Makalah Kimia Komputasi [PDF]

Citation preview

MAKALAH KIMIA KOMPUTASI Penentuan Energi Bebas Gibbs Pada Suatu Reaksi Menggunakan Aplikasi Gaussian Diajukan untuk memenuhi salah satu tugas Mata Kuliah Kimia Komputasi



Disusun oleh : Amelia Shafira 140210170022 Hanif Shabrinna 140210170024 Raissa Alaudina A 140210170026 Saepul Herdiansyah 140210170028 Arum Kurnia Sari 140210170030



FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS PADJAJARAN 2018



Kata Pengantar



Puji syukur kami panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas terselesaikannya Makalah Mata Kuliah Kimia Komputasi ini. Makalah yang kami buat ini berjudul ” Penentuan Energi Bebas Gibbs Pada Suatu Reaksi Menggunakan Aplikasi Gaussian”. Kami ucapkan terimakasih kepada Bapak Dr. Rustaman, M.Si. yang telah memberi tugas pada kami sehingga kami dapat menyelesaikannya dengan baik. Namun kami menyadari bahwa kelancaran dalam penyusunan materi ini tidak lain berkat bantuan, dorongan dan bimbingan orangtua dan temanteman, sehingga kendala-kendala yang kami hadapi teratasi. Semoga makalah ini dapat bermanfaat dan menjadi sumbangan pemikiran untuk teman-teman yang lain. Tiada gading yang tak retak, demikian pula dengan makalah ini, masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu saran dan kritik yang membangun tetap kami nantikan demi kesempurnaan makalah kami.



Jatinangor, November 2018



Penyusun



DAFTAR ISI



BAB 1 PENDAHULUAN ……………………………………………………………………………………………….. 1.1



Latar Belakang ……………………………………………………………………………………4



1.2



Perumusan Masalah …………………………………………………………………………..5



BAB II PEMBAHASAN …………………………………………………………………………………………………. 2.1 Energi Bebas Gibbs……………………………………………………………………………………6 2.2 Reaksi Asam Basa………………………………………………………………………………….....7 2.3 Aplikasi Gaussview dan Gaussian 09W……………………………………………………7 2.4. Penerapan Pada Aplikasi Gaussian………………………………………………………….8 2.5. BAB III PENUTUP ………………………………………………………………………………………………………… 3.1



Simpulan ………………………………………………………………………………………….13



3.2



Saran ……………………………………………………………………………………………….13



DAFTAR PUSTAKA ……………………………………………………………………………………………………14



BAB I PENDAHULUAN



1.1 Latar Belakang Elektrokimia adalah cabang ilmu kima yang mempelajari hubungan antara reksi kimia dengan aliran lisrik. Elektrokimia dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu Galvani dan Elektrolisis. Elektrolisis adalah suatu proses dimana reaksi kimia terjadi pada elektroda yang tercelup dalam elektrolit., ketika tegangan diterapkan terhadap elektroda itu. Sedangkan yang dimaksud dengan sel elektrolisis adalah sel dimana energy listrik digunakan untuk berlangsungnya suatu reaksi kimia. Sel ini merupakan kebalikan dari sel galvani. ( Dogra, SK Dogra, 2009). Hukum kedua termodinamika berkaitan dengan spontanitas. Suatu pernyataan energi ke dua termodinamika adalah bahwa setiap perubahan yang spontanitas selalu terjadi kenaikan entropi. Dua factor yang mengontrol kejadian yang spotanitas adalah perubahan energy dan perubahan entropi. Hukum kedua termodinamika yang berkaitan erat dengan perubahan entalpi dan perubahan entropi bersama-sama mejadi kuantitas termodinamika tunggal yang disebut Energi Bebas Gibbs. Energi Bebas Gibbs adalah fungsi kuantitas termodinamika, yang menyatakan hubungan antara entalpi, entropi, dan energy44m4e 4nergy. Penentuan energy bebas reaksi kimia umumnya dinyatakan dalam perubaan energy bebas Gibbs standar yang dinotasikan sebagai ΔG°. Energi bebas standar suatu reaksi tidak diukur secara langsung, namun berdasarkan sifat-sifat energy bebas sebagi fungsi keadaan. Karena perubaan energy bebas Gibbs merupakan fungsi keadaan, maka pengukuran energy dapat dilakukan melalui pengukuran perubahan entalpi dan perubaan entropi pada temperature dan tekanan standar. Reaksi berjalan spontan atau tidak, dapat kita lihat dari tanda perubahan 4nergy bebas Gibss, ΔG – nya. Jika ΔG bernilai positif maka reaksi tidak spontan atau tidak dapat terjadi. Tetapi jika tanda ΔG reaksi adalah 4nergy44, maka reaksi dapat berlangsung dengan spontan. Kadang – kadang kespontanan reaksi juga dilihat dari harga perubahan entropi, ΔS — nya. Yang perlu diingat adalah tanda kespontanan reaksi jika dilihat dari harga ΔS adalah kebalikan dari ΔG. Jika ΔS bertanda + dan ΔG bertanda 4nergy44, maka reaksi tersebut berlangsung dengan spontan. Gaussian adalah paket struktur elektronik tujuan umum untuk digunakan dalam kimia komputasi. Dapat memprediksi sifat-sifat molekul dan reaksi termasuk, energi dan struktur molekul, energi dan struktur keadaan transisi, frekuensi vibrasi, spektrum IR dan Raman, sifat termokimia, energi ikatan dan reaksi, jalur reaksi, orbital molekul, muatan atomik, momen multipole, Perisai NMR dan



kerentanan magnetik, intensitas dichroism melingkar vibrasi, kedekatan elektron dan potensi ionisasi, polarizabilitas dan hyperpolarizabilities, dan potensi elektrostatik dan kerapatan elektron. GaussView adalah antarmuka pengguna grafis yang dirancang untuk digunakan dengan Gaussian untuk membuat perhitungan lebih mudah, lebih cepat dan lebih efisien. Gaussian awalnya dirilis pada tahun 1970 oleh John Pople dan kelompok penelitiannya di Carnegie Mellon University. Ini terus diperbarui sejak saat itu. Nama ini berasal dari penggunaan orbital Gaussian oleh Pople untuk mempercepat perhitungan struktur molekul elektronik dibandingkan dengan penggunaan orbital tipe Slater, pilihan yang dibuat untuk meningkatkan kinerja pada kapasitas komputasi yang terbatas dari perangkat keras komputer saat itu untuk perhitungan Hartree-Fock. Awalnya tersedia melalui Quantum Chemistry Program Exchange, itu kemudian berlisensi dari Carnegie Mellon University, dan sejak 1987 telah dikembangkan dan dilisensikan oleh Gaussian, Inc. Gaussian dengan cepat menjadi program struktur elektronik yang populer dan banyak digunakan. Prof. Pople dan murid-muridnya dan post-docs termasuk di antara mereka yang mendorong pengembangan paket, termasuk penelitian mutakhir dalam kimia kuantum dan bidang lainnya.



1.2 Rumusan Masalah 1.2.1



Bagaimana cara mengitung 5nergy bebas Gibbs padda keadaan transisi dari suatu reaksi dengan menggunakan Gaussian 09W dan GaussView 5.0?



1.2.2



Bagaimana perbandingan hasil dari peritungan 5nergy bebas Gibbs berdasarkan data teoritis dengan data kalkulasi Gaussian 09W dan GaussView 5.0?



BAB II ISI 2.1. Energi Bebas Gibbs Energi bebas Gibbs didefinisikan sebagai perbedaan antara energi entalpi (H) dengan energi yang tidak digunakan untuk kerja berupa entropi (S) pada temperatur absolut (T). ∆G =∆H - T∆S Persamaan penting ini memberikan hubungan antara ∆H, ∆S,dan ∆G pada suhu yang sama. Hubungan entropi dengan ketidakteraturan molekul : makin besar ketidakteraturan atau gerakan bebas atom atau molekul dalam sistem, makin besar entropi sistem. Susunan yang paling teratur dari setiap zat dengan gerakan bebas atom atau molekul yang paling kecil adalah kristal sempurna murni pada nol mutlak (0 K). Hukum kedua termodinamika:



ΔStotal> 0 Untuk menentukan tanda dari ΔStotal, ΔSsistem dan ΔSlingkungan harus diketahui. Perhitungan ΔSlingkungan sulit dilakukan. Fungsi termodinamika lain diperlukan untuk membantu dalam menentukan apakah suatu reaksi berjalan secara spontan atau tidak dengan hanya mempelajari sistem itu sendiri. Untuk proses spontan, ΔStotal = ΔSsis + ΔSlingk> 0 atau T ΔStotal = - ΔHsis + T ΔSsis> 0 Kriteria kespontanan reaksi dapat diekspresikan berdasarkan sifat sistem (ΔHsis dan ΔSsis) dan tidak lagi memperhatikan lingkungan. Persamaan di atas dapat dituliskan sebagai : ΔHsis - T ΔSsis< 0 Untuk menyatakan kespontanan reaksi secara langsung, fungsi termodinamika baru yang disebut energi bebas Gibbs (G) digunakan dimana ∆G =∆H - T∆S Semua besaran dalam persamaan merujuk ke sistem dan T merupakan suhu sistem. G merupakan fungsi keadaan : ΔG = ΔH - T ΔS



Kondisi kespontanan dan kesetimbangan pada suhu dan tekanan tetap dapat disimpulkan berdasarkan ΔG sebagai berikut: ΔG < 0 reaksi spontan ΔG > 0 reaksi tidak spontan (reaksi spontan dalam arah yang berlawanan) ΔG = 0 sistem berada pada kesetimbangan 2.2. Reaksi Asam Basa Reaksi asam-basa adalah reaksi kimia yang terjadi antara asam dan basa. Asam adalah zat yang ketika dilarutkan dalam air, memiliki aktivitas ion hidrogen lebih besar daripada yang dilakukan air murni, sedangkan basa adalah zat yang, ketika dilarutkan dalam air, dapat menerima ion hidrogen. Keasaman larutan diukur berdasarkan skala pH, zat dengan pH kurang dari tujuh adalah asam sementara larutan dengan pH lebih dari tujuh adalah basa. Ada banyak penjelasan yang berbeda dan bentuk-bentuk reaksi asam-basa, karena mereka dapat terjadi dalam berbagai cara dan telah dipelajari oleh sejumlah ahli kimia yang berbeda. Ada beberapa sifat yang berbeda yang mendefinisikan asam dan basa selain apakah mereka dapat memberikan atau menerima ion hidrogen. Asam mengubah kertas lakmus biru menjadi merah, memiliki rasa asam, dan bereaksi dengan beberapa logam untuk membebaskan oksigen. Basa, di sisi lain, mengubah kertas lakmus merah menjadi biru, memiliki rasa pahit, dan sering memiliki perasaan licin. Kedua asam dan basa menghantarkan listrik. Biasanya, ketika asam dan basa direaksikan bersama-sama, mereka menghasilkan garam. Garam adalah produk netral reaksi asam-basa.. Ketika garam dilarutkan dalam air, mereka dikenal sebagai elektrolit dan mereka menghantarkan listrik. Ada beberapa klasifikasi yang berbeda dari garam, karena beberapa pelepasan ion hidroksida bila dilarutkan, beberapa pelepasan ion hidronium, dan beberapa tidak ada pelepasan. Ada berbagai macam reaksi asam-basa karena ada berbagai macam asam dan basa yang semuanya dapat bereaksi dalam jumlah yang berbeda. Reaksi asam basa merupakan reaksi kimia yang melibatkan reagen asam dan reagen basa yang menghasilkan air dan garam. Reagen asam yang dipakai dapat berupa asam kuat maupun asam lemah. Begitupun dengan reagen basa yang dipakai dapat berupa basa kuat dan basa lemah. Apabila asam kuat direaksikan dengan basa kuat maka akan menghasilkan garam netral, dengan pH = 7. Apabila asam kuat direaksikan dengan basa lemah maka akan menghasilkan garam dengan sifat asam. Apabila asam lemah direaksikan dengan basa kuat maka akan menghasilkan garam dengan sifat basa. Apabila asam lemah direaksikan dengan basa lemah maka akan menghasilkan garam dengan sifat yang tergantung pada nilai Ka maupun Kb. 2.3. Aplikasi Gaussview dan Gaussian 09W Gaussian adalah perangkat lunak atau program kimia komputasi yang dibuat pertama kali oleh Sir John A. Pople dan perangkat lunak paling populer saat ini. Nama dari perangkat lunak ini diambil dari penggunaan orbital Gaussian yang digunakan sebagai basis perhitungan komputer. Gaussian memiliki kemampuan untuk melakukan perhitungan kimia kuantum secara ab initio maupun semi empiris. Versi terakhir dari Gaussian adalah GAUSSIAN seri 03 (diambil dari dua angka terakhir tahun 2003) yang kemudian mengalami perbaikan dua kali, GAUSSIAN 03 c.01 dan GAUSSIAN 03 c.02. Hak cipta pertama GAUSSIAN dimiliki oleh Universitas Carnegie



Mellon dan saat ini berpindah tangan ke Gaussian Inc.. Berkat pengembangan GAUSSIAN dan beberapa teori yang dihasilkannya, Pople kemudian memperoleh penghargaan Nobel pada tahun 1998. Gaussian09W adalah program kimia komputasi yang dapat menghitung energi, berbagai sifat molekuler, optimasi geometri molekuler dan memprediksi sifat spektroskopis suatu sistem (misalnya UV-Vis, NMR, IR, EPR, Mossbauer, CD dan lain-lain). Menggunakana kombinasi berbagai metode komputasi, termasuk Density Functional Theory (DFT), Hartree-Fock (HF), juga post-HF, Semi-empirik dan pendekatan Mekanika Molekuler. Penggambaran struktur dari senyawa yang akan dikalkukasikan dan input data sebagai informasi yang mendukung pengkalkulasian menggunakan perangkat lunak GaussView. Dengan Gaussview kita dapat mengimpor atau membangun struktur molekul yang diinginkan, mengatur, mengontrol perhitungan Gaussian, dan mengambil dan melihat hasil perhitungannya tanpa meninggalkan aplikasi. Gaussview memberikan dukungan penuh untuk semua pemodelan dan fitur baru di Gaussian 09W. 2.4. Penerapan Pada Aplikasi Gaussian Target senyawa yang digunakan merupakan reaksi asam basa, dengan reaktan pada reaksi ini yaitu NaOH dan HCl yang akan menghasilkan produk garam NaCl dan air (H2O). Reaksi selengkapnya dapat dituliskan sebagai berikut : NaOH + HCl  [Na --- OH --- Cl]‡  NaCl + H2O Langkah pertama adalah membangun struktur molekul dari reaktan, produk, dan keadaan transisi. Struktur molekul dibuat menggunakan aplikasi Gaussview dengan model struktur ball and stick. model dari reaktan, produk, dan keadaan transisi yang telah dibuat dapat dilihat pada gambargambar di bawah ini.



(a)



(b)



(c) Gambar 2.4.1. Model ball and stick (a) reaktan, (b) keadaan transisi, dan (c) produk Setelah per-modelling-an selesai dilakukan, selanjutnya dilakukan pengkalkulasian data. Untuk mencari energi bebas Gibbs dari reaksi tersebut, job type yang digunakan adalah opt+freq, kemudian pada optimize to a klik TS(QST3).



Gambar 2.4.2. Tampilan penyetelan job type untuk kalkulasi molekul Kalkulasi dilakukan dengan metode ground state, basis set 3-21G, dan charge 0. Kemudian klik submit untuk kalkulasi. Setelah kalkulasi selesai dijalankan, simpan file dalam bentuk (.log).



Gambar 2.4.3. Tampilan penyetelan metode untuk kalkulasi molekul



Hasil kalkulasi didapatkan sebagai berikut : Zero-point correction = 0.026754 Hartree/Particle = 70.2426323508 kJ/mol Thermal correction to Energy = 0.031848 Hartree/Particle = 83.6169303696 kJ/mol Thermal correction to Enthalpy = 0.032792 Hartree/Particle = 86.0954025584 kJ/mol Thermal correction to Gibbs Free Energy = -0.001565 Hartree/Particle = -4.108907813 kJ/mol Sum of electronic and zero-point Energies = -693.853648 Hartree/Particle = -1821712.8915947296 kJ/mol Sum of electronic and thermal Energies = -693.848554 Hartree/Particle = -1821699.5172967108 kJ/mol Sum of electronic and thermal Enthalpies = -693.847610 Hartree/Particle = -1821697.038824522 kJ/mol Sum of electronic and thermal Free Energies = -693.881967 Hartree/Particle = -1821787.2431348935 kJ/mol



2.5. Perhitungan Energi Bebas Gibbs Nama Senyawa



ΔHf (kJ/mol)



ΔS(J/K.mol)



ΔGf (kJ/mol)



Reaktan Natrium Hidroksida (NaOH (aq))



--470.114



48.1



-419.15



Hidrogen Klorida (HCl (aq))



-167.159



56.5



-131.228



Produk Natrium Klorida (NaCl (aq))



-407.27



115.5



-393.133



Hidrogen Dioksida (H20 ( ))



-285.83



69.91



-237.129



Tabel 2.4.1 Data ΔHf, ΔS, dan ΔGf literatur -



Entalpi ΔH = ΔHfo Produk - ΔHfo Reaktan = (ΔHfo HCl + ΔHfo NaOH) – (ΔHfo NaCl + ΔHfo H2O) = [(-167.159 + (-470.114)) – (-407.27 + (-285.83))] kJ/mol = (-637.273 – (-693.1)) kJ/mol = 55.827 kJ/mol



-



Entropi ΔS = ΔSo Produk - ΔSo Reaktan = (ΔSo HCl + ΔSo NaOH) – (ΔSo NaCl + ΔSo H2O) = [(56.5 + 48.1) – (115.5 + 69.91)] J/K.mol = (104.6 - 185.41) J/K.mol = -80.81 J/K.mol



-



Energi Bebas ΔG = ΔH – TΔS = 55.827 kJ/mol – (298.15 K x -80.81 J/K.mol) = 55.827 kJ/mol – (24093.5015 J/mol) = 31.733 kJ/mol



BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan Gaussian adalah paket struktur elektronik tujuan umum untuk digunakan dalam kimia komputasi. Dapat memprediksi sifat-sifat molekul dan reaksi termasuk, energi dan struktur molekul, energi dan struktur keadaan transisi, frekuensi vibrasi, spektrum IR dan Raman, sifat termokimia, energi ikatan dan reaksi, jalur reaksi, orbital molekul, muatan atomik, momen multipole, Perisai NMR dan kerentanan magnetik, intensitas dichroism melingkar vibrasi, kedekatan elektron dan potensi ionisasi, polarizabilitas dan hyperpolarizabilities, dan potensi elektrostatik dan kerapatan elektron. GaussView adalah antarmuka pengguna grafis yang dirancang untuk digunakan dengan Gaussian untuk membuat perhitungan lebih mudah, lebih cepat dan lebih efisien. Energi bebas Gibbs didefinisikan sebagai perbedaan antara energy entalpi (H) dengan energy yang tidak digunakan untuk kerja berupa entropi (S) pada energy1212m12e absolut (T). ∆G =∆H — T∆S Reaksi asam-basa adalah reaksi kimia yang terjadi antara asam dan basa. Asam adalah zat yang ketika dilarutkan dalam air, memiliki aktivitas ion 12nergy1212 lebih besar daripada yang dilakukan air murni, sedangkan basa adalah zat yang, ketika dilarutkan dalam air, dapat menerima ion energy1212. Penerapan pada aplikasi Gaussian dilakukan dengan cara membangun struktur molekul dari reaktan, produk, dan keadaan transisi, Setelah per-modelling-an selesai dilakukan, selanjutnya dilakukan pengkalkulasian data untuk mencari energy bebas Gibbs dari reaksi tersebut dengan job type yang digunakan adalah opt+freq, kemudian pada optimize to a klik TS(QST3). Kalkulasi dilakukan dengan metode ground state, basis set 3-21G, dan charge 0. Kemudian klik submit untuk kalkulasi. Setelah kalkulasi selesai dijalankan, simpan file dalam bentuk (.log). 3.2 Saran 3.2.1. Memperdalam pemahaman penggunaan aplikasi Gaussian dan GaussView sehingga dalam pengerjaan tugas dapat dilakukan lebih efisien dan efektif. 3.2.2. Menggunakan data yang ada pada buku maupun jurnal dapat dipercaya penuh kebenarannya.



DAFTAR PUSTAKA Dogra,SK dan Dogra,S. (2009). Kimia Fisika dan Soal-Soal (Umar Mansyur.Trans). Jakarta: Penerbit Universitas Indonesia.