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

Transkripsi

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 PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007

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 PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007

3 Abstract Information about transition metal reaction is important to understand the catalytic processes. From this study, it can be concluded that chromium atom and dimer could react with F 2, H 2, dan O 2. CrH 2 and Cr 2 H 2 have lower reaction energy than CrF 2, Cr 2 F 2, CrO 2 and Cr 2 O 2. Manganese atom react only with F 2 and H 2 however its dimer react with F 2, H 2, and O 2. Both iron atom and dimer could react with F 2, N 2 and O 2. Iron atom or dimer compounds with oxygen gas have lower stabillization energy (0.55 and 2.69 ev) than chromium-o 2 or manganese-o 2 compounds and the stabillity increase from iron atom to dimer. All calculations were carried out using computational method with Density Fuctional Theory using G(d,p) basis set and B3LYP level theory. ii

4 Abstrak Pemahaman reaksi logam transisi sangat berguna untuk mengetahui peristiwa katalitik. Dari kajian ini disimpulkan bahwa atom dan dimer krom dapat bereaksi dengan F 2, H 2, dan O 2. Molekul CrH 2 dan Cr 2 H 2 mempunyai energi reaksi lebih rendah dari energi CrF 2, Cr 2 F 2, CrO 2 dan Cr 2 O 2. Atom mangan hanya bereaksi dengan gas F 2 dan H 2 dibanding dimer yang bereaksi dengan F 2, H 2, dan O 2. Atom dan dimer besi dapat bereaksi dengan F 2, N 2, dan O 2. Atom dan dimer besi kurang stabil dalam bereaksi dengan gas oksigen (0,55 dan 2,69 ev) dibanding krom atau mangan tetapi terdapat peningkatan kestabilan dari atom ke dimer besi. Perhitungan menggunakan metode komputasi dengan Teori Fungsional Kerapatan dengan himpunan basis G(d,p) dan tingkat teori B3LYP. iii

5 Program Studi Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung Menerangkan bahwa Skripsi yang disusun oleh : Nama : Berlin Wijaya NIM : telah disetujui sebagai persyaratan untuk mendapatkan gelar Sarjana Kimia Bandung, Pembimbing Dr. Muhamad A. Martoprawiro NIP iv

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... Ibunda dan Ayahanda tercinta v

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 dan rileks-comlabs atas kesediaannya menanggapi pertanyaan saya. vi

8 Teman-teman angkatan 1998, 1999, 2000, 2001, dan 2002, 2003 yang tidak mungkin disebutkan satu per satu. Teman-teman Tim Data SPMB Akhir kata, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik untuk perbaikan di masa yang akan datang. Bandung, Juni 2007 Penulis vii

9 Daftar Isi Abstract... ii Abstrak... iii Ucapan Terimakasih... vi Daftar Isi... viii Daftar Tabel... xi Daftar Gambar... xiii Daftar Lampiran... xv 1 Pendahuluan Teori Kimia Komputasi Metode Struktur Elektron Postulat dalam Mekanika Kuantum Fungsi Gelombang Metode ab-initio Hampiran Bohn-Oppenheimer Hampiran Hartree Kelemahan Hampiran Hartree Prinsip Variasi Teori Fungsional Kerapatan Model Thomas-Fermi Teorema Hohenberg-Kohn Metode Kohn-Sham viii

10 2.5 Fungsi Basis dan Himpunan Basis Fungsi Basis Himpunan Basis Implementasi Optimasi Struktur Perhitungan Energi Satu Titik (Single Point Calculation) Perhitungan Frekuensi Pemodelan Struktur Keadaan Transisi Percobaan Metode Perhitungan Pemilihan Metode Optimasi Geometri Perhitungan Energi Satu Titik Analisis Ikatan Hasil dan Pembahasan Pemilihan Metode dan Himpunan Basis Reaksi Krom Analisa Natural Bonding Orbital (NBO) CrF CrH CrO Cr 2 F Cr 2 H Cr 2 O Reaksi Mangan Analisa NBO dari Hasil Reaksi Mangan MnF MnH ix

11 4.5.3 Mn 2 F Mn 2 H Mn 2 O Reaksi Besi Analisa NBO dari Hasil Reaksi Besi FeF FeN FeO Fe 2 F Fe 2 N Fe 2 O Kesimpulan dan Saran Daftar Pustaka Lampiran A Contoh Berkas Masukan Program Gaussian Lampiran B Struktur Optimum Molekul dalam Z-Matriks x

12 Daftar Tabel Tabel 1.1 Konfigurasi elektron atom krom dan energi relatif terhadap keadaan dasar Tabel 1.2 Data eksperimen serta hasil sejumlah perhitungan molekul Cr 2, Mn 2, dan Fe Tabel 1.3 Hasil perhitungan Cr 2 dan Mn 2 dengan LSDA dan GGA 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 Tabel 4.2 Reaksi logam Krom dengan gas F 2, H 2, N 2, dan O 2 serta energi pembentukan. 35 Tabel 4.3 Data jarak (r e ), sudut, sudut dihedral dan frekuensi (ω e ) dari produk reaksi Tabel 4.4 Konfigurasi elektron reaktan dan produk dari reaksi pembentukan CrF Tabel 4.5 Hibridisasi dari orbital ikatan pada CrH Tabel 4.6 Hibridisasi dari orbital ikatan pada CrO Tabel 4.7 Hibridisasi dari orbital ikatan pada Cr 2 F Tabel 4.8 Hibridisasi dari orbital ikatan pada Cr 2 H Tabel 4.9 Hibridsasi dari orbital ikatan pada Cr 2 O Tabel 4.10 Reaksi logam mangan dengan gas F 2, H 2, N 2, dan O 2 serta energi pembentukan Tabel 4.11 Data jarak (r e ), sudut, sudut dihedral dan frekuensi (ω e ) dari molekul mangan. 47 Tabel 4.12 Konfigurasi elektron reaktan dan produk dari reaksi pembentukan MnF Tabel 4.13 Hibridisasi dari orbital ikatan pada MnH Tabel 4.14 Hibridisasi dari orbital ikatan pada MnH Tabel 4.15 Hibridisasi dari orbital ikatan pada Mn 2 H Tabel 4.16 Hibridisasi dari orbital ikatan pada Mn 2 O Tabel 4.17 Reaksi logam Besi dengan gas F 2, H 2, N 2, dan O 2 serta energi pembentukan xi

13 Tabel 4.18 Data jarak (r e ), sudut, sudut dihedral dan frekuensi (ω e ) dari molekul besi Tabel 4.19 Konfigurasi elektron reaktan dan produk dari reaksi pembentukan FeF Tabel 4.20 Hibridisasi dari orbital ikatan pada FeN Tabel 4.21 Hibridisasi dari orbital ikatan pada FeO Tabel 4.22 Hibridisasi dari orbital ikatan pada Fe 2 F Tabel 4.23 Hibridisasi dari orbital ikatan pada Fe 2 N Tabel 4.24 Hibridisasi dari orbital ikatan pada Fe 2 O xii

14 Daftar Gambar Gambar 2.1 Diagram alir pada kimia komputasi kuantum dan pengukuran kimia konvensional Gambar 2.2 Interaksi elektron elektron dan elektron inti pada atom Helium Gambar 2.3 Interaksi elektron k dengan elektron bukan k dan interaksi elektron k dengan kerapatan elektron atom Gambar 2.4 Perbandingan antara orbital 1s tipe Slater dan tipe Gaussian Gambar 2.5 Kombinasi linear dari tiga fungsi basis Gaussian membentuk satu fungsi basis Slater Gambar 3.1 Diagram alir perhitungan penentuan struktur stabil Gambar 4.1 Tingkat energi orbital ikatan molekul CrH Gambar 4.2 Tingkat energi orbital ikatan molekul CrO Gambar 4.3 Tingkat energi orbital ikatan molekul Cr 2 F Gambar 4.4 Tingkat energi orbital ikatan molekul Cr 2 H Gambar 4.5 Tingkat energi orbital ikatan molekul Cr 2 O Gambar 4.6 Tingkat energi orbital ikatan molekul MnH Gambar 4.7 Tingkat energi orbital ikatan molekul Mn 2 F Gambar 4.8 Tingkat energi orbital ikatan molekul Mn 2 H Gambar 4.9 Tingkat energi orbital ikatan molekul Mn 2 O Gambar 4.10 Tingkat energi orbital ikatan molekul FeN Gambar 4.11 Tingkat energi orbital ikatan molekul FeO Gambar 4.12 Tingkat energi orbital ikatan molekul Fe 2 F Gambar 4.13 Tingkat energi orbital ikatan molekul Fe 2 N xiii

15 Gambar 4.14 Tingkat energi orbital ikatan molekul Fe 2 O xiv

16 Daftar Lampiran Lampiran A.1 Optimasi Geometri Lampiran A.2 Perhitungan energi satu titik Lampiran A.3 Perhitungan frequensi Lampiran A.4 Perhitungan NBO Lampiran A.5 Meningkatkan Iterasi Lampiran A.6 Meningkatkan Konvergensi Lampiran B.1 Molekul CrF 2 (multiplisitas 5) Lampiran B.2 Molekul CrH 2 (multiplisitas 5) Lampiran B.3 Molekul CrO 2 (multiplisitas 1) Lampiran B.4 Molekul Cr 2 (multiplisitas 7) Lampiran B.5 Molekul Cr 2 F 2 (multiplisitas 9) Lampiran B.6 Molekul Cr 2 H 2 (multiplisitas 3) Lampiran B.7 Molekul Cr 2 O 2 (multiplisitas 9) Lampiran B.8 Molekul MnF 2 (multiplisistas 6) Lampiran B.9 Molekul MnH 2 (multiplisitas 6) Lampiran B.10 Molekul Mn 2 (multiplisitas 9) Lampiran B.11 Molekul Mn 2 F 2 (multiplisitas 7) Lampiran B.12 Molekul Mn 2 H 2 (multiplisitas 7) Lampiran B.13 Molekul Mn 2 O 2 (multiplisitas 7) Lampiran B.14 Molekul FeN 2 (multiplisitas 3) Lampiran B.15 Molekul FeO 2 (multiplisitas 3) Lampiran B.16 Molekul Fe 2 (multiplisitas 7) xv

17 Lampiran B.17 Molekul Fe 2 F 2 (multiplisitas 9) Lampiran B.18 Molekul Fe 2 N 2 (multiplisitas 7) Lampiran B.19 Molekul Fe 2 O 2 (multiplisitas 7) xvi