UTS Kimia Komputasi Lanjut - Ayu Dewi Lestari - 20307141063 [PDF]

Citation preview

UNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA FAKULTAS MIPA JURUSAN PENDIDIKAN KIMIA SOAL UJIAN TENGAH SEMESTER GANJIL 2021/2022 Nama Mata Kuliah Kode Mata Kuliah Prodi/Kelas Semester



: : : :



Kimia Komputasi Lanjut KIM6228 Kimia/E/B/F 5



Pengampu Hari/Tanggal Ujian Jam Ujian Ruang Ujian



: : : :



Dr. Suwardi, M.Si Kamis, 28-10-2021 07.30-13.00 Daring (online)



Nama : Ayu Dewi Lestari NIM : 20307141063 Kelas : Kimia E 1. Kimia komputasi. a) Berikan pengertian dari kimia komputasi! ; b) Apa saja macammacam pertanyaan yang dapat dijawab melalui kimia komputasi (misalkan, bagaimana geomteri suatu molekul?, coba cari pertanyaan yang lain!; c) sebutkan nama alat (tool) utama yang diperlukan ahli kimia komputasi, jelaskan sedikit saja karakteristik setiap tool tersebut! d) Yang mana metode (tool) kimia komputasi yang paling cepat dan paling lambat?; e) Mengapa kimia komputasi bermanfaat dalam industri?; f) Apa batasan macam molekul yang dapat diselesaikan melalui persamaan Schrodinger secara eksak?; g) Apa keuntungan kimia komputasi dibandingkan dengan kimia basah (wet chemistry)?; h) Mengapa kimia komputasi tidak dapat menggantikan kimia basah?; i) Sifat-sifat molekul yang sering dihitung adalah geometri, energi dan spectra. Mengapa lebih sulit untuk menghitung sifat yang sederhana seperti titik leleh dan rapatan? Petunjuk: adakah perbedaan molekul X dan zat X? Jawab : a) Kimia Komputasi adalah cabang ilmu kimia yang menggunakan teori kimia (kimia kuantum) yang diterjemahkan ke dalam program komputer (komputasi) untuk menghitung sifat – sifat molekul dan perubahannya maupun melakukan simulasi terhadap sistem – sistem bedar dan menerapkan program tersebut dalam sistem kimia nyata. b) Kimia Komputasi dapat memprediksi : 1. Bentuk-bentuk geometri molekul, dimana panjang ikatan, sudut ikatan serta



dihedral dari suatu unsur yang berikatan dapat diketahui. 2. Energi molekul dan keadaan transisi, dimana prediksi ini dapat mengetahui isomer yang paling sesuai/ lebih nyaman (favour) terbentuk pada kesetimbangan. 3. Reaktivitas Kimia, mampu memprediksi kemampuan reagen untuk menyerang suatu molekul dengan mengetahui letak elektron terkonsentrasi (situs nukleofilik) dan dimana electron tersebut akan menuju (situs elektrofilik) 4. Spektra IR,UV dan NMR, dengan spektra IR hanya mengalami vibrasi karena tidak ada transisi elektronik. Spektra UV mengalami transisi elektronik.Spektra NMR didasarkan pada medan magnet yang berasal dari spin inti atom yang bermuatan listrik. 5. Interaksi zat dengan enzim yang dapat mengetahui apakah suatu molekul dapat mengepaskan (fit) ke dalam situs aktif enzim yang dapat berguna untuk melakukan pendekatan dalam merancang obat supaya lebih baik. 6. Sifat fisis zat, dapat mengetahui sifat molekul individual beserta bagaimana interaksinya. c) Alat (tool) utama yang diperlukan ahli kimia komputasi 1. Mekanika Molekul (MM) Hukum Hook bertindak sebagai dasar dari MM yang menganggap bahwa molekul yang berikatan bersama melalui pegas. Metode ini berlangsung dengan cepat dan dapat menghitung geometri dan energy molekul sangat besar namun tidak dapat memberikan informasi seputar sifat elektroniknya. 2. Ab Initio Didasarkan pada persamaan schrÖdinger yang menghasilkan fungsi gelombang dan energy dari molekul tersebut yang akan digunakan untuk menghitung distribusi electron sehingga dapat diperoleh informasi mengenai seberapa polar molekul dan letak molekul yang dapat dituju nukleofilik dan elektrofilik. Metode ini berlangsung dengan lambat dan digunakan untuk menghitung molekul-molekul besar seperti steroid dll. 3. Semiempiris



Berdasarkan persamaan schrÖdinger dengan menemukan fitting terbaik dari berbagai entitas terhitung seperti geometri atau energy (panas pembentukan) terhadap harga eksperimental sehingga metode ini merupakan campuran antara teori dan eksperimen. Perhitungan semiempiris cenderung lebih lambat dari MM tetapi lebih cepat dari perhitungan ab initio. 4. DFT (density functional theory) Berdasarkan pada persamaan schrÖdinger tetapi tidak menghitung fungsi gelombangnya melainkan menurunkan distribusi elektron (electron density function). Perhitungan ini berlangsung lebih cepat dari pada SE 5. Dinamika Molekul Didasarkan



pada



hukum



gerak



ke



molekul



dengan



pengujian



kebergantungan waktu pada molekul seperti gerak vibrasional atau gerak Brownian yang sering diselesaikan dengan penjelasan mekanika klasik yang hampir sama dengan perhitungan pada mekanika molecular. Metode ini menggambarkan struktur, sifat termodinamika dan sifat dinamis sistem pada fasa terkondensasi d)



Metode (tool) kimia komputasi yang paling cepat ialah MM (Mekanika Molekul) dan paling lambat adalah ab initio



e)



Kimia Komputasi sangat berguna bagi berbagai industry karena dengan kimia komputasi kita akan mengetahui sifat dari suatu material yang diperlukan bagi proses produksi, optimasi proses yang sedang berjalan, peningkatan efisiensi energy, penyempurnaan mekanisme reaksi hingga peningkatan produksi dengan tetap memperhatikan bidang kesehatan, keselamatan serta lingkungan hidup yang ada.



f) Persamaan schrÖdinger tidak mampu diselesaikan secara eksak untuk molekul dengan jumlah elektron lebih dari satu g) Kelebihan yang dimiliki kimia komputasi yakni untuk menghasilkan informasi yang tidak dapat diterangkan melalui eksperimen “kimia basah”, misalnya penentuan keadaan transisi suatu reaksi dimana keadaan ini berlangsung secara cepat dan hanya berupa hipotesis. Namun, dalam kimia komputasi keadaan transisi tidak hanya sebagai hipotesis, tetapi juga dapat diketahui energinya, bentuk strukturnya hingga optimalisasi reaksi, sehingga hasil yang diperoleh dapat sesuai dengan maksimal. Selain itu, kimia



komputasi juga digunakan untuk memperkuat teori yang telah diperoleh dari hasil eksperimen h) Kimia komputasi dilakukan melalui pendekatan teoritis dan persamaan matematis yang kemudian diwujudkan dalam bentuk algoritma dalam software untuk kemudian digunakan dalam menyelesaikan permasalahan yang sukar dijelaskan oleh “kimia basah” atau eksperimen serta menemukan kemungkinan-kemungkinan hasil reaksi yang optimal sehingga pada hakikatnya kimia komputasi tidak bertujuan untuk menggantikan eksperimen karena tidak akan ada suatu produk tanpa dilakukan eksperimen. 2. Permukaan Energi Potensial (PES). a) Berikan pengertian dari Permukaan Energi potensial (PES) dan buatlah sketsa E vs Jarak; b) Apakah perbedaan PES relaksasi dan rigid?; c) Apakah titik stasioner itu?; d) sebutkan macam-macam titik stasioner tersebut dan apa perbedaannya?; e) Apakah optimasi geometri itu? Mengapa proses ini untuk keadaan transisi (sering disebut optimasi keadaan transisi) lebih sulit daripada untuk minimum? a) Hubungan matematis yang mengkaitkan struktur molekul dan energi resultannya.



b) PES relaksasi : mengoptimalkan parsial pada setiap titik pemindaian, membekukan koordinat pemindaian dan mengoptimalkan lainnya. PES rigid : mengambil struktur geometris dan membekukan semua koordinat ditempat nya kecuali pada koordinat tertentu yang sedang digunakan. c) Titik turunan pertama dari energi potensial terhadap setiap parameter geometris adalah nol.



d) Minima



: titik terbawah dari daerah tertentu dalam potensial surface/global



minimum Maxima



: bagian maksimum dari semua arah



Saddle Point : titik minimum dalam satu arah dan local maksimum dari arah lain Stationary Point : titik pada gaya bernilai nol. a) Langkah penentuan keseimbangan yaitu dengan mencari bentuk geometri yang terkait dengan energi single point yang paling rendah. Proses ini lebih sulit karena optimasi geometri dapat digunakan untuk mencari geometri keadaan transisi dengan jalan meminimalisasi energi pada selubung ruang koordinat PES. 3. Himpunan basis (basis sets). a) Berikan pengertian dari basis sets!; b) Apa perbedaan basis sets tipe Slater dan Gaussian (STO dan GTO)?; c) sebutkan macam-macam basis sets dan berikan masing-masing sebuah contoh!; d) Apakah ada pengaruh ukuran basis setsterhadap keakuratan dalam perhitungan energi? Jawab : Fungsi matematika yang digunakan untuk menyusun gugus orbit suatu molekul yang disusun dalam kombinasi linier dengan menyertakan nilai koefisien didalamnya. a. Basis jenis orbital Slater (STO) merupakan himpunan merupakan jenis orbital untuk menghitung muatan inti pada atom dengan perhitungannya yang merupakan solusi eksak dari persamaan Schrodinger sehingga memberikan hasil yang akurat namun perhitungan untuk integral overlapnya sulit untuk dilakukan sedangkan untuk basis jenis orbital Gaussian (GTO) lebih disukai karena overlap integral pada fungsi ini secara matematis lebih mudah dihitung namun tipe ini tidak dapat mendeskripsikan secara akurat perilaku elektron saat berada sangat dekat ataupun jauh dari inti karena adanya perbedaan secara fundamental pada definisi dan perilaku fungsi pada limit kondisi ektrim. b. Terdapat dua jenus basis set yakni basis set minimum dan basis set untuk elektron valensi terpisah. Basis set minimum (STO-nG) merupakan basis set terkecil dengan nilai n yang merupakan bilangan bulan dan menyatakan jumlah fungsi Gaussian yang digunakan , contoh : STO-3G, STO-4G, STO-6G, STO-3G* (versi terpolarisasi dari STO-3G). Basis set untuk elektron valensi terpisah digunakan untuk memberikan penekanan lebih untuk menghitung konfigurasi elektron pada valensinya, contoh : 3-



21g, 3-21g* (fungsi terpolarisasi), 3-21+g (fungsi terdifusi), 6-31g dll. c. Basis set minimal



: STO – 36



Split Valance Basis Set



: G – 31 G dan 3 – 21 G



High Angular Momentum Basis Set



: G – 31 G (2d)



d. Semakin besar basis set maka akan lebih akurat dalam mendeskripsikan orbital. Hal ini dikarenakan elektron yang lebih leluasa bergerak dan tidak terbatas pada suatu ruang tertentu. 4. Jelaskan salah satu metode kimia komputasi yaitu mekanika molekul (medan gaya) dalam hal pengertiannya (fungsi energi potensialnya), keunggulannya dibanding metode mekanika kuantum serta penerapannya dalam komputasi! Jawab : Mekanika Molekul merupakan aplikasi mekanika klasik pada molekul dimana atom-atom dianggap sebagai bola bermassa dengan massa yang bergantung pada inti atom pembentuknya serta ikatannya dianggap sebagai pegas yang menghubungkan antara atomatom-atom dalam molekul. Konstanta pegasnya bergantung pada jenis-jenis atom yang berikatan sehingga ikatannya dapat berupa tunggal, dobel dan tripel. Konstanta pegas ini juga dapat digunakan untuk memodelkan perubahan sudut ikatan, sudut dihedral dll yang mana konstanta ini berbeda-beda tergantung jenis pegasnya. Pada metode mekanika molekul ini digunakan gaya coulomb dalam mengungkapkan interaksi elektrostatis dalam molekul. Energi potensial suatu molekul dalam metode mekanika molekul diungkapkan sebagai penjumlahan dari semua jenis energi potensial yang memungkinkan V =Vstr +V +VvdW +Ves +V Dimana Vstr menyatakan energi potensial bond stretching, V menyatakan energi potensial bond bending, VvdW menyatakan energi potensial van der waals yang merupakan penjumlahan interaksi antara atom yang tak berikatan, Ves menyatakan energi potensial elektrostatik dalam molekul dan V menyatakan energi potensial rotasi internal. Parameter energi potensial dipilih sedemikian rupa supaya memberikan fitting yang baik dalah hal geometri, energi, dan spektrum vibrasi bagi molekul-molekul kecil. Keunggulan pada metode mekanika molekul ini dapat menghitung molekul besar seperti molekulmolekul organik biasanya hanya dalam waktu singkat atau beberapa detik saja, sedangkan pada mekanika kuantum hanya dapat diterapkan pada partikel dalam kotak maupun atom



dengan elektron tunggal sehingga mekanika kuantum sulit untuk diterapkan pada sistem makroskopis dan molekul besar. 5. Jelaskan pengertian tentang metode dinamika molekul dan berikan sebuah contoh aplikasinya dalam kimia? Jawab : Metode Dinamika Molekuler merupakan suatu metode simulasi yang memungkinkan untuk merepresentasikan interaksi molekul-molekul atom dalam jangka waktu tertentu yang didasari oleh persamaan hukum newton dan hukum mekanika klasik. Perhitungan dinamika molekuler menerapkan hukum gerak ke molekul sehingga metode ini dapat digunakan untuk mensimulasi gerak sebuah enzim selagi berubah bentuk pada pengikatan ke substrat atau gerak kerumunan (swarm) molekul air di sekitar molekul solute.