LAPORAN PRAKTIKUM KIMIA KOMPUTASI EKSPERIMEN 1
MENGENAL DIAGRAM POTENSIAL ENERGI 1 DAN 2 DIMENSI
SHEM SEBASTIAN HALOMOAN TARIGAN
082111533099 C1
PROGRAM STUDI KIMIA
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS AIRLANGGA
SURABAYA
2024
A. Pendahuluan
Kimia komputasi merupakan ilmu yang digunakan untuk melakukan simulasi terhadap sistem-sistem besar (atau banyak molekul protein gas, cairan, padatan, dan kristal cair) dan menerapkan program tersebut pada sistem kimia nyata. Pada percobaan ini dilakukan pengenalan diagram potensial dalam bentuk 1 dimensi dan 2 dimensi.
Atom-atom dapat membentuk ikatan kimia untuk membentuk molekul yang lebih stabil.
Atom-atom tersebut berada pada jarak tertentu yang disebut panjang ikatan. Saat dua atom berada pada jarak Req, gaya tolak dan gaya tarik antar atom adalah sama (resultan gayanya sama dengan nol) sehingga memiliki energi potensial yang paling rendah. Ada dua model yang dapat menjelaskan hubungan energi potensial ikatan terhadap R, yakni model Osilator harmonic dan model Osilator anharmonis (Potensial Morse).
B. Data Hasil Eksperimen dan Analisis
a. Tabel A1 : Hasil Perhitungan SP Hidrogen Fluorida dengan HF/6-31G(d) Panjang Ikatan
(A) Energi (Hartree) Energi (kcal/mol) Energi relatif*
(kcal/mol)
0,85 -99.9967 -62748.8 0
0,90 -100.003 -62752 -3.2
0,95 -100.001 -62751.1 -2.3
b. Tabel B1 : Hasil Perhitungan Rigid Scan Hidrogen Fluorida Panjang ikatan
(Å)
Energi (kcal/mol)
UFF PM6 HF/STO-3G HF/3-21G HF/6-31G
0.5 79.12 980.94 542.75 451.9465 444.49
0.55 57.28 433.72 362.35 295.3782 285.56
0.6 38.96 229.54 237.85 189.28 178.87
0.65 24.15 133.59 151.94 117.3493 107.74
0.7 12.84 79.52 92.99 69.03788 61.06
0.75 5.05 45.74 53.16 37.35525 31.35
0.8 0.77 24.01 27.11 17.53243 13.45
0.85 0 10.47 11.18 6.18718 3.83
0.9 2.74 2.95 2.77 0.922429 0
0.95 8.99 0 0 0 0.23
1 18.76 0.55 1.46 2.189985 3.31
1.05 32.03 3.75 6.05 6.582506 8.38
1.1 48.81 8.95 12.94 12.55634 14.81
1.15 69.11 15.58 21.49 19.62829 22.15
1.2 92.92 23.21 31.21 27.45326 30.08
1.25 120.2 31.48 41.75 35.77395 38.34
1.3 151.1 40.12 52.82 44.38329 46.79
1.35 185.4 48.89 64.24 53.13695 55.27
1.4 223.3 57.63 75.85 61.90945 63.72
1.45 264.6 66.21 87.54 70.61919 72.06
1.5 309.5 74.53 99.18 79.20343 80.24
1.55 357.9 82.52 110.71 87.61824 88.23
1.6 409.8 90.16 122.04 95.82598 96.01
1.65 465.2 97.41 133.1 103.8141 103.58
1.7 524.1 104.27 143.84 111.5638 110.89
1.75 586.5 110.74 154.2 119.075 117.96
1.8 652.4 116.82 164.14 126.3352 124.79
1.85 721.9 122.53 173.65 133.3444 131.35
1.9 794.9 127.89 182.69 140.1026 137.67
1.95 871.3 132.91 191.27 146.6161 143.74
2 951.3 137.61 199.38 152.8848 149.55
2.05 1035 142.01 207.02 158.9151 155.14
2.1 1122 146.11 214.2 164.707 160.48
2.15 1212 149.95 220.95 170.2667 165.6
2.2 1306 153.53 227.28 175.6004 170.51
2.25 1404 156.88 233.19 180.7146 175.21
2.3 1505 160.01 238.73 185.6154 179.69
2.35 1609 162.92 243.9 190.3028 183.98
2.4 1718 165.66 248.73 194.7895 188.09
2.45 1829 168.23 253.24 199.0753 192.01
2.5 1944 170.63 257.44 203.1666 195.76
2.55 2063 172.89 261.35 207.076 199.34
2.6 2185 175.01 265.01 210.7971 202.76
2.65 2311 177.02 268.41 214.3362 206.02
2.7 2440 178.91 271.59 217.7059 209.14
2.75 2572 180.69 274.55 220.9062 212.11
2.8 2708 182.38 277.31 223.9495 214.95
2.85 2848 183.98 279.89 226.8298 217.66
2.9 2991 185.5 282.29 229.5594 220.23
2.95 3138 186.94 284.53 232.1385 222.68
3 3288 188.31 286.62 234.5794 225.02
Panjang ikatan (Å)
Energi (kcal/mol) HF/6-
31G(d)
B3LYP/STO- 3G
B3LYP/3- 21G
B3LYP/6- 31G
B3LYP/6- 31G(d)
0.5 442.3 559.21 463.76 458.33 452.9
0.55 283.66 378.11 306.69 298.43 293.36
0.6 177.21 252.71 199.8 190.47 185.83
0.65 106.21 165.66 126.85 117.86 113.68
0.7 59.63 105.3 77.3 69.58 65.88
0.75 30.04 63.77 44.21 38.18 35.01
0.8 12.42 35.77 22.82 18.56 16.03
0.85 3.23 17.63 9.8 7.17 5.39
0.9 0 6.78 2.77 1.56 0.63
0.95 0.98 1.37 0 0 0
1 4.91 0 0.29 1.31 2.25
1.05 10.87 1.62 2.76 4.6 6.48
1.1 18.2 5.42 6.8 9.27 12.07
1.15 26.44 10.79 11.94 14.86 18.52
1.2 35.23 17.27 17.83 21.06 25.52
1.25 44.31 24.51 24.22 27.62 32.81
1.3 53.49 32.27 30.92 34.37 40.21
1.35 62.65 40.36 37.76 41.19 47.6
1.4 71.7 48.66 44.64 47.98 54.88
1.45 80.57 57.05 51.46 54.67 62.01
1.5 89.22 65.45 58.16 61.23 68.93
1.55 97.62 73.79 64.69 67.6 75.63
1.6 105.75 82 71.03 73.78 82.08
1.65 113.62 90 77.15 79.74 88.26
1.7 121.19 97.78 83.06 85.47 94.19
1.75 128.48 105.27 88.72 90.97 99.84
1.8 135.49 112.44 94.16 96.22 105.23
1.85 142.22 119.28 99.38 101.24 110.36
1.9 148.67 125.76 104.36 106.01 115.22
1.95 154.84 131.88 109.12 110.54 119.83
2 160.75 137.62 113.66 114.85 124.2
2.05 166.41 143.02 117.99 118.92 128.33
2.1 171.82 148.06 122.11 122.79 132.23
2.15 177 152.76 126.02 126.44 135.92
2.2 181.94 157.13 129.74 129.9 139.4
2.25 186.68 161.19 133.27 133.17 142.69
2.3 191.19 164.96 136.61 136.25 145.79
2.35 195.5 168.45 139.78 139.16 148.71
2.4 199.63 171.68 142.78 141.91 151.47
2.45 203.57 174.67 145.61 144.51 154.07
2.5 207.33 177.42 148.28 146.95 156.52
2.55 210.93 179.96 150.8 149.26 158.83
2.6 214.36 182.3 153.18 151.43 161.01
2.65 217.64 184.46 155.42 153.47 163.06
2.7 220.77 186.44 157.53 155.4 164.99
2.75 223.75 188.27 159.51 157.21 166.8
2.8 226.6 189.95 161.37 158.92 168.52
2.85 229.31 191.49 163.11 160.53 170.12
2.9 231.9 192.9 164.74 162.03 171.63
2.95 234.36 194.19 166.28 163.45 173.05
3 236.71 195.39 167.71 164.78 174.39
c. Tabel B2 : Waktu yang diperlukan saat perhitungan Rigid Scan
Level Teori Waktu (detik)
UFF 1.8
PM6 6.2
HF/STO-3G 6.2
HF/3-21G 9.5
HF/6-31G 11.5
HF/6-31G(d) 11.1
B3LYP/STO-3G 12.6
B3LYP/3-21G 13.9
B3LYP/6-31G 13.5
B3LYP/6-31G(d) 16.8
d. Grafik B3 : Diagram PES 1D Hidrogen Fluorida
3.5 3
2.5 2 1.5
R1 (A)
0 0.5 1
400 350 300
250 Erel (Kcal/mol), Y
200 Linear (Erel (Kcal/mol), Y)
150 100 50 0
y = 67.293x + 20.458 R² = 0.3008 500
450
RS_HF_6-31G_d
Erel (kcal/mol)
RS_HF_3-21G
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
3.5 3
2.5 1.5 2
R1 (A)
0 0.5 1
Erel (Kcal/mol) Linear (Erel (Kcal/mol)) y = 61.199x + 23.528
R² = 0.2598 500
450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
RS_HF_6-31G
Erel (kcal/mol)
3.5 3
2.5 2
1.5 R1 (A)
0 0.5 1
450 400 350 300 250
Erel (Kcal/mol) 200
Linear (Erel (Kcal/mol)) 150
100 50 0
y = 29.88x + 53.356 R² = 0.073 500
RS_HF_B3LYP_3-21G
3.5 3
2.5 1.5 2
R1 (A)
0 0.5 1
Erel (Kcal/mol)
200 Linear (Erel (Kcal/mol))
150 100 50 0
y = 36.409x + 47.312 R² = 0.1124 500
450 400 350 300 250
RS_HF_B3LYP_6-31G
erel (kcal/mol)Erel (Kcal/mol)
3.5 3
2.5 2
1.5 R1 (A)
0 0.5 1
Erel (Kcal/mol) Linear (Erel (Kcal/mol)) y = 36.409x + 47.312
R² = 0.1124 500
450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
RS_HF_B3LYP_6-31G_d
R1 (A) -500
-1000
3.5 3
2.5 2
1.5 1
0.5 0
500 0
Linear (Erel (Kcal/mol)) 1000
Erel (Kcal/mol) 2500
2000 1500
y = 1283.6x - 1279.5 R² = 0.8853 3500
3000
RS_HF_UFF
Erel (kcal/mol)Erel (Kcal/mol)
3.5 3
2.5 2
1.5 R1 (A) 1
0.5 0
100 0
Linear (Erel (Kcal/mol)) 200
Erel (Kcal/mol) 400
300
y = 80.774x + 28.211 R² = 0.2767 600
500
RS_HF_STO-3G
R1 (A) -500
-1000
3.5 3
2.5 2
1.5 1
0.5 0
500 0
Linear (Erel (Kcal/mol)) 1000
Erel (Kcal/mol) 3000
2500 2000 1500
y = 1283.6x - 1279.5 R² = 0.8853 3500
RS_HF_PM6
Erel (kcal/mol)Erel (kcal/mol)
e. Grafik C1 : Diagram PES 2D Ozon pada Level Teori PM6 RS_HF_B3LYP_STO-3G
600 y = 32.251x + 70.428
R² = 0.058 500
400 300 200
Erel (Kcal/mol) Linear (Erel (Kcal/mol))
100
0
0 0.5 1 1.5
R1 (A)
2 2.5 3 3.5
Erel (kcal/mol)
f. Tabel C2: Gambar Struktur Isomer Ozon
Struktur Isomer Ozon 1 Struktur Isomer Ozon 2
g, Tabel C3: Data Hasil Perhitungan Isomer Ozon
Properti Isomer Ozon 1 Isomer Ozon 2
Panjang ikatan O1-O2 (Å) 1.15 A 1.25 A
Panjang ikatan O2-O3 (Å) 2.04013 A 2.30970 A
Sudut Ikatan O1-O2-O3 (Å) 125° 135°
Energi (Hartree) 0.072103 0.089453
Energi relatif (Hartree) 0 0.01735
Energi relatif (kcal/mol) 0 10.8872812
C. Pertanyaan
1. Manakah level teori yang mendeskripsikan ikatan sebagai osilator harmonis dan osilator anharmonis?
Jawab:
Osilator harmonis : Hartree-Fock dan UFF Osilator anharmonis : PM6 dan B3LYP
2. Manakah level teori yang paling cepat dan paling yang lambat dalam melakukan perhitungan?
Jawab:
Level teori yang paling cepat : UFF
Level teori yang paling lambat : B3LYP/6-31G(d)
3. Jika saat jarak antara atom H dan F sejauh 3,0 Å itu dianggap ikatannya putus, maka Erel pada 3,0 Å dapat dianggap sebagai energi disosiasi (D0), manakah metode yang paling akurat dan yang paling tidak akurat untuk memprediksi D0? (Nilai D0
HF secara eksperimental sebesar 136 kcal/mol) Jawab:
Metode paling akurat : B3LYP/6-31G karena energinya yang paling mendekati Metode paling tidak akurat : UFF karena perbedaan energinya sangat jauh.
4. Jelaskan perbedaan struktur isomer ozon yang telah kalian dapatkan dari hasil eksplorasi diagram PES 2D dari sisi reaktivitas!
Jawab:
Struktur isomer ozone 2 lebih reaktif dibanding struktur isomer ozone 1 karena ikatannya yang lemah sehingga mudah untuk berikatan dengan molekul lain. Serta memiliki energi yang lebih tinggi dibanding isomer Ozone 1.
D. Pembahasan
Pada praktikum ini membahas mengenai “Pengenalan Diagram Potensial Energi 1 dan 2 Dimensi” dengan tujuan agar Mahasiswa dapat melakukan perhitungan single point energy dan rigid scan molekul anorganik sederhana menggunakan metode perhitungan mekanika molekular (MM), semiempiris dan ab initio, Mahasiswa dapat menganalisis diagram potensial energi atau potential energy surface (PES) 1D dan 2D untuk mencari kemungkinan struktur yang stabil, dan Mahasiswa dapat memahami kekurangan dan kelebihan metode perhitungan semiempiris, dan ab initio dalam perhitungan energi potensial.
Kimia komputasi adalah cabang kimia yang menggunakan hasil kimia teori yang ditenemahkan 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, cairan, padatan, dan kristal cair), dan menerapkan program tersebut pada sistem kimia nyata. Contoh sifat-sifat molekul yang dihitung antara lain struktur atom, energi dan selisih energi, muatan, momen dipol, kereaktifan, frckuensi getaran dan besaran spektroskopi Iainnya. Simulasi terhadap makromolekul (seperti protein dan asam nukleat) dan sistem besar bisa mencakup kajian konformasi molekul dan perubahannya (mis. proses denaturasi protein), perubahan fasa, serta peramalan sifat-sifat makroskopik (seperti kalor jenis) berdasarkan perilaku di tingkat atom dan molekul. Istilah kimia komputasi kadang-kadang digunakan juga sebagai ilmu komputer dan kimia. Oleh karena itu para kimiawan komputasi dituntut untuk dapat mengembangkan liardware maupun software dalam meningkatkan kemampuan komputer untuk menyelesaikan permasalahan kimia, serta untuk dapat mengubah data hasil perhitungan komputer menjadi data yang dapat divisualisasi' kan (seperti bentuk molekul) sehingga lebih mudah dipahami oleh para kimiawan lainnya.
Metode komputasi molekul tidak selalu menggunakan teori ikatan kimia modern dan mekanika kuantum seperti dijelaskan sebelumnya. Komputasi molekul, dapat dipakai untuk penanganan molekul yang kompleks, bila memakai teori ikatan kimia modern dan
mekanika kuantum. Maka dari itu, metode komputasi molekul secara sistematis dapat digolongkan dalam berbagai pendekatan berikut:
• Metode mekanika molekul, metode ini menggunakan dasar hukum-hukum fisika klasik sebagai perhitungannya.
• Metode mekanika kuantum, metode ini menggunakan dasar hukum-hukum fisika kuantum sebagai perhitungannya.
D Pendekatan teori struktur elektron - Metode semi empiris
- Metode ab initio
° Pendekatan teori fungsional kerapatan (DFT= Density Functional Theory)
Untuk mendapatkan hasil perhitungan komputasi dengan akurasi tinggi maka pada umumnya pendekatan yang digunakan (metode ab initio) adalah teori struktur elektron.
Tetapi, pendekatan ini memiliki kekurangan, yaitu waktu perhitungan komputasinya lama dibandingkan dengan perhitungan yang menggunakan pen• dekatan mekanika molekul.
Sedang Kelebihannya adalah pada umumnya menghasilkan perhitung• an yang mendekati penyelesaian sebenarnya, karena semua pendekatan yang telah dibuat dapat dianggap cukup kecil secara numerik relatif terhadap penyelesaian sebenarnya. Secara umum, perhitungan dengan pendekatan struktur elektron (ab initio) memberikan hasil kualitatif yang sangat baik dan dapat memberikan kenaikan keakuratan hasil kuantitatif jika molekul yang dikaji semakin kecil. Dalam metode struktur elektron ini menggunakan hukum mekanika kuantum sebagai dasar komputasinya.
Pada praktikum ini dilakukan 3 topik percobaan. Untuk topik A, akan dilakukan perhitungan single point energi dari hidrogen fluorida dimana panjang ikatan divariasi mulai dari 0,85;0.90; dan 0,95 angstrom. Hasil yang didapatkan yaitu panjang ikatan 0,85 angstorm memiliki energi dalam kcal/mol yang lebih kecil dibandingkan variasi jarak lainnya. Hal ini membuktikan bahwa jarak ikatan mempengaruhi kestabilan molekul dari banyak tidaknya energi yang dimiliki sistem. Pada panjang ikatan 0,85 angstrom energi dalam kcal/mol adalah minus 62748,8.
Topik B, membahas tentang pembuatan diagram PES 1D hidrogen fluorida. Topik ini akan melakukan scan pada beberapa level teori yaitu UFF, PM6, HF dan B3LYP dengan basis set STO-3G,3-21G,6-31G, dan 6-31G (d). Proses scanning dilakukan antara 0,5 hingga 3 angstrom. Scanning dilakukan dengan interval 0,5 angstrom sehingga nanti akan didapatkan data panjang ikatan dengan interval 0,5 angstrom (R1) dan energi elektronik dalam hartree pada tiap panjang ikatan (SCF). Didapatkan hasil berupa diagram PES yang berisi data tersebut dan energi dalam hartree diubah menjadi kcal/mol.
Selanjutnya,padaTopikC,diagramPES2Dmolekulozon(O3)dihitung.Karenaadatiga atom, maka ada tiga jenis gaya. Setelah melakukan perhitungan, diagram 3D dibuat yang mewakilijumlahkemungkinanstrukturtigadimensimolekulozon.Adadua``jurang'',dantitikdi bagian bawah ``jurang'' menunjukkan bahwa sistem mempunyai energi yang lebih rendah sehingga lebih stabil dibandingkan titik lainnya. Bagian terdalam dari kedua ngarai tersebut diambil sampelnya dan dilakukan analisis struktural. Kedua isomer molekul ozon ditunjukkan padaTabelC2, dandata untuksetiap isomer ditunjukkanpadaTabel C3. Terlihat bahwaisomer ozon 1 memiliki energi yang lebih rendah dibandingkan isomer ozon 2. Oleh karena itu, konformasi isomer ozon yang paling mungkin adalah isomer ozon 1 karena memiliki energi sistempalingrendah
E. Kesimpulan
1.Metode HF merupakan metode yang paling cocok untuk mengetahui interaksi suatu senyawa denganbentukstabilnyadibandingkanmetodelainnya.
2. Diagram potensial 1D dan 2D dapat menentukan kemungkinan reaktivitas suatu senyawa berdasarkanstrukturnya.
3. Masing-masing metode mempunyai kelebihan dan kekurangan. Metode semi empiris memerlukanwaktulebihsedikit dan menghasilkanfungsigelombangelektronikyanglebihbaik, sehingga memungkinkan prediksi sifat elektronik, namun metode ini bergantung pada ketersediaan parameter empiris. Metode ab initio mempunyai konsep komputasi umum berdasarkan persamaan Schrödinger, sehingga dapat diprediksi keakuratan dan kesalahannya.
Namuncarainimemakanwaktu.
F. Daftar Pustaka
1. Foresman, J. B., Frisch, JE., 2012. Exploring Chemistry with Elektronic Structure Method. 2nd edition. Gaussian, Inc., Pittsburg, PA, 3-7, 61-69, 97-99.
2. Leach, Andew R., 2001. Molecular Modelling : Principles and Applications. 2nd edition. Pearson Eduacation Limited.
3. Prianto, Bayu, 2005. Irradiasi Sitosin : Studi Dehidrogenasi dengan Kehadiran Radikal OH Menggunakan Program CPMD. Skripsi.
