BILANGAN KOORDINASI P ADA BETAINE PHOSPHATE AMORF. Yuliadi, 2 A. Purwanto,

~

~

N~

H~

Nu.t..-

JA..

~

X KL

2. t5~ !410-'16g6

BILANGAN KOORDINASI P ADA BETAINE PHOSPHATE AMORF

2Tri Hatdi P., 2E. Yulianti

iT.

Yuliadi, 2

A. Purwanto,

53b

I Program Studi Materials Science,

Program Pascasarjana Universitas Indonesia

2 Puslitbang Iptek Bahan -BATAN;

Kawasan Puspiptek, Serpong- Tangerang

ABSTRAK

BILANGAN KOORDINASI PADA BETAINE PHOSPHATE AMORF. Cuplikan betaine phosphate amort diperoleh dari kristal betaine phosphate yang dibiarkan beberapa hari da!am udara kamar, sedangkan krista! tersebut didapat dari larutan super jenuh betaine (CH3)3NCH2COO dan asam phosphate H3PO4. Cuplikan amort dikarakterisasi dengan Difraktometer Neutron Resolusi Tinggi (DN3) di BAT AN. Data tersebut direduksi dengan memasukkan faktor koreksi wadah quartz, faktor serapan dan faktor transmisi cuplikan untuk mendapatkan intensitas hamburan cuplikan. Untuk reduksi data dibuat pemrograman komputer dengan bahasa pemrograman C++. Hasil reduksi tersebut dianalisis dengan perangkat lunak GSAS yang menghasilkan bahwa bilangan koordinasi Gumlah atom terdekat) pada betaine phosphate amort mendekati 5.

ABSTRACT

COORDINATION NUMBER ON AMORPHOUS BETAINE PHOSPHATE. Amorphous betaine phosphate was obtained from crystalline betaine phosphate in ambient environment, the crystal was obtained from the super saturated solution of betaine (CH3)3NCH2COO and H3PO4. The amorphous sample was characterized with High Resolution Powder Diffractometer (DN3) at BATAN. Data reduction was done by taking the sample can correction factor, the sample absorption and transmission into account to obtain the diffraction intensity solely belonging to the sample. C++ programming language was used for the data reduction. The data was then analyzed using the GSAS package resulting that the coordination number (nearest atomic number) on betaine phosphate is approximately 5.

PENDAHULUAN

Yang dapat dianalisa pada struktur amorf antara lain

adalah menentukan

jumlah atom terdekat pada bahan

tersebu.. Jumlah atom terdekat sering pula disebut

sebagai bilangan koordinasi. Salah satu metode untuk

menghitung jumlah atom terdekat antara lain dengan

pendekatan

mekanika klasik [4]. Metode ini cukup baik

secara kualitatif dengan memakai pendekatan

peristiwa

hamburnn

quasielastic

pada zat cair sederhana.

1)ntuk menganalisa banyaknya atom terdekat

digunakan perangkat lunak GSAS[5].

Lalu untuk

menda~atkan data intensitas hamburan cuplikan

melibatkan

faktor koreksi daD

pernrograman.

Bahan betaine phosphate (CH3)3NCH2COO.H3PO4 (disingkat BP) diperoleh dari kristal BP [1-3] yang dibiarkan beberapa hari dalam udara kamar, sedangkan kristal BP diperoleh dari larutan super jenuh betaine (CH3)3NCH2COO daD asam phosphate H3PO4[1]. Bahan tersebut mempunyai sifat higroskopik yaitu mudah menyerap uap air pada keadaan udara terbuka. Struktur betaine phosphate yang telah menyerap air akan berubah menjadi amorf pada kadar waktu tertentu.

Penelitian ini di Jatar belakangi dengan sifat higroskopik yang dimiliki oleh betaine phosphate yang menyebabkan bahan tersebut berubah menjadi amorf.

p~

Ai-. T~

f'".l..

~

p~ A~

T.Y~. A.P""",M-t..,

T~

H~. E.

Y~

Teori Faktor Koreksi dun Perhitungan Atom Terdekat

,(5)

N(i) jumlah atom pacta tipe i pacta tiap formula lalu Oi1k:(i} daD ucoir(i} adalah tampang lintang incoherent daD coherent yang didapatkan melalui daftar Tabel daD d ab.,(i) adalah tampang lintang absorpsi eksperimen, yang diperoleh dari,

Data difraksi neutron dikarakterisasi dengan menggunakan Difraktometer Neutron Resolusi Tinggi (HRPD). Hasil data tersebut dianalisa dengan melibatkan tiga koreksi data difraksi neutron yaitu, koreksi absorpsi, hamburan dari wadah cuplikan clan efisiensi variasi detektor.

Ada beberapa langkah perhitungan faktor koreksi absorpsi atau transmisi, yaitu dapat ditulis[6,7].

T(O) = exp[ -.u(x)R] _{.(1) .v 0"}

₍

_"

)

O"ah..(i) = abs l

Vo

(6)

T(O), faktor transisi yang tergantung pada sudut hamburan B dan faktor absorpsi dapat ditulis, A(O)=T

/ (0). R adalah radius wadah, lalu Jl{x) ada!ah koefisien linier absorpsi yang tergantung komposisi bahan, x, yang dapat ditulis,

v, kecepatan neutron eksperimen, Vo kecepatan neutron dengan tampang lintang Uab., yang diperoleh dari Tabel dan v, V,} diperoleh dari konversi energi kinetik neutron dengan panjang gelombang neutron 2.

Untuk pengukuran wadah cuplikan diukur pada temperatur mang, dan akhimya pengukuran data mempunyai hubungan koreksi,

fJ(X) = n(x) ~ (x)

₍₂₎

Is ({), x) = A(x) D(x) [1m

({), x) -T(x) Iq ({},x)J

(7)

o;(x) adalah tampang lintang (cross section) dan n(x) adalah jumlah molekul per unit volume dapat didapatkan

dari,

keterangan:

P(x)

W(x)

n(x) =

_.(3)

I.(o'x) = lntensitas hamburan dari cuplikan Im(o'x) = data pengukuran (serbuk cuplikan +

wadah cuplikan)

Iq(O,x) = data pengukuran (wadah cuplikan) D(B) = multiplisitas faktor efisiensi detektor A(x) = faktor absorpsi

T(x) = faktor transmisi p(x) adalah kerapataIi massa dari cuplikan daD W(x)

bobot atom per formula. Perhitungan p(x) dapat diperoleh dengan memakai rumus,

.(4)

Untuk mendapatkan Intensitas hamburan diperlukan pembuatan perhitungan program melalui persamaan (11.34). Is(B,x), Im(B,x) daD Iq(B,x) merupakan fungsi dari sudut hamburan () daD komposisi x daD D(fJ} hanya fungsi dari B:

Langkah selanjutnya penghitungan atom terdekat, n(r) pacta bahan amorf melalui pendekatan statistik mekanika klasik[4] dengan rumus:

keterangan:

.(8) Ps = kerapatan cairan

m. = massa cuplikan

m2 = massa pycnometer + cairan

m3 = massa pycnometer + cairan + cuplikan

dengan p, kerapatanbanyaknya

atom, clan D(r) , fungsi

radial distribusi.

Kemudian perhitungan tampang lintang o;(x)

dapat dituliskan sebagai

berikut,

~I

2S

A~

1111

p~

A~ 1~ ~ ~

p~ A-ot

1.Y~, A.P-~,1~ Hw...,

E. Y~

,

Untuk menghitung tam pang lintang o;(x) digunakan persamaan (3), (5) dan (6) kemudian hasilnya ditulis pada Tabel 2 dan 3 Komposisi bahan x = o.

T A TA KERJA

Sin(esis Bahan

Tabel1 Data kerapatan massa dengan dua perbedaan suhu, 30°C

.Cuplikan betaine phosphate amorf didapat dari kristal tunggal BP yang dibiarkan berada dalam udara kamar. Kristal tunggal tersebut dihasilkan dari larutan super jenuh betaine (CH3hNCH2COO (be rat molekul 117,15) dan asam phosphate H3PO4 (be rat -molekul 98,00), perbandingan molar (CH;);NCH2COO : H3PO4 adalah, 2,75:1. Kemumian unsur dasar di atas 98%. digerus kemudian didiamkan dalam kurung waktu tertentu, kira-kira bubuk cuplikan tersebut telah mengalami gumpalan tidak menjadi bubuk lagi. lni dapat dilakukan pada ruang terbuka pada suhu kamar atau di bawah suhu kamar. Cuplikan tersebut memiliki Cuplikan dimasukan kedalam wadah berbentuk tabung yang memiliki diameter 1,23 cm. Wadah cuplikan terbuat dari bahanquartz (termasuk glass, amort).

Tabel2 Data tampang lintang, (CH3)3NCH2COO3PO4 (betaine phosphate).

Pengukuran

Difraksi

Pola difraksi arnorf betaine phosphate diukur dengan fasilitas -neutron High Resolution Powder Diffractometer (HRPD), dengan monokromator gennanium (A. = 1,821 A). Peralatan tersebut dilengkapi dengan 32 detektor sehingga memungkinkan perolehan data dalarn suatu range 29 tertentu secara serempak. Pengukuran tersebut dilakukan pada temperatur ruang dengan sudut harnburan 29 dari 2,500° sampai 162,722°, dengan lebar step 0.05°.

Tabel3 Data makroskopik (CH3)3NCH2COO3.PO4 (betaine phosphate). Absorpsi faktor A (0) Transmisi faktor T(O) Berat molekul W(O) Kerapatan p gr/cmJ 0.950 1,QS3 Total tarnpang lintang 0",(0)

~

10.137 1.486 215.141

Koreksi Data Pengukuran Wadah Cuplikan dan

EflSiensi

Detektor.

HASIL DAN ANALISIS

Faktor Koreksi Absorpsi don Transmisi

Faktor koreksi transmisi seperti pada persamaan

(I) dan mempunyai hubungan dengan faktor koreksi

absorpsi A(B)=T-'(B). Untuk mendapatkan koreksi itu, perlu memasukkan diameter wadah, R kemudian koefisien linier absorpsi p(x) didapatkan dari persamaan (2) atau perkalian Avxpxo;(x)x(BM}-2 (Av bilangan A vogradro). Kerapatan, p dapat diperoleh dari perangkat lunak GSAS atau memakai persamaan (4), dapat dilihat pada Tabel I.untuk perhitungan selanjutnya kerapatan yang dipergunakan adalah yang diperoleh dari GSAS pada suhu 30°C, karena hasil yang diperoleh dari persamaan (4) kurang akurat, disebabkan cepat menguapnya cairan (toulewen) yaitu, larutan yang digun~?- untuk mengukur kerapatan tersebut.

Wadah cuplikan memakai quartz (bahan glas), bahan ini masuk katogori amorf, tetapi tidak dimasukan faktor koreksinya karena memiliki intensitas basil pengukuran yang relatif cukup kecil dibandingkan dengan cuplikan betaine phosphate yaitu, memiliki perbandingan orde 102 (ratusan) dengan 103 (ribuan), ini dapat dilihat pada Gambar 1. Faktor koreksi ini digunakan sebagai pengurang daTi basil data pengukuran cuplikan plus wadah (lihat persamaan (7». Detektor pada alat HRPD ada 32 buah detektor, sehingga banyaknya nilai efisiensi detektor ada 32, sedangkan data observasi sebanyak 3200 sehingga satu detektor memiliki 100 data observasi yang sarna. Nilai efisiensi detektor dapat dilihat pada Tabel 4.

Detektor ke-23, 24, 25, 31 dan 32 memiliki nilai efisiensi yang kurang akurat, maka data observasi daTi detektor tersebut tidak dimasukkan dalam perhitungan. 41

~,

2S

A~ 1111

p~

A~ T.".(.J,..t

f".l...

~

p~ A

e

T.V~. A.P..,...,MotD.

T~ H~. E.

V~

Tabel4 Nilai efisiensi detektor, pada alat HRPD

integral dari r = 0 sarnpai dengan r = 0,373 A ((1) (puncak pertama), data ini diarnbil dari Garnbar 2. (gambar ini adalah graftk fungsi radial distribusi terhadap jarak antar partikel terdekat) memakai titik acuan nol

untuk data perhitungan intensitasnya.

Untuk menghitung jumlah atom terdekat tersebut diperlulcan nilai Icerapatan atom, p, dalam hal ini dianggap isotropik agar memenuhi persarnaan 8. Kerapatan atom tersebut diperoleh dari kerapatan massa dari perangkat lunak GSAS. Lalu sebelum mengintegralkan fungsi tersebut, terlebih dahulu mencari fungsi radial distribusi, dengan memakai fungsi polinomial dan didapatkan,

32119,OOX2

157,92 + 25292,OOX

D(r: Intensitas hamburan (lihat persamaan (7»

diperoleh melalui pembuatan program yaiw dengan memasukan tiga data input. Bahasa pemrograman yang dipakai c++ (C plus-plus) versi Borland.

Ketiga data input adalah, Data. In I, Data.ln2 daD Data.In3 masing- masing data tersebut adalah data intensitas pengukuran (cuplikan+wadah cuptikan), data intensitas pengukuran (wadah cuplikan) daD data efisiensi detektor, semua data-data itu memiliki format memanjang vertikal I (saw) kolom kemudian dengan memakai program yang dibuat menghasilkan Data.Outl, Data.Out2, Data.OuO yang mempunyai 10 (sepuluh) kolom agar dapat diolah oleh perangkat lunak GSAS, pemrograman dapat dilihat[8]. Hasil grafik RAWPLOT yang diperoleh dari pemrograman tersebut dapat dilihat pada Gambar la daD lb.

Lalu unwk menghasilkan data intensitas hamburan menggunakan persamaan 7, dipemrograman dikenal dengan nama :-oata.out4, basil grafik RAWPLOT-nya dapat dilihat pada Gambar I c.

(9)

Jumlah koefisien yang digunakan hanya tiga karena nilai sigma masing-masing koefisien tersebut relatif lebih rendah dibandingkan bila ditambah koefisiennya yaitu sebesar, 40,1; 1,271 dan 382. Kemudian dalam mengintegralkan persamaan (8) memakai metode Romberg's (numeric integration) [6] dan didapatjumlah atom rata-rata terdekat ~ 5.

Perhitungan Atom Terdekat pada Betaine Phosphate

Amorf

Untuk menghitung jumlah atom terdekat menggunakan persamaan 8, dengan mengambil batas

~,

2S

A~

1111

42

p~

A~ TtIIJLItA

f".I..

~

p~ A~

T.Y..l;..,l;.,

A.P~,

T~ H~. E. Y~

p~

At- T~

.;..k ~

P

{..-t A~

T.V~. A.P

,.,~. T..-:

h'~. E. vc.4

Gambar 2. Fungsi radial distribusi ini adalah hasil pengamatan (observasi) tanpa di-refine. Keadaan puncak berada pada r = 0,373 A (a)

KESIMPULAN DAN SARAN

Pengukuran difraksi untuk betaine phosphate amorf digunakan High Resolution Powder Diffractometer dengan cuplikan serbuk daD diperoleh jumlah ~tom rata-rata terdekat ~ 5, dengan melibatkan fungsi radial distribusi. Dalam proses perhitungan tersebut banyak pendekatan-pendekatan. Jika telah diperolah perangkat lunak yang dapat mengolah data bahan amorf maka ada baiknya perlu diulang dalam me-refine data observasi tersebut agar diperoleh basil yang maksimal.

Gambar IV.7 Pola difraksi neutron ini hasil observasi.

UCAP AN TERIMAKASIH

Penulis sangat berterimakasih kepada I. WahyonCil atas bantuannya dalam pengukuran difraksi sinar-X. Penelitian ini dibiayai sebagian dari dana Riset Unggulam Terpadu V No. 32/SPK/RUT/BPPT/IV/98 Kantor Menteri Negara Riset daD Teknologi Republik

Indonesia.

(a) intensitas dari cuplikan+wadah 1m, (b) intensitas dari wadah Iq dan (c) intensitas dari cuplikan Is. Is

diperoleh dari persamaan (11.35).

43

p~

At T~

f"JA

~

p~ A~

T.Y~, A.P..,...,~. T~ H,.",J;., t. Y~

[5]. Allen C. Larson, Robert B. Yon Dreele, GSAS

Training Manual, Los Alamos National Laboratory,

Los Alamos (1994) Amerika Serikat.

[6]. M. B. M. Mangin & G. P. Johari, Physics and

Chemistry

olGlass (1988)

[7]. E. Kartini, ~. Tri Hardi, S. Yusuf, Setiawan,

H.

Mugy Raharl:ljo, N. (ndayaniningsih and S. J.

Kennedy, Preliminary

Study

on

SICC

(AgI)x(AgPO3)/-x by

Neutron

Scattering,

Prosiding Pertemuaan Ilmiah Sains Materi Ill,

Serpong,

1998

[8]. T.Yuliadi, Difraksi

pada

Kristal

Tunggal,

Polikristal dan Amorf Betaine Phosphate,

Tesis,

Program Pascasarjana Universitas Indonesia,

Program Studi Materials Science 1999

PUSTAKA

[I]

[2]

[3].

A. Fajar, A. Purwanto, S. Giat, Sumardjo, B. Sugeng, E Yulianti, Synhesis and Characterisation of Betaine Phosphate, Proc. Syrnp. Tekno (1998)

333-336

T. Yuliadi, A. Purwanto, A. Fajar, E Yulianti, Struktur Kristal Serbuk Betaine Phosphate pada Temperatur 30"C dan 120"C , Pascasarjana Universitas Indonesia, Program Studi Materils Science, 1999

W. Shcildkamp and J. Spilker, Struktural and Antiferroelectric Phase Transition in Betaine Phophate. (CHJl;NCHzCOOJ.PO4, Z. Kristallogr.,

168 (1984) 159-171

D. Chondler, Introduction to Modern Statistical Mechanies, Oxford University Pres, Inc., 200 Madison Avenue, New York, 1987

[4].

~,

2S"

A~

1111

44