ACARA
1
ENERGI
INTERAKSI ION LOGAM DENGAN AIR
1.
Tujuan
· Menghitung
energi interaksi ion logam Na+, Mg2+ dan Fe3+
dengan air
· Menggambarkan
kurva energi interaksi terhadap variasi jarak ion logam - air
2.
Dasar
teori
Kimia komputasi adalah cabang ilmu kimia yang menggunakan
hasil kimia teori yang diterjemahkan ke dalam program komputer untuk menghitung
sifat-sifat molekul dan perubahannya. Kimia komputasi dapat pula melakukan
simulasi terhadap sistem-sistem besar (atau banyak molekul protein gas,
padatan, cairan, dan kristal cair) dan menerapkan program tersebut pada sistem
kimia nyata. Contoh sifat-sifat yang dihitung antara lain struktur aatom,
energi dan selisih energi, muatan, momen dipole, kereaktifan, frekuensi
getaran, dan besaran spektroskopi lainnya. Simulasi terhadap makromolekul
(seperti protein dan asam nukleat) dan system besar bisa mencakup kajian
konformasi molekul dan perubahannya (misalnya proses denaturasi protein),
perubahan masa, serta peramalan sifat-sifat makroskopik (seperti kalor jenis)
berdasarkan perilaku tingkat atom dan molekul. Istilah kimia komputasi sering
digunakan juga sebagai ilmu komputer dan kimia (Prianto, 2007).
Interaksi antarmolekul merupakan landasan penting dalam
memahami bagaimana atom dan molekul berorganisasi dalam suatu sistem kimia (self
organization) (Karlstrom and
Jonsson, 2005; Sokalski and Leszczynski, 2004). Interaksi antarmolekul berperan dalam menentukan
sifat-sifat gas, cairan, padatan dan molekul penyusun (self asembly)
dalam sistem biologi. Potensial antarmolekul bergantung pada koordinat internal
yang membentuk geometri molekul (Sokalski
and Leszczynski, 2004).
Potensial Lennard-Jones diberikan persamaan sebagai
berikut:
[V=4ϵ[(σr)12−(σr)6]
Di mana V adalah potensi
antarmolekul antara dua atom atau molekul. ε adalah
kedalaman dan ukuran seberapa
kuat dua partikel
menarik satu sama lain. σ adalah jarak di mana potensi
antarmolekul antara dua partikel adalah nol.
σ memberikan pengukuran seberapa dekat dua partikel
nonbonding bisa mendapatkan dan dengan demikian disebut sebagai radius Van der
Walls. Hal ini sama dengan satu-setengah dari jarak antara partikel antar inti
nonbonding. Dan terakhir, r adalah jarak pemisahan antara kedua partikel
(diukur dari pusat satu partikel ke pusat partikel lain) (Royer,1968).
3.
Metodologi
penelitian
3.1.
Alat
Alat yang digunakan adalah software Hyperchem professional ver. 7.0; laptop
model DELL kapasitas RAM 2 Gb Intel CORE Duo.
3.2.
Cara kerja
Masuk
ke program Hyperchem. Cursor ditetapkan sebagai draw (menggambar) pada
menu,lalu klik dua kali pada menu draw hingga muncul kotak susunan berkala
unsur dan pilih atom oksigen sebagai cursor. Cursor diklik satu kali pada
canvas gambar Hyperchem hingga muncul satu atom oksigen pada kanvas dalam
bentuk lingkaran merah. Masuk ke dalam menu build,lalu klik add H and model
build,hingga muncul senyawa air. Periksa kembali kebenaran gambar senyawa air
tersebut. Jika masih salah ulangi menggambar. Jika benar, simpan gambar pada
folder kerja anda. Cursor diganti sebagai atom logam Na,lalu tempatkan atom Na
pada posisi Na mendekati atom oksigen dengan jarak 1 angstrom,denngan mengatur
jarak Na-air pada gambar. Kemudian menyimpan gambar model system. Masuk ke menu
setup, lau klik pada ab initio. Minimum basis set dipilih sebagai perhitungan.
Masuk ke option dan masukkan muatan dan spin multiplicity sesuai dengan system
yang dihitung. Spin multiplicity = 2s + 1,dengan harga s ½ untuk satu electron
tak berpasangan. Masuk kedalam menu file lalu klik pada start log dan menyimpan
dengan nama file tertentu dalam folder anda untuk mencatat semua perhitungan
anda. Energy kompleks dihitung dengan memilih single point pada menu compute,
dengan parameter berikut: algoritma = polka-ribiere, RMS gradient = 0,01
kkal/(angstrom.mol), maksimum siklus = 100,in vacuo. Setelah perhitungan
selesai yang ditandai dengan ada data energy pada bagian kiri bawah kanvas,
lalu masuk kembali ke menu file lalu klik stop log. Energy system dicatat dari
file hasil start log yang anda buat. Energy single point dihitung untuk masing –
masing ion Na+ dan molekul air pada koordinat struktur kompleks ion Na+ dengan
air. Energy ion Na+ dihitung dengan cara menghapus molekul air pada struktur
kompleks Na-air, lalu menghitung single point. Energy air dapat dihitung dengan
cara menghapus ion Na+ pada struktur kompleks Na-air,lalu menghitung single
point. Perhtungan diulangi untuk jarak antara ion Na+ dengan air adalah 2,5;6;
dan 10 angstrom,kemudian menggambar kunrva energy interaksi terhadap jarak ion
Na+ dengan air. Diulangi hal diatas dengan logam Mg2+ dan Fe3+
4.
Hasil
dan pembahasan
4.1 Data pengamatan
4.1.1 Struktur ion
kompleks Na-air pada jarak 1 angstrom
4.1..2 Struktur ion kompleks Na-air
pada jarak 2,5 angstrom
4.1.3 Struktur ion kompleks Na-air
pada jarak 6 angstrom
4.1.4 Struktur ion kompleks Na-air
pada jarak 10 angstrom
4.1.5 Struktur ion kompleks Mg-air
pada jarak 1 angstrom
4.1.6 Struktur ion kompleks Mg-air
pada jarak 2,5 angstrom
4.1.7 Struktur ion kompleks Mg-air
pada jarak 6 angstrom
4.1.8 Struktur ion kompleks Mg-air
pada jarak 10 angstrom
4.1.9 Struktur ion kompleks Fe-air
pada jarak 1 angstrom
4.1.10 Struktur ion kompleks Fe-air
pada jarak 2,5 angstrom
4.1.11 Struktur ion kompleks Fe-air
pada jarak 6 angstrom
4.1.12 Struktur ion kompleks Fe-air
pada jarak 10 angstrom
4.2
Perhitungan
Einteraksi
= [Ekompleks Na-air] – [ENa+ ] – [Eair]
· Jarak
1 angstrom
[Ekompleks Na-air] = -146442.3906
[ENa+
] = -100266.3672
[Eair] = -47038.56641
Einteraksi = 862.54301
|
·
Jarak 6 angstrom
[Ekompleks Na-air]= -147307.9375
[ENa+]= -100266.3672
[Eair]= -47038.56641
Einteraksi = -3.00389
|
· Jarak 2,5 angstrom
[Ekompleks Na-air]= -147329.8594
[ENa+]= -100266.3672
[Eair]= -47038.56641
Einteraksi = -24.92579
|
·
Jarak 10 angstrom
[Ekompleks Na-air]= -147306.0781
[ENa+]= -100266.3672
[Eair]= -47038.56641
Einteraksi = -1.14449
|
Einteraksi
= [Ekompleks Mg-air] – [EMg+2 ] – [Eair]
· Jarak
1 angstrom
[Ekompleks Mg -air] = -169427.5576771
[E Mg
2+ ] = -123313.107153
[Eair] = -47038.567279
Einteraksi = 924.1167549
|
· Jarak 6 angstrom
[Ekompleks Mg -air]= -170357.918051
[E Mg 2+]= -123313.107236
[Eair]= - 47038.567260
Einteraksi = -6.243555
|
· Jarak 2,5 angstrom
[Ekompleks Mg -air]= -170413.230874
[E
Mg 2+]= -123313.107236
[Eair]= - 47038.567280
Einteraksi = -61.556358
|
· Jarak 10 angstrom
[Ekompleks Mg -air]= -170353.977979
[E Mg 2+]= -123313.107236
[Eair]= -47038.56726
Einteraksi = -2.303483
|
Einteraksi
= [Ekompleks Fe-air] – [EFe3+ ] – [Eair]
· Jarak
1 angstrom
[Ekompleks
Fe-air] = -829029.695125
[EFe+3
] = -782586.92227
[Eair] = -47038.567305
Einteraksi = 595.79445
|
·
Jarak 6 angstrom
[Ekompleks Fe-air]= -810780.213606
[EFe3+]= -782639.341330
[Eair]= - 47038.567284
Einteraksi = 18897.695008
|
· Jarak 2,5 angstrom
[Ekompleks Fe-air]= -829754.175538
[EFe3+]= -782638.761330
[Eair]= - 47038.567305
Einteraksi = -76.846903
|
·
Jarak 10 angstrom
[Ekompleks Fe-air]= -813098.889631
[EFe3+]= -783547.316656
[Eair]= -47038.567283
Einteraksi = 17486.994308
|
4.3
Pembahasan
HyperChem
ialah suatu program simulasi dan pemodelan molekular yang memungkinkan
perhitungan kimiawi yang kompleks. Software ini dapat digunakan untuk
menggambar struktur kimia, optimasi geometri dengan berbagai macam model, study
molecular dinamik dasar, study QSAR dan lain-lain. HyperChem mengkombinasikan
kemampuan optimasi untuk teknik mekanika kuantum dan mekanika molekuler dengan
fasilitas manipulasi dan visualisasi struktur. simulasi dinamika molekul dan
pengaturan yang sesuai kehendak pengguna, dengan program HyperChem, kita dapat
menentukan struktur stabil dengan cara yang mudah. Penentuan struktur yang
stabil dari molekul merupakan langkah perhitungan yang paling umum terjadi pada
pemodelan molekul. Energi relatif dari struktur teroptimasi yang berbeda akan
menentukan kestabilan konformasi, keseimbangan isomerisasi, panas reaksi,
produk reaksi, dan banyak aspek lain dari kimia (Shabrina, 2011).
Praktikum ini dilakukan
untuk menentukan energy interaksi antara ion logam dan menentukan kurva
potensial Lennar-Jones. Setelah digambar pada aplikasi hyperchem dan ditentukan
masing – masing energy dari kompleks Na-air, Na+, dan air,akhirnya dapat
dihitung energy interaksi dan di buat kurva potensial Lennard – Jones. Berikut
tabel yang sudah dibuat:
Tabel 1. Energi Potensial terhadap Jarak logam
Na
Jarak
|
Energi Na-air
|
Energi Natrium
|
Energi air
|
Energi interaksi
|
1.0095
|
-146442.3906
|
-100266.3672
|
-47038.56641
|
862.54301
|
2.49079
|
-147329.8594
|
-100266.3672
|
-47038.56641
|
-24.92579
|
6.08536
|
-147307.9375
|
-100266.3672
|
-47038.56641
|
-3.00389
|
9.97412
|
-147306.0781
|
-100266.3672
|
-47038.56641
|
-1.14449
|
Tabel 2. Energi Potensial terhadap Jarak logam
Mg
Jarak
|
Energi Mg-air
|
Energi Mg
|
Energi air
|
Energi interaksi
|
0.960728
|
-169427.5576771
|
-123313.107153
|
-47038.567279
|
924.1167549
|
2,515
|
-170413.230874
|
-123313.107236
|
- 47038.567280
|
-61.556358
|
6,11406
|
-170357.918051
|
-123313.107236
|
- 47038.567260
|
-6.243555
|
10,0059
|
-170353.977979
|
-123313.107236
|
-47038.56726
|
-2.303483
|
Tabel 3. Energi Potensial terhadap Jarak logam
Fe
Jarak
|
Energi Mg-air
|
Energi Mg
|
Energi air
|
Energi interaksi
|
1.04695
|
-829029.695125
|
-782586.92227
|
-47038.567305
|
595.79445
|
2.56806
|
-829754.175538
|
-782638.761330
|
- 47038.567305
|
-76.846903
|
6.0188
|
-810780.213606
|
-782639.341330
|
- 47038.567284
|
18897.695008
|
10.2515
|
-813098.889631
|
-783547.316656
|
-47038.567283
|
17486.994308
|
Bisa dilihat perhitungan energy interaksi
dilakukan dalam berbagai jarak antara ion logam Na+,Mg2+
dan Fe3+ dengan air. setelah dapat energy interaksi, maka
selanjutnya membuat kurva potensial Lennard – Jones. Berikut kurva Lennard – Jones
yang telah dibuat:
Kurva 1. Energi Potensial terhadap Jarak Ikatan Na-air
Kurva 2. Energi Potensial terhadap Jarak Ikatan Mg-air
Kurva 3. Energi Potensial terhadap Jarak Ikatan Fe-air
Grafik Lennard –Jones di atas menggambarkan hubungan
antara jarak interaksi dengan energi interaksi geometri dengan menggunakan
variasi jarak interaksi. Perhitungan variasi jarak interaksi dilakukan dengan
menggunakan selisih 2 titik. Semakin dekat interaksi maka akan terjadi gaya
tolak-menolak yang mengakibatkan energi interaksi mencapai maksimum yang
berarti belum stabil. Dengan adanya penambahan jarak interaksi akan mengurangi
gaya tolak antarinti maupun antarelektron hingga dicapai kestabilan pada jarak
interaksi tertentu dengan energi bernilai negative sesuai dengan grafik
Lennard-Jones mengenai interaksi antarmolekul (ikatan hidrogen dan Van Der
Waals), dimana pada jarak yang jauh belum terjadi interaksi, kemudian terjadi
tarik-menarik dari interaksi Van Der Waals, dan pada jarak yang dekat terjadi
tolak-menolak yang kuat (Hasanah et al,
2013).
Potensial Lennard - Jones merupakan fungsi dari
jarak pusat antara dua partikel . Ketika dua partikel nonbonding terpisah
dengan jarak yang tak terbatas , kemungkinan mereka datang bersama-sama dan
berinteraksi adalah minimal. Oleh karena itu, kita dapat mengatakan bahwa
energi potensial ikatan mereka adalah nol. Namun, karena jarak pemisahan
menurun, kemungkinan interaksi meningkat. Partikel mendekat bersama-sama sampai
mereka mencapai daerah pemisahan dimana dua partikel menjadi terikat dan energi
potensial ikatan mereka menurun dari nol untuk menjadi bernilai negatif .
Sementara partikel terikat , jarak antara bagian pusat akan terus menurun
sampai partikel mencapai ekuilibrium , yang ditentukan oleh jarak pemisah di
mana energi potensial minimum tercapai ( UCDavis, 2005).
Jika kita terus mendorong dua partikel terikat bersama-sama
melewati jarak keseimbangan mereka, maka tolakan mulai terjadi , sebagai
partikel yang berada dekat satu sama lain maka elektron mereka akan dipaksa
untuk menempati orbital masing-masing . Oleh karena itu , tolakan terjadi
karena setiap partikel mencoba untuk mempertahankan ruang dalam orbital
masing-masing . Meskipun gaya tolak antara kedua partikel , energi potensial
ikatan mereka meningkat pesat sebagai jarak pemisahan antara partikel akan
menurun di bawah jarak keseimbangan( UCDavis, 2005).
Pada energi potensial ikatan, stabilitas suatu
susunan atom juga merupakan fungsi dari jarak pemisahan Lennard-Jones. Jarak
pemisahan menurun di bawah ekuilibrium sehingga energi potensial menjadi
semakin positif (gaya tolak). Energi potensial yang besar secara energi tidak
disukai karena menunjukkan tumpang tindih orbital atom. Namun, pada jarak
pemisahan yang panjang, energi potensial adalah negatif dan mendekati nol
sebagai jarak pemisahan yang meningkat hingga tak terbatas (gaya menarik). Hal
ini menunjukkan bahwa pada jarak yang jauh, sepasang atom atau molekul mengalami
gaya penstabilan yang kecil. Pemisahan antara dua partikel mencapai jarak
sedikit lebih besar dari ó, energi potensial mencapai nilai minimum (gaya
adalah nol). Pada titik ini, pasangan partikel yang paling stabil dan akan tetap
dalam orientasi itu sampai kekuatan eksternal yang diberikan kepada mereka (UCDavis,
2005). Pada kurva Na-air dan Mg-air hasilnya sama dengan grafik Lennard-Jones
disebabkan adanya interaksi electron dan dua inti atom yang berpeda sehingga
menimbulkan berbagai macam energi pada variasi jarak. Namun pada interaksi
logam Fe dengan air, kurva yang dihasilkan tidak sesuai dengan diagram
Lennard-Jones.
5.
Kesimpulan
1.
Energy interaksi ion logam Na+,
Mg2+ dan Fe3+ dengan air pada jarak 1;2,5;6 dan 10
angstrom berturut – turut sebesar 862.54301;
-24.92579; -3.00389 dan -1.14449; 924.1167549, -61.556358, -6.243555
dan -2.30348
3; 595.79445, -76.846903,
18897.695008 dan 17486.994308.
2.
Kurva energy interaksi terhadap variasi
jarak ion logam-air dapat dibuat setelah didapatkan energy interaksi ion logam
dengan air dalam berbagai jarak.
DAFTAR
PUSTAKA
Hasanah, N., et al. 2013. Studi
Interaksi Segmen Trimer Kitosan dengan Asam Askorbat secara Komputasi Ab Initio
dan Eksperimen. ChemInfo: Vol 1,No 1, Hal 210-219.
Karlstrom, G., and Jonsson, B., 2005, Intermolecular
Interaction, Theoretical Chemistry, Lund University.
Prianto, Bayu,
2007, Pemodelan Kimia Komputasi,
Berita Dirgantara, Vol.8, Halaman 1-2.
Royer,
Donald J., 1968, Bonding Theory, New York,
NY.:McGraw-Hill, Inc.
Shabrina, 2011,
Optimasi Struktur Molekul [HyperChem], http://shabrina-chemist.blogspot.com/2011/12/optimasi-struktur-molekul.html
(diakses pada tanggal 13 Desember 2014).
Sokalski, W. A.,
and Leszczynski, J., 2004, Molecular
Material with Specific Interactions (Modelling and Design), published by
Springer.
UCDavis. 2005.
Lennard-Jones Potential. Available online at: http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Quantum_Mechanics/Atomic_Theory/Intermolecular_Forces/Lennard-Jones_Potential
(Diakses tanggal 13 Desember 2014).
+ komentar + 1 komentar
Terimakasih banyak kak, artikelnya sangat membantu untuk mengerjakan tugas :))
Posting Komentar