REAKSI Cr, Cr2, Mn, Mn2, Fe, DAN Fe2 DENGAN F2, H2, N2, DAN O2

REAKSI Cr, Cr2, Mn, Mn2, Fe, DAN Fe2 DENGAN F2, H2, N2,
DAN O2 : KAJIAN TEORI FUNGSIONAL KERAPATAN
SKRIPSI
BERLIN WIJAYA
10500017
PROGRAM STUDI KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2007
REAKSI Cr, Cr2, Mn, Mn2, Fe, DAN Fe2 DENGAN F2, H2, N2,
DAN O2 : KAJIAN TEORI FUNGSIONAL KERAPATAN
REACTION OF Cr, Cr2, Mn, Mn2, Fe, AND Fe2 WITH F2, H2, N2,
AND O2 : A DENSITY FUNCTIONAL THEORY STUDY
SKRIPSI
BERLIN WIJAYA
10500017
PROGRAM STUDI KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2007
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 F2, H2, dan O2. CrH2 and Cr2H2 have lower reaction energy than CrF2, Cr2F2, CrO2 and
Cr2O2. Manganese atom react only with F2 and H2 however its dimer react with F2, H2, and
O2. Both iron atom and dimer could react with F2, N2 and O2. Iron atom or dimer compounds
with oxygen gas have lower stabillization energy (0.55 and 2.69 eV) than chromium-O2 or
manganese-O2 compounds and the stabillity increase from iron atom to dimer. All
calculations were carried out using computational method with Density Fuctional Theory
using 6-311+G(d,p) basis set and B3LYP level theory.
ii
Abstrak
Pemahaman reaksi logam transisi sangat berguna untuk mengetahui peristiwa katalitik. Dari
kajian ini disimpulkan bahwa atom dan dimer krom dapat bereaksi dengan F2, H2, dan O2.
Molekul CrH2 dan Cr2H2 mempunyai energi reaksi lebih rendah dari energi CrF2, Cr2F2,
CrO2 dan Cr2O2. Atom mangan hanya bereaksi dengan gas F2 dan H2 dibanding dimer yang
bereaksi dengan F2, H2, dan O2. Atom dan dimer besi dapat bereaksi dengan F2, N2, dan O2.
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 6-311+G(d,p) dan tingkat teori B3LYP.
iii
Program Studi Kimia
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Teknologi Bandung
Menerangkan bahwa Skripsi yang disusun oleh :
Nama : Berlin Wijaya
NIM
: 10500017
telah disetujui sebagai persyaratan untuk mendapatkan gelar
Sarjana Kimia
Bandung, _____________________
Pembimbing
Dr. Muhamad A. Martoprawiro
NIP. 131803273
iv
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
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
•
Teman-teman angkatan 1998, 1999, 2000, 2001, dan 2002, 2003 yang tidak
mungkin disebutkan satu per satu.
•
Teman-teman Tim Data SPMB 2006.
Akhir kata, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik untuk perbaikan di masa yang
akan datang.
Bandung, Juni 2007
Penulis
vii
Daftar Isi
Abstract ................................................................................................................................. ii
Abstrak
................................................................................................................................ iii
Ucapan Terimakasih ............................................................................................................... vi
Daftar Isi .............................................................................................................................. viii
Daftar Tabel ............................................................................................................................ xi
Daftar Gambar ...................................................................................................................... xiii
Daftar Lampiran..................................................................................................................... xv
1
Pendahuluan............................................................................................................. 1
2
Teori ........................................................................................................................ 5
2.1
Kimia Komputasi..................................................................................................... 5
2.2
Metode Struktur Elektron ........................................................................................ 6
2.2.1
Postulat dalam Mekanika Kuantum......................................................................... 7
2.2.2
Fungsi Gelombang................................................................................................... 9
2.3
Metode ab-initio .................................................................................................... 12
2.3.1
Hampiran Bohn-Oppenheimer............................................................................... 14
2.3.2
Hampiran Hartree .................................................................................................. 15
2.3.3
Kelemahan Hampiran Hartree ............................................................................... 16
2.3.4
Prinsip Variasi ....................................................................................................... 17
2.4
Teori Fungsional Kerapatan .................................................................................. 18
2.4.1
Model Thomas-Fermi ............................................................................................ 19
2.4.2
Teorema Hohenberg-Kohn .................................................................................... 19
2.4.3
Metode Kohn-Sham............................................................................................... 20
viii
2.5
Fungsi Basis dan Himpunan Basis ........................................................................ 24
2.5.1
Fungsi Basis........................................................................................................... 24
2.5.2
Himpunan Basis..................................................................................................... 26
2.6
Implementasi ......................................................................................................... 28
2.6.1
Optimasi Struktur .................................................................................................. 28
2.6.2
Perhitungan Energi Satu Titik (Single Point Calculation) .................................... 28
2.6.3
Perhitungan Frekuensi ........................................................................................... 29
2.6.4
Pemodelan Struktur Keadaan Transisi................................................................... 29
3
Percobaan............................................................................................................... 31
3.1
Metode Perhitungan............................................................................................... 31
3.2
Pemilihan Metode.................................................................................................. 32
3.2.1
Optimasi Geometri ................................................................................................ 32
3.2.2
Perhitungan Energi Satu Titik ............................................................................... 33
3.2.3
Analisis Ikatan ....................................................................................................... 33
4
Hasil dan Pembahasan ........................................................................................... 34
4.1
Pemilihan Metode dan Himpunan Basis................................................................ 34
4.2
Reaksi Krom .......................................................................................................... 34
4.3
Analisa Natural Bonding Orbital (NBO) .............................................................. 36
4.3.1
CrF2 ........................................................................................................................ 37
4.3.2
CrH2 ....................................................................................................................... 37
4.3.3
CrO2 ....................................................................................................................... 39
4.3.4
Cr2F2 ...................................................................................................................... 40
4.3.5
Cr2H2 ...................................................................................................................... 42
4.3.6
Cr2O2 ...................................................................................................................... 44
4.4
Reaksi Mangan ...................................................................................................... 46
4.5
Analisa NBO dari Hasil Reaksi Mangan ............................................................... 47
4.5.1
MnF2 ...................................................................................................................... 47
4.5.2
MnH2 ..................................................................................................................... 48
ix
4.5.3
Mn2F2 ..................................................................................................................... 49
4.5.4
Mn2H2 .................................................................................................................... 50
4.5.5
Mn2O2 .................................................................................................................... 52
4.6
Reaksi Besi ............................................................................................................ 55
4.7
Analisa NBO dari Hasil Reaksi Besi ..................................................................... 56
4.7.1
FeF2 ........................................................................................................................ 56
4.7.2
FeN2 ....................................................................................................................... 57
4.7.3
FeO2 ....................................................................................................................... 58
4.7.4
Fe2F2 ...................................................................................................................... 60
4.7.5
Fe2N2 ...................................................................................................................... 61
4.7.6
Fe2O2 ...................................................................................................................... 64
5
Kesimpulan dan Saran ........................................................................................... 66
Daftar Pustaka........................................................................................................................ 67
Lampiran A
Contoh Berkas Masukan Program Gaussian98............................................ 69
Lampiran B
Struktur Optimum Molekul dalam Z-Matriks.............................................. 73
x
Daftar Tabel
Tabel 1.1
Konfigurasi elektron atom krom dan energi relatif terhadap keadaan dasar. ....... 1
Tabel 1.2
Data eksperimen serta hasil sejumlah perhitungan molekul Cr2, Mn2, dan Fe2 ... 3
Tabel 1.3
Hasil perhitungan Cr2 dan Mn2 dengan LSDA dan GGA. ................................... 4
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 7. . 35
Tabel 4.2
Reaksi logam Krom dengan gas F2, H2, N2, dan O2 serta energi pembentukan. 35
Tabel 4.3
Data jarak (re), sudut, sudut dihedral dan frekuensi (ωe) dari produk reaksi...... 36
Tabel 4.4
Konfigurasi elektron reaktan dan produk dari reaksi pembentukan CrF2. ......... 37
Tabel 4.5
Hibridisasi dari orbital ikatan pada CrH2. .......................................................... 38
Tabel 4.6
Hibridisasi dari orbital ikatan pada CrO2. .......................................................... 40
Tabel 4.7
Hibridisasi dari orbital ikatan pada Cr2F2........................................................... 41
Tabel 4.8
Hibridisasi dari orbital ikatan pada Cr2H2. ......................................................... 43
Tabel 4.9
Hibridsasi dari orbital ikatan pada Cr2O2. .......................................................... 45
Tabel 4.10 Reaksi logam mangan dengan gas F2, H2, N2, dan O2 serta energi pembentukan. .
............................................................................................................................ 46
Tabel 4.11 Data jarak (re), sudut, sudut dihedral dan frekuensi (ωe) dari molekul mangan. 47
Tabel 4.12 Konfigurasi elektron reaktan dan produk dari reaksi pembentukan MnF2......... 48
Tabel 4.13 Hibridisasi dari orbital ikatan pada MnH2.......................................................... 49
Tabel 4.14 Hibridisasi dari orbital ikatan pada MnH2.......................................................... 50
Tabel 4.15 Hibridisasi dari orbital ikatan pada Mn2H2......................................................... 52
Tabel 4.16 Hibridisasi dari orbital ikatan pada Mn2O2......................................................... 54
Tabel 4.17 Reaksi logam Besi dengan gas F2, H2, N2, dan O2 serta energi pembentukan.... 55
xi
Tabel 4.18 Data jarak (re), sudut, sudut dihedral dan frekuensi (ωe) dari molekul besi. ...... 56
Tabel 4.19 Konfigurasi elektron reaktan dan produk dari reaksi pembentukan FeF2. ......... 56
Tabel 4.20 Hibridisasi dari orbital ikatan pada FeN2. .......................................................... 59
Tabel 4.21 Hibridisasi dari orbital ikatan pada FeO2. .......................................................... 58
Tabel 4.22 Hibridisasi dari orbital ikatan pada Fe2F2........................................................... 61
Tabel 4.23 Hibridisasi dari orbital ikatan pada Fe2N2. ......................................................... 63
Tabel 4.24 Hibridisasi dari orbital ikatan pada Fe2O2. ......................................................... 65
xii
Daftar Gambar
Gambar 2.1
Diagram alir pada kimia komputasi kuantum dan pengukuran kimia
konvensional. .................................................................................................... 6
Gambar 2.2
Interaksi elektron – elektron dan elektron – inti pada atom Helium ............... 13
Gambar 2.3
Interaksi elektron k dengan elektron bukan k dan interaksi elektron k dengan
kerapatan elektron atom. ................................................................................ 15
Gambar 2.4
Perbandingan antara orbital 1s tipe Slater dan tipe Gaussian. ........................ 25
Gambar 2.5
Kombinasi linear dari tiga fungsi basis Gaussian membentuk satu fungsi basis
Slater. .............................................................................................................. 26
Gambar 3.1
Diagram alir perhitungan penentuan struktur stabil. ....................................... 32
Gambar 4.1
Tingkat energi orbital ikatan molekul CrH2. ................................................... 38
Gambar 4.2
Tingkat energi orbital ikatan molekul CrO2. ................................................... 39
Gambar 4.3
Tingkat energi orbital ikatan molekul Cr2F2. .................................................. 41
Gambar 4.4
Tingkat energi orbital ikatan molekul Cr2H2................................................... 42
Gambar 4.5
Tingkat energi orbital ikatan molekul Cr2O2................................................... 44
Gambar 4.6
Tingkat energi orbital ikatan molekul MnH2. ................................................. 48
Gambar 4.7
Tingkat energi orbital ikatan molekul Mn2F2.................................................. 49
Gambar 4.8
Tingkat energi orbital ikatan molekul Mn2H2. ................................................ 51
Gambar 4.9
Tingkat energi orbital ikatan molekul Mn2O2. ................................................ 53
Gambar 4.10 Tingkat energi orbital ikatan molekul FeN2. ................................................... 57
Gambar 4.11 Tingkat energi orbital ikatan molekul FeO2. ................................................... 59
Gambar 4.12 Tingkat energi orbital ikatan molekul Fe2F2. .................................................. 60
Gambar 4.13 Tingkat energi orbital ikatan molekul Fe2N2................................................... 62
xiii
Gambar 4.14 Tingkat energi orbital ikatan molekul Fe2O2................................................... 64
xiv
Daftar Lampiran
Lampiran A.1 Optimasi Geometri....................................................................................... 69
Lampiran A.2 Perhitungan energi satu titik ........................................................................ 69
Lampiran A.3 Perhitungan frequensi .................................................................................. 70
Lampiran A.4 Perhitungan NBO......................................................................................... 70
Lampiran A.5 Meningkatkan Iterasi ................................................................................... 71
Lampiran A.6 Meningkatkan Konvergensi ......................................................................... 71
Lampiran B.1 Molekul CrF2 (multiplisitas 5) ..................................................................... 73
Lampiran B.2 Molekul CrH2 (multiplisitas 5) .................................................................... 73
Lampiran B.3 Molekul CrO2 (multiplisitas 1) .................................................................... 73
Lampiran B.4 Molekul Cr2 (multiplisitas 7) ....................................................................... 74
Lampiran B.5 Molekul Cr2F2 (multiplisitas 9).................................................................... 74
Lampiran B.6 Molekul Cr2H2 (multiplisitas 3) ................................................................... 74
Lampiran B.7 Molekul Cr2O2 (multiplisitas 9) ................................................................... 74
Lampiran B.8 Molekul MnF2 (multiplisistas 6) .................................................................. 75
Lampiran B.9 Molekul MnH2 (multiplisitas 6)................................................................... 75
Lampiran B.10 Molekul Mn2 (multiplisitas 9)...................................................................... 75
Lampiran B.11 Molekul Mn2F2 (multiplisitas 7) .................................................................. 75
Lampiran B.12 Molekul Mn2H2 (multiplisitas 7).................................................................. 76
Lampiran B.13 Molekul Mn2O2 (multiplisitas 7).................................................................. 76
Lampiran B.14 Molekul FeN2 (multiplisitas 3) .................................................................... 76
Lampiran B.15 Molekul FeO2 (multiplisitas 3) .................................................................... 76
Lampiran B.16 Molekul Fe2 (multiplisitas 7) ....................................................................... 77
xv
Lampiran B.17 Molekul Fe2F2 (multiplisitas 9).................................................................... 77
Lampiran B.18 Molekul Fe2N2 (multiplisitas 7) ................................................................... 77
Lampiran B.19 Molekul Fe2O2 (multiplisitas 7) ................................................................... 77
xvi