REAKSI Cr, Cr 2, Mn, Mn 2, Fe, DAN Fe 2 DENGAN F 2, H 2, N 2, DAN O 2 : KAJIAN TEORI FUNGSIONAL KERAPATAN

(1)

REAKSI Cr, Cr

2

, Mn, Mn

2

, Fe, DAN Fe

2

DENGAN F

2

, H

2

, N

2

,

DAN O

2

: KAJIAN TEORI FUNGSIONAL KERAPATAN

SKRIPSI

BERLIN WIJAYA

10500017

PROGRAM STUDI KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

(2)

REAKSI Cr, Cr

2

, Mn, Mn

2

, Fe, DAN Fe

2

DENGAN F

2

, H

2

, N

2

,

DAN O

2

: KAJIAN TEORI FUNGSIONAL KERAPATAN

REACTION OF Cr, Cr

2

, Mn, Mn

2

, Fe, AND Fe

2

WITH F

2

, H

2

, N

2

,

AND O

2

: A DENSITY FUNCTIONAL THEORY STUDY

SKRIPSI

BERLIN WIJAYA

10500017

PROGRAM STUDI KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

(3)

Abstract

(4)

Abstrak

(5)

Program Studi Kimia

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung

Menerangkan bahwa Skripsi yang disusun oleh : Nama : Berlin Wijaya

NIM : 10500017

telah disetujui sebagai persyaratan untuk mendapatkan gelar Sarjana Kimia

Bandung, _____________________ Pembimbing

(6)

Cogito, ergo sum

Dubito, ergo cogito, ergo sum

I think, therefore I am

I doubt, therefore I think, therefore I am

Rene Descartes

Kupersembahkan untuk ...

(7)

Ucapan Terimakasih

Segala puji dan ucap syukur penulis panjatkan kepada Nya, karena tanpaNya penulis tidak dapat menyelesaikan penyusunan skripsi, sebagai laporan penelitian tugas akhir.

Penulis ingin menyampaikan rasa terimakasih kepada Bapak Dr. Muhamad Abdulkadir Martoprawiro sebagai pembimbing, yang telah meluangkan waktu dan pikiran serta kesabaran dalam membimbing penulis dalam menyelesaikan skripsi ini, dan juga terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

• Ibunda dan Ayahanda tercinta yang telah memberikan semangat, dukungan, serta do’a dengan segenap kasih sayangnya.

• Tony Sitorus serta keluarga, paman penulis yang banyak memberikan dorongan dan dukungan.

• Sapril dan Abdi, adik saya yang juga banyak mendukung.

• Seluruh dosen program studi kimia ITB atas semua ilmu yang telah diberikan. • Seluruh staf program studi kimia ITB yang telah banyak membantu.

• Teman-teman di Laboratorium Kimia Teori dan Komputasi, Pak Igun, Pak Parsaroan, Pak Yustinus, Pak Sanjaya, Pak Iwan, Mba Ira, Pak Rustaman, Arba, Faisal, Bayu, Hasan, Yonan, Dadan dan Daniel atas diskusinya yang sangat berharga.

• Teman-teman laboratorium lain seperti Bang Aman, Angki, Lutfi, Wahono, Frisda dan masih banyak lagi yang tak mungkin disebutkan satu persatu.

• Kawan-kawan Tiang Bendera, tempat saya menemukan kawan untuk berdiskusi. • Kawan-kawan AMISCA, UKSU, KMPA-G, MG, dan KS-SEP.

• Kawan-kawan kosan pelesiran seperti Toguh, Hokop, Juli, Alex, Roy, dan lain-lain. • Teman-teman dunia maya milis Jasakom-Perjuangan, echo, infolinux, linux.or.id

(8)

• Teman-teman angkatan 1998, 1999, 2000, 2001, dan 2002, 2003 yang tidak mungkin disebutkan satu per satu.

• Teman-teman Tim Data SPMB 2006.

Akhir kata, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik untuk perbaikan di masa yang akan datang.

Bandung, Juni 2007

(9)

Daftar Isi

Abstract ... ii

Abstrak ... iii

Ucapan Terimakasih ... vi

Daftar Isi ... viii

Daftar Tabel ... xi

Daftar Gambar ... xiii

Daftar Lampiran... xv

1 Pendahuluan... 1

2 Teori ... 5

2.1 Kimia Komputasi... 5

2.2 Metode Struktur Elektron ... 6

2.2.1 Postulat dalam Mekanika Kuantum... 7

2.2.2 Fungsi Gelombang... 9

2.3 Metode ab-initio ... 12

2.3.1 Hampiran Bohn-Oppenheimer... 14

2.3.2 Hampiran Hartree ... 15

2.3.3 Kelemahan Hampiran Hartree ... 16

2.3.4 Prinsip Variasi ... 17

2.4 Teori Fungsional Kerapatan ... 18

2.4.1 Model Thomas-Fermi ... 19

2.4.2 Teorema Hohenberg-Kohn ... 19

(10)

2.5 Fungsi Basis dan Himpunan Basis ... 24

2.5.1 Fungsi Basis... 24

2.5.2 Himpunan Basis... 26

2.6 Implementasi ... 28

2.6.1 Optimasi Struktur ... 28

2.6.2 Perhitungan Energi Satu Titik (Single Point Calculation) ... 28

2.6.3 Perhitungan Frekuensi ... 29

2.6.4 Pemodelan Struktur Keadaan Transisi... 29

3 Percobaan... 31

3.1 Metode Perhitungan... 31

3.2 Pemilihan Metode... 32

3.2.1 Optimasi Geometri ... 32

3.2.2 Perhitungan Energi Satu Titik ... 33

3.2.3 Analisis Ikatan ... 33

4 Hasil dan Pembahasan ... 34

4.1 Pemilihan Metode dan Himpunan Basis... 34

4.2 Reaksi Krom ... 34

4.3 Analisa Natural Bonding Orbital (NBO) ... 36

4.3.1 CrF2... 37 4.3.2 CrH2... 37 4.3.3 CrO2... 39 4.3.4 Cr2F2... 40 4.3.5 Cr2H2... 42 4.3.6 Cr2O2... 44 4.4 Reaksi Mangan ... 46

4.5 Analisa NBO dari Hasil Reaksi Mangan ... 47

(11)

4.5.3 Mn2F2... 49

4.5.4 Mn2H2... 50

4.5.5 Mn2O2... 52

4.6 Reaksi Besi ... 55

4.7 Analisa NBO dari Hasil Reaksi Besi ... 56

4.7.1 FeF2... 56 4.7.2 FeN2... 57 4.7.3 FeO2... 58 4.7.4 Fe2F2... 60 4.7.5 Fe2N2... 61 4.7.6 Fe2O2... 64

5 Kesimpulan dan Saran ... 66

Daftar Pustaka... 67

Lampiran A Contoh Berkas Masukan Program Gaussian98... 69

(12)

Daftar Tabel

Tabel 1.1 Konfigurasi elektron atom krom dan energi relatif terhadap keadaan dasar. ... 1

Tabel 1.2 Data eksperimen serta hasil sejumlah perhitungan molekul Cr2, Mn2, dan Fe2... 3

Tabel 1.3 Hasil perhitungan Cr2 dan Mn2 dengan LSDA dan GGA. ... 4

Tabel 2.1 Operator dan penjelasannya dari interaksi elektron-elektron dan elektron-inti.. 13

Tabel 4.1 Energi krom data eksperimen dan metode B3LYP pada multiplisitas 5 dan 7. . 35

Tabel 4.2 Reaksi logam Krom dengan gas F2, H2, N2, dan O2 serta energi pembentukan. 35 Tabel 4.3 Data jarak (re), sudut, sudut dihedral dan frekuensi (ωe) dari produk reaksi... 36

Tabel 4.4 Konfigurasi elektron reaktan dan produk dari reaksi pembentukan CrF2. ... 37

Tabel 4.5 Hibridisasi dari orbital ikatan pada CrH2. ... 38

Tabel 4.6 Hibridisasi dari orbital ikatan pada CrO2. ... 40

Tabel 4.7 Hibridisasi dari orbital ikatan pada Cr2F2... 41

Tabel 4.8 Hibridisasi dari orbital ikatan pada Cr2H2. ... 43

Tabel 4.9 Hibridsasi dari orbital ikatan pada Cr2O2. ... 45

Tabel 4.10 Reaksi logam mangan dengan gas F2, H2, N2, dan O2 serta energi pembentukan. . ... 46

Tabel 4.11 Data jarak (re), sudut, sudut dihedral dan frekuensi (ωe) dari molekul mangan. 47 Tabel 4.12 Konfigurasi elektron reaktan dan produk dari reaksi pembentukan MnF2... 48

Tabel 4.13 Hibridisasi dari orbital ikatan pada MnH2... 49

Tabel 4.14 Hibridisasi dari orbital ikatan pada MnH2... 50

Tabel 4.15 Hibridisasi dari orbital ikatan pada Mn2H2... 52

(13)

Tabel 4.18 Data jarak (re), sudut, sudut dihedral dan frekuensi (ωe) dari molekul besi. ... 56

Tabel 4.19 Konfigurasi elektron reaktan dan produk dari reaksi pembentukan FeF2. ... 56

Tabel 4.20 Hibridisasi dari orbital ikatan pada FeN2. ... 59

Tabel 4.21 Hibridisasi dari orbital ikatan pada FeO2. ... 58

Tabel 4.22 Hibridisasi dari orbital ikatan pada Fe2F2... 61

Tabel 4.23 Hibridisasi dari orbital ikatan pada Fe2N2. ... 63

(14)

Daftar Gambar

Gambar 2.1 Diagram alir pada kimia komputasi kuantum dan pengukuran kimia

konvensional. ... 6

Gambar 2.2 Interaksi elektron – elektron dan elektron – inti pada atom Helium ... 13

Gambar 2.3 Interaksi elektron k dengan elektron bukan k dan interaksi elektron k dengan kerapatan elektron atom. ... 15

Gambar 2.4 Perbandingan antara orbital 1s tipe Slater dan tipe Gaussian. ... 25

Gambar 2.5 Kombinasi linear dari tiga fungsi basis Gaussian membentuk satu fungsi basis Slater. ... 26

Gambar 3.1 Diagram alir perhitungan penentuan struktur stabil. ... 32

Gambar 4.1 Tingkat energi orbital ikatan molekul CrH2. ... 38

Gambar 4.2 Tingkat energi orbital ikatan molekul CrO2. ... 39

Gambar 4.3 Tingkat energi orbital ikatan molekul Cr2F2. ... 41

Gambar 4.4 Tingkat energi orbital ikatan molekul Cr2H2... 42

Gambar 4.5 Tingkat energi orbital ikatan molekul Cr2O2... 44

Gambar 4.6 Tingkat energi orbital ikatan molekul MnH2. ... 48

Gambar 4.7 Tingkat energi orbital ikatan molekul Mn2F2... 49

Gambar 4.8 Tingkat energi orbital ikatan molekul Mn2H2. ... 51

Gambar 4.9 Tingkat energi orbital ikatan molekul Mn2O2. ... 53

Gambar 4.10 Tingkat energi orbital ikatan molekul FeN2. ... 57

Gambar 4.11 Tingkat energi orbital ikatan molekul FeO2. ... 59

Gambar 4.12 Tingkat energi orbital ikatan molekul Fe2F2. ... 60

(15)

(16)

Daftar Lampiran

Lampiran A.1 Optimasi Geometri... 69

Lampiran A.2 Perhitungan energi satu titik ... 69

Lampiran A.3 Perhitungan frequensi ... 70

Lampiran A.4 Perhitungan NBO... 70

Lampiran A.5 Meningkatkan Iterasi ... 71

Lampiran A.6 Meningkatkan Konvergensi ... 71

Lampiran B.1 Molekul CrF2 (multiplisitas 5) ... 73

Lampiran B.2 Molekul CrH2 (multiplisitas 5) ... 73

Lampiran B.3 Molekul CrO2 (multiplisitas 1) ... 73

Lampiran B.4 Molekul Cr2 (multiplisitas 7) ... 74

Lampiran B.5 Molekul Cr2F2 (multiplisitas 9)... 74

Lampiran B.6 Molekul Cr2H2 (multiplisitas 3) ... 74

Lampiran B.7 Molekul Cr2O2 (multiplisitas 9) ... 74

Lampiran B.8 Molekul MnF2 (multiplisistas 6) ... 75

Lampiran B.9 Molekul MnH2 (multiplisitas 6)... 75

Lampiran B.10 Molekul Mn2 (multiplisitas 9)... 75

Lampiran B.11 Molekul Mn2F2 (multiplisitas 7) ... 75

Lampiran B.12 Molekul Mn2H2 (multiplisitas 7)... 76

Lampiran B.13 Molekul Mn2O2 (multiplisitas 7)... 76

Lampiran B.14 Molekul FeN2 (multiplisitas 3) ... 76

(17)