya. Kandungan air hingga 50% sudah jamak ditemukan.

Dalam rumus molekul, air kristal dapat dituliskan dalam berbagai cara:

• "senyawa hidrat⋅nH₂O" atau "senyawa hidrat×nH₂O"

Notasi ini digunakan ketika senyawa hanya mengandung air kisi (lattice water) atau ketika struktur kristal tidak dapat ditentukan. Sebagai contoh Kalsium klorida: CaCl₂·2H₂O

• "senyawa hidrat(H₂O)_n"

Suatu hidrat dengan air melalui ikatan koordinasi. Sebagai contoh Seng klorida: ZnCl₂(H₂O)₄

• Kedua notasi di atas dapat digabungkan seperti dalam kasus tembaga(II) sulfat: [Cu(H₂O)₄]SO₄·H₂O

Suatu garam yang mengandung air kristal dikenal sebagai hidrat. Struktur hidrat dapat sangat rumit, karena adanya ikatan hidrogen yang menentukan struktur polimer.^[2][3] Dalam sejarah, struktur kebanyakan hidrat belum diketahui, dan titik dalam suatu rumus hidrat digunakan untuk menentukan komposisi air tanpa menandakan bagaimana air terikat. Contohnya:

• CuSO₄•5H₂O - tembaga(II) sulfat pentahidrat
• CoCl₂•6H₂O - kobalt(II) klorida heksahidrat
• SnCl₂•2H₂O - timah(II) (atau stano) klorida dihidrat

Untuk kebanyakan garam, ikatan air yang pasti tidak penting karena molekul air akan melemah saat pelarutan. Sebagai contoh, larutan yang disiapkan dari CuSO₄•5H₂O dan CuSO₄ anhidrat memiliki sifat yang identik. Oleh karena itu, pengentahuan tentang derajat hidrasi hanya penting untuk menentukan berat ekivalen: berat satu mol CuSO₄•5H₂O lebih besar daripada satu mol CuSO₄. Dalam beberapa kasus, derajat hidrasi merupakan titik kritis dalam menentukan sifat kimia. Contohnya RhCl₃ tidak larut dalam air dan relatif tidak berguna dalam kimia organologam, sementara RhCl₃•3H₂O bersifat serba guna. Kasus serupa, AlCl₃ hidrat adalah asam Lewis lemah dan oleh karenanya tidak dapat digunakan sebagai katalis dalam reaksi Friedel-Crafts. Sampel AlCl₃ harus dilindungi dari uap air yang ada di atmosfer untuk mencegah pembentukan hidrat.

Kristal tembaga(II) sulfat hidrat mengandung pusat [Cu(H₂O)₄]²⁺ yang berikatan dengan ion SO₄²⁻. Tembaga dikelilingi oleh enam atom oksigen yang berasal dari dua gugus sulfat dan empat molekul air. Air kelima berada di suatu tempat dalam struktur tetapi tidak berikatan langsung pada tembaga.^[4] Kobalt klorida tersebut di atas berada sebagai [Co(H₂O)₆]²⁺ dan Cl⁻. Dalam timah klorida, masing-masing pusat Sn(II) berbentuk piramida (artinya sudut O/Cl-Sn-O/Cl adalah 83°) yang berikatan dengan dua ion klorida dan satu air. Air kedua dalam rumus berikatan hidrogen dengan klorida dan berikatan koordinasi dengan molekul air. Air kristal distabilkan oleh atraksi elektrostatik, akibatnya garam hidrat yang umum adalah yang memiliki kation +2 dan +3 dan anion −2. Dalam beberapa kasus, mayoritas berat senyawa adalah berat air. Garam Glauber, Na₂SO₄(H₂O)₁₀, adalah padatan kristal putih yang lebih dari 50% beratnya berasal dari berat air.

Mari kita lihat kasus nikel(II) klorida heksahidrat. Spesies ini memiliki rumus NiCl₂(H₂O)₆. Analisis kristalografi mengungkapkan bahwa padatan mengandung sub-unit [trans-NiCl₂(H₂O)₄] yang berikatan hidrogen satu sama lain dan dengan dua molekul H₂O lainnya. Maka, 1/3 molekul air dalam kristal tidak berikatan langsung dengan Ni²⁺, dan ini yang dapat disebut dengan istilah "air kristal".

Kandungan air dalam sebagian besar senyawa dapat ditentukan dengan mengetahui rumusnya. Sampel yang tidak diketahui dapat ditentukan melalui analisis termogravimetri (TGA), yang mana sampel dipanaskan dengan kuat dan hasil penimbangan akuratnya diplotkan terhadap temperatur. Jumlah air yang menghilang kemudian dibagi dengan massa moler air untuk mendapatkan jumlah molekul air yang terikat pada garam.

Air adalah pelarut yang umum ditemukan dalam kristal karena sifatnya yang kecil dan polar. Namun, semua pelarut dapat ditemukan dalam kristal. Air menjadi penting karena sifatnya yang reaktif, sementara pelarut lain seperti benzena relatif tidak berbahaya secara kimia. Terkadang, lebih dari satu pelarut ditemukan di dalam suatu kristal, dan sering kali bervariasi secara stoikiometri. Hal ini digambarkan dalam konsep kristalografi sebagai "okupansi parsial". Suatu hal yang umum dan konvensional bagai para kimiawan untuk "mengeringkan" suatu sampel dengan kombinasi vakum dan panas hingga diperoleh "berat konstan".

Untuk pelarut terkristal lainnya, analisis dapat dilakukan dengan melarutkan sampel dalam pelarut yang mengandung deuterium dan menganalisis sinyal pelarut dalam sampel menggunakan spektroskopi NMR. Kristal tunggal kristalografi sinar-X sering kali mampu mendeteksi keberadaan pelarut terkristal ini dengan baik. Metode lainnya juga telah tersedia.

Tabel di bawah menunjukkan jumlah molekul air per logam dalam beberapa garam.^[5][6]

• Hidrat
• Hidrasi mineral