[P2] PEMODELAN MOLEKUL H2O & CO (DENGAN DENSITY FUNCTIONAL THEORY) ANNA NUSKHOTUN N (K1C016072) IZDIHAR ARIANSYAH (K1C017052) BEJO HARYANTO (K1C017069) Asisten: Alif TanggalPercobaan: 08/11/2019 Abstrak Percobaan pemodelan molekul H2O dan CO bertujuan untuk memodelkan molekul air (H2O) dan karbon monoksida (CO), menganalisa grafik Density of State (DOS) dan menetapkan gap HOMO-LUMO, memahami teori fungsional kerapatan (Density Functional Theory), dan menjalankan sistem melalui perintah-perintah yang terdapat di Sistem Operasi Linux. Pemodelan ini sendiri merupakan sebuah proses untuk membuat model dari suatu sistem. Dalam percobaan ini alat dan bahan yang digunakan terdiri dari dua perangkat, yaitu perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software). Hardware yang digunakan yaitu komputer dengan kapasitas Octa Core, Processor i7, dan RAM 16GB, sedangkan untuk software yang digunakan yaitu VASP 5.4, Vesta, Jmol, dan Microsoft Excel. Percobaan ini menggunakan metode Density Functional Theory dalam memodelkan molekul air (H2O) dan karbon monoksida (CO). Langkah pertama yang dilakukan dalam percobaan ini yaitu membuat pemodelan H2O dan CO menggunakan VASP 5.4 dengan memerlukan empat file utama yaitu KPOINTS, POTCAR, POSCAR, dan INCAR. Selanjutnya memplotkan Density of State (DOS) dengan mengambil data O pada DOSCAR dari CO dan H2O serta menentukan energi fermi. Langkah yang terakhir yaitu menetukan gap HOMO-LUMO dengan menggunakan microsoft excel. Hasil akhir dari percobaan ini menghasilkan energi fermi yang diperoleh dari pemodelan H2O sebesar -14,266 eV , sedangkan pada molekul CO sebesar -10,118 eV. Kata kunci: Pemodelan molekul H2O dan CO, Density Functional Theory,dan HOMO-LUMO. 1. PENDAHULUAN Dalam ilmu fisika, komputasi merupakan salah stau cara pendekatan untuk memahami fenomena-fenomena fisis dengan menggunakan perhitungan iteratif. Aplikasi daru dunia komputasi fisiak material sangat luas. Salah satunya yaitu pada tahun-tahun terakhir ini, group riset komputasi material di Laboratorium Fisika Inti dan Material Universitas Jenderal Soedriman sedang meneliti proses-proses yang terjadi pada anoda dari direct methanol fuel cells (DMFCs) (Cahyanto dkk, 2015; Cahyanto dkk, 2018). Methanol (CH3OH) dan air (H2O) akan masuk ke bagian anodan dan terserap pada permukaan logam. Methanol akan terpecah menjadi senyawa-senyawa turunanya sehingga diperoleh bentuk akhir karbon monoksida (CO2) sehingga diperoleh bentuk akhir karbon monoksida (CO), yang kemudian akan bereaksi dengan molekul air (H2O) untuk menghasilkan karbon dioksida (CO2) yang merupakan bagian keluaran dari anoda pada DMFC. Oleh karena itu, pemodelan CO dan H2O penting dilakukan untuk mengetahui skema pembentukan CO2 dalam skala atomik. Metode Density Functional Theory (DFT) merupakan salah satu metode yang terbukti akurat dalam perhitungan sistem-sistem kuantum yang terjadi pada proses-proses atomik permukaan bahan karena sifat dari pendekatan teori ini adalah perhitungan eksakkecuali pada bagian exchange correlation. Metode ini lebih mudah dan praktis karena penggambaran elektron hanya melibatkan besaran kerapatan elektron dengan derajat kebebasan yang lebih sedikit dari pada besaran yang ada dalam metode Hartree-Fock dalam menentukan sifat-sifat fisiknya. Pada percobaan ini digunakan metode DFT yang mana peritungannya diimplementasikan dalam Vienna ab Initio Simulation Package (VASP) software yang memuat berbagai pseudopotensial. 1.1 Molekul H2O dan CO Air merupakan cairan tak berwarna, tidak berbau dan tidak berasa dengan rumus molekul H2O dan bersifat polar sehingga merupakan pelarut yang baik untuk bermacam – macam zat. Air merupakan pelarut universal karena sifatnya yang mudah bercampur dengan banyak zat kimia lain. Zat kimia yang dapat dilarutkan dengan air adalah zat – zat hidrofilik seperti garam, gula, asam, beberapa gas dan berbagai macam molekul organik. Gambar 1.1 Molekul Air (H2O) Laporan Praktikum –Laboratorium Elektronika, Instrumentasi dan Geofisika – FMIPAUnsoed 1 Karbon monoksida dengan rumus molekul CO merupakan gas yang tak berwarna, tak berbau dan tak berasa. CO terdiri dari satu atom karbon yang secara kovalen berikatan dengan satu atom oksigen. Karbon monoksida dihasilkan dari pembakaran tak sempurna dari senyawa karbon. Gambar 1.2 Molekul Karbon Monoksida (CO) 1.2 Density Functional Theory Metode Density Functional Theory (DFT) merupakan salah satu metode yang terbukti akurat dalam perhitungan sistem – sistem kuantum yang terjadi pada proses – proses atomik permukaan bahan karena sifat dari pendekatan teori ini adalah perhitungan eksak kecuali pada bagian exchange correlation. DFT merupakan metode paling akurat daripada Heartree-Fock karena penggambaran elektron hanya melibatkan besaran kerapatan elektron dengan derajat kebebasan yang lebih sedikit. Dasar utama perhitungan DFT adalah hubungan besarnya energi total elektronik dengan keseluruhan kerapatan (density) elektron dari suatu sistem. 1.3 HOMO-LUMO HOMO dan LUMO adalah akronim yang digunakan dalam teori interaksi orbital kimia organik. HOMO adalah singkatan orbital molekul tertinggi dan LUMO untuk orbital molekul terendah. Perbedaan energi antara HOMO dan LUMO disebut celah HOMO-LUMO. HOMO dan LUMO terkadang disebut sebagai batas orbital. Ahli kimia dapat mengidentifikasi orbital molekul tertingi (HOMO) yang mengandung elektron dan orbital molekul terendah (LUMO) yang tidak mengandung elektron.perbedaan energi antara dua orbital ini dapat digunakan untuk memprediksi kekuatan dan stabilitas kompleks logam transisi, serta warna yang dihasilkan pada larutan. Laboratorium Fisika Inti dan Material dan Laboraturuium Fisika Komputasi. 2.2. Alat dan bahan Alat dan bahan yang digunakan pada Percobaan pemodelan molekul H2O dan CO antara lain adalah sebagai berikut : 1. Komputer dengan kapasitas Octa Core, Processor i7 dan RAM 16 GB 2. VASP 5.4 3. VESTA 4. Gnuplot 2.3. Prosedur praktikum Prosedur dari Percobaan pemodelan molekul H2O dan CO : 1. Alat disiapkan. 2. Dibuat file KPOINTS, POTCAR, INCAR dan POSCAR untuk CO dan H2O . 3. Dirunning keempat file dengan perintah ”mpirun –np 8 vasp_std” di open terminal. 4. Dicatat energi toten pada CONTCAR. 5. Membandingkan panjang ikatan sebelum dan sesudah dan sudut dengan memvisualisasikan POSCAR dan CONTCAR di VESTA. 6. 7. Pada fordel dos1 copy KPOINTS, POTCAR, INCAR dan CONTCAR. Lalu CONTCAR di rename menjadi POSCAR laulu ganti T menjadi F. Sesuaikan INCAR pada diktat. Dirunning dos1 8. Pada fordel dos2 copy KPOINTS, POTCAR, INCAR, CONTCAR, POTCAR, CHGCAR, CHG.Sesuaikan INCAR pada diktat. 9. Dirunning dos2 dan mencopy ”split_dos” membagi atom dengan perintah perl split_dos 10. Diubah format DOS1 dan DOS2 menjadi .dat 11. Dicopy ”pdosplot.gpl” lalu merunning dengan perintah gnuplot pdosplot.gpl, lalu menampilkan gambar parsial. 12. Dilakukan cara 3-11 untuk kedua atom. 2. METODE PENGAMBILAN DATA 2.1. Waktu dan tempat Percobaan pemodelan molekul H2O dan CO telah dilaksanakan pada hari rabu tanggal 08 Oktober 2019 pukul 09.00 WIB sampai dengan 11.00 WIB, bertempat di Laporan Praktikum –Laboratorium Elektronika, Instrumentasi dan Geofisika – FMIPAUnsoed 2 Gambar 2-1 Diagram Prosedur Mulai 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Komputer dengan kapasitas Octa Core, Processor i7 dan RAM 16 GB, VASP 5.4,VESTA, Gnuplot Membuat file KPOINTS, POTCAR, INCAR dan POSCAR untuk CO dan H2O . Dari praktikum pemodelan molekul H2O dan CO, didapat data sebagai berikut : 4. KESIMPULAN Kesimpulan pemodelan molekul H2O dan CO yang dilakukan menghasilkan beberapa data sebagai berikut: 1) 2) KPOINTS, POTCAR, INCAR, POSCAR DAFTAR PUSTAKA [1] Agoumba, D. (2004). Reduction of Methanol Crossover in Dirrect Methanol Fuel Cell (DMFC). Thesis, Carnegie Mellon University. [2] Griffith, 1957. Ligand Field Theory. United Kingdom: Departmen of Theoretical Chemistry. Energy toten [3] Ralp H, P.-S., 1985. Kimia Dasar Prinsip dan Terapan Modern. 4th ed. Jakarta: Erlangga. -Merunning keempat file dengan perintah ”mpirun –np 8 vasp_std” di open terminal. - Membandingkan panjang ikatan sebelum dan sesudah dan sudut dengan memvisualisasikan POSCAR dan CONTCAR di VESTA [4] Sukardjo, 1989. Ikatan Kimia. Yogyakarta: Rinrka Cipta. [5] Tim Dosen Fisika, 2017. Modul Praktikum EKSPERIMEN FISIKA II (edisi revisi). Purwokerto: Lab. Fisika Inti dan Material Jurusan Fisika Fakultas MIPA Unsoed. [6] Young, D., 2001. Computational Chemistry. New York: Wiley and Sons Inc. Mencatat energi CONTCAR. toten pada Panjang dan sudut -Pada fordel dos2 copy KPOINTS, POTCAR, INCAR, CONTCAR, POTCAR, CHGCAR, CHG.Sesuaikan INCAR pada diktat. -Dirunning dos2 dan mencopy ”split_dos” membagi atom dengan perintah perl split_dos -Diubah format DOS1 dan DOS2 menjadi .dat -Dicopy ”pdosplot.gpl” lalu merunning dengan perintah gnuplot pdosplot.gpl Gambar parsial DOS Selesai Laporan Praktikum –Laboratorium Elektronika, Instrumentasi dan Geofisika – FMIPAUnsoed 3
