LAPORAN PRAKTIKUMPRAKTIKUM KIMIA FISIKA

PERCOBAAN VIIIPERHITUNGAN ORBITAL MOLEKUL

NAMA : YUNITA PARE ROMBENIM : H311 12 012KELOMPOK : III (TIGA)HARI, TANGGAL PERCOBAAN : SELASA, 11 NOVEMBER 2014ASISTEN : HIKMAWATI

LABORATORIUM KIMIA FISIKAJURUSAN KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAMUNIVERSITAS HASANUDDIN

MAKASSAR2014

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar belakang

Dewasa ini ada dua teori mekanika kuantum yang membahas struktur

elektronik molekul. Teori tersebut adalah teori ikatan valensi dan teori orbital

molekul. Teori ikatan valensi berangkat dari konsep pembagian pasangan elektron

dalam ikatan. Setiap pasangan elektron dalam suatu molekul digambarkan oleh

fungsi gelombang yang memungkinkan setiap elektron dapat dilacak pada kedua

atom yang digabungkan oleh ikatan kimia. Teori orbital molekul dianggap bahwa

elektron tidak dimiliki oleh atom tertentu tetapi tersebar dalam keseluruhan sistem

molekul. Konsep orbital atom pada teori ini diperluas menjadi orbital molekul,

yaitu suatu fungsi gelombang yang melingkupi keseluruhan atom di dalam

molekul.

Dengan perkembangan teknologi yang semakin canggih sehingga tercipta

aplikasi software Hyperchem Release 7, maka dapat diketahui struktur, stabilitas,

dan sifat molekul melalui perhitungan mekanika molekular maupun mekanika

kuantum.

Dalam percobaan ini, akan dipelajari cara menggunakan aplikasi software

Hyperchem untuk menghitung fungsi gelombang H2O, menentukan bentuk orbital

molekul H2O, dan menggunakan penjajaran struktur sehingga lebih memahami

penggunaan Hyperchem. Hal ini yang melatarbelakangi sehingga percobaan ini

dilakukan.

1.2 Maksud dan Tujuan Percobaan

1.2.1 Maksud Percobaan

Maksud dilakukannya percobaan ini adalah :

1. Mempelajari aplikasi software Hyperchem.

2. Mempelajari cara menghitung fungsi gelombang molekul.

3. Mempelajari cara menghitung orbital molekul.

1.2.2 Tujuan Percobaan

Tujuan dilakukannya percobaan ini adalah :

1. Menghitung fungsi gelombang H2O.

2. Menentukan bentuk orbital molekul H2O.

3. Menghitung muatan atomik.

4. Menggunakan penjajaran struktur (structure alignment).

1.3 Prinsip Percobaan

Membuat orbital molekul H2O dengan menggunakan software Hyperchem

Release 7, kemudian menghitung fungsi gelombang molekul dan orbital molekul

dan membandingkannya dengan teori.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Teori orbital molekul menganggap bahwa elektron dalam atom-atom yang

berikatan adalah secara keseluruhan. Orbital atom diganti dengan orbital molekul

yang meliputi semua inti atom dalam molekul, maka pada pengisian elektron dalam

orbital molekul diisi satu elektron sesuaidengan kenaikanenergi, dan tiap orbital

molekul hanya dapat diisi 2 elektron yang spinnya berlawanan (Sukardjo, 1990).

Orbital molekul dapat terbentuk dari orbital atom selain 1s. Berdasarkan

prinsip Pauli, maka n orbital atom akan membentuk n orbital molekul. Orbital

molekul dapat dibagi berdasarkan simetrisnya terhadap poros intinya dan disebut

σ. Orbital 2s membentuk orbital yaitu bonding dan anti bonding (Sukardjo, 1990).

Suatu elektron dalam orbital σ melmiliki suatu probabilitas yang meningkat

untuk ditemukan ditempat kedua orbital atom bertumpang-tindih, karenanya σ

merupakan sutatu orbital penikatan. Sebaliknya sutatu elektron dalam orbital anti

bonding memiliki suatu probabilitas yang mengecil untuk ditemukan diantara

nukleus, dengan demikian orbital anti bonding merupakan suatu orbital anti

pengikatan. Orbital anti pengikatan memiliki energi potensial yang lebih tinggi

karena orbital ini memiliki suatu simpul, dan karenanya pada keadaan dasar H2,

elektron akan orbital molekul σ1s (Oxtoby, 2003).

Keadaan dua atom hidrogen yang pada mulanya berjauhan. Keadaan ini di

anggap mempunyai energi nol. Jika keduanya mendekati dan perubahan energinya

digambarkan sebagai fungsi jarak antara kedua inti atom maka semakin kecil jarak

antara inti dan semakin banyak energi yang dilepaskan. Energi maksimum yang

dilepaskan adalah 435 kJ/mol. Jika kedua atom lebih didekatkan lagi maka

diperlukan penyerapan energi (Petrucci dan Harwood, 1993).

Orbital molekul ikatan mempunyai energi yang lebih rendah dibandingkan

energi dari orbital atom yang terpisah, sedangkan orbital meolekul anti ikatan

mempunyai energi yang lebih tinggi. Rapatan muatan elektron yang terkonsentasi

di daerah antar inti mengurangi gaya tolak di antara inti-inti yang bernuatan positif.

Hal ini menyebabkan ikatan di antara atom-atom, atau dikenal dengan istilah

orbital molekul ikatan. Dalam orbital anti ikatan, peluang elektron atau rapatan

elektron antar-inti sangat rendah (Petrucci dan Harwood, 1993).

Menurut Petrucci dan Harwood 1993, untuk menggunakan teori orbital

molekul dalam ikatan kimia perlu diketahui beberapa aturan. Aturan-aturan ini

menyangkut orbital molekul tertentu yang terjdi jika orbital atom bergabung dan

cara-cara perlambangan elektron dalam otrbital molekul yaitu:

1. Jumlah orbital molekul yang dihasilkan sama dengan jumlah orbital

atom yang bergabung

2. Dari dua orbital molekul yang terjadi apabila dua orbital atom

bergabung satu di antaranya adalah orbital molekul ikatan yang

energinya lebih rendah dibandingkan orbital atom asalnya.

3. Elektron umumnya mencari orbital molekul yang energinya paling

rendah.

Untuk menggambarkan orbital molekul, salah satu cara yang dipakai adalah

cara LCAO (Linear Combination of Atomic Orbital). bila ѱA dan ѱB adalah fungsi

gelombang orbital atom hidrogen, maka fungsi gelombang orbital ѱ adalah:

(Sukardjo, 1990).

ѱ = N (CA ѱ A + CB ѱ B)

Perhitungan energi kuantum, geometri dan gelombang getaran dari

3-bromoacetophenone dilakukan pada tingkat DFT lengkap dengan relaksasi di

permukaan energi potensial. Penelitian ini diperluas untuk menghitung

HOMO - LUMO energi kesenjangan, potensi ionisasi, elektron afinitas, global

kekerasan, kimia potensial (Udhayakala dkk., 2011).

Salah satu metode untuk menurunkan orbital molekul adalah penggabungan

yang sesuai dari orbital-orbital atom dari atom-atom yang bergabung menjadi

molekul. Menurut mekanika gelombang satu kombinasi dari dua orbital 1s

menghasilkan orbital molekul ikatan. Kombinasi lain menghasilkan orbital anti

ikatan. Tetapi energi interaksi yang diramalkan oleh teori klasik jauh lebih kecil

dibandingkan nilai yang terukur. Keberhasilan teori klasik adalah karena adanya

teori mekanika gelombang (Petrucci dan Harwood, 1993).

Posisi energik dan tumpang tindih fungsi gelombang elektronik pada bagian

antarmuka antara lapisan organik molekul dan logam adalah kepentingan mendasar

untuk desain perangkat semikonduktor organik dan untuk aplikasi masa depan

elektronik molekuler. baik secara eksperimental dan secara teoritis, berkonsentrasi

pada salah satu hasil dari bagian elektronik yang langsung dari ikatan kimia pada

penghubung atau dari pergeseran dan perluasan dari orbital molekul lokal pada

interaksi dengan substrat logam (Marks dkk., 2011).

Pendekatan orbit adalah dasar dari kimia kuantum, tetapi konstruksi orbital

matematika tidak memiliki fisik yang independen. Menurut mekanika kuantum

empat nomor kuantum untuk elektron pada atom masing-masing elektron, yang

merupakan cara lain dari orbital. Selain itu, elektron dalam orbital tertentu, dengan

jumlah tertentu seperti 1S, 2p, atau 3d orbital (Scerri, 2000).

BAB III

METODE PERCOBAAN

3.1. Alat Percobaan

Alat yang digunakan dalam percobaan ini adalah laptop yang memiliki

aplikasi software Hyperchem release 7.

3.3 Prosedur percobaan

1. Membuat molekul air

- Dibuka software Hyperchem Release 7

- Dari menu display, dipastikan perintah Show Hydrogen aktif dan perintah

Perspective tidak aktif pada kotak dialog Rendering.

- Pada kotak dialog Default Element. dinon aktifkan Explicit Hydrogen, lalu

dipilih Oksigen dan dittup.

- Digambar atom oksigen dengan mengklik kiri pada daerah kerja dengan kursor

gambar.

- Diklik ganda tool Selection untuk menginvoke Model Builder.

- Diberikan label molekul dengan simbol dengan mengklik display, kemudian

klik label, pada atom pilih symbol kemudian Ok

2. Menggunakan structure alignment

- Dipilih perintah Align Molecule pada menu Edit.

- Dari kotak Align dipilih Secondary, dan dari kotak With dipilih Y axis.

- Perintah Minor dipastikan tidak aktif.

- Diklik OK.

3. Menghitung fungsi gelombang

- Dipilih perintah Semi-emperical dari menu Setup

- Dipilih CNDO (Complete Neglect of Differential Overlap) sebagai metode

kalkulasi, lalu dipilih Options.

- Pada kotak dialog Semi-emperical Option, digunakan nilai 0,0001 pada kotak

Converege limit, nilai 50 pada kotak Iteration limit, 0 pada Total charge dan 1

pada kotak Spin multiplicity. Pada pilihan Spin Pairing dipilih RHF, dan pada

pilihan State dipilih Lowest.

- Diklik OK untuk menutup kotak dialog Semi-emperical Options dan kotak

dialog Semi-emperical Method.

- Dipilih Single-point pada menu Compute.

4. Membuat orbital molekul individual

- Dibuka kotak dialog Orbital dengan memilih Orbitals pada menu Compute.

- Dipilih HOMO-, lalu diklik kiri pada kotak teks untuk orbital off-set dan diset

nilai 3.

- Dipilih perintah 3D Isosurface.

- Dinon aktifkan perintah Orbital squared.

- Diklik OK.

- Dibuka kotak dialog Isosurface option dengan dipilih Isosurface pada menu

Display.

- Dipilih Wire mesh sebagai opsi Rendering, digunakan Orbital contour value

0,05, lalu diklik OK.

- Dibuka kembali kotak dialog orbital dan dimasukkan nilai 1 untuk HOMO-

offset. Diklik Options dan digunakan nilai yang sama seperti langkah ke tujuh

dan delapan di atas, tetapi rendering diubah menjadi Jorgensen-Salem.

- Diulangi kalkulasi dengan menggunakan nilai 2 untuk HOMO- offset dan

dipilih Lines sebagai opsi Rendering pada kotak dialog Options.

- Dibuka kotak dialog Orbital dan digunakan nilai 0 untuk HOMO-offset.

Dipilih Flat surface, dimasukkan nilai 0,05 dan diklik OK.

- Diklik kiri pada LUMO+ dan digunakan nilai offset 0 dan 1.

- Warna positif dan negatif diubah menjadi merah dan biru.

- Pada kotak dialog Options, dipilih Shaded surface sebagai opsi Rendering dan

digunakan nilai 0,05. Selanjutnya, dipilih Transculent surface untuk isosurface

rendering, diubah molekul rendering menjadi Balls and Cylinders. Dibuka

kotak dialog File/Preferences dan dipilih Isosurface Colours.

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil

4.1.1 Molekul H2O

4.1.2 Molekul H2O dengan Struktur Alignment

4.1.3 Fungsi Gelombang

4.1.4 Bentuk Orbital HOMO+3, Wire mesh

4.1.4 Bentuk Orbital HOMO+1, Jorgensen-salem

4.1.5 Bentuk Orbital HOMO+2, lines

4.1.6 Bentuk Orbital HOMO +0, flat surface

4.1.7 Bentuk Orbital LUMO 0, shaded surface

4.1.8 Bentuk Orbital LUMO 1, translucent surface

4.1.9 Bentuk Orbital LUMO-1, Transculent Surface

4.2 Nilai Orbital H2O

No. Orbital MolekulEnergi Orbital

(eV)1. HOMO +3 -40,284111

2. HOMO +2 -21,634296

3. HOMO +1 -19,132719

4. HOMO 0 -17,777170

5. LUMO -0 -17,777170

6 LUMO 1 8,857152

7. LUMO -1 9,775139

4.3 Pembahasan

Molekul dapat didefinisikan sebagai kelompok disket atom yang diikat

secara kimia. Molekul dibentuk oleh kombinasi atom-atom yang berbeda. Atom-

atom ini dalam molekul terikat bersama oleh jenis-jenis interaksi yang berbeda.

Ikatan kovalen dapat ditinjau dengan dua cara, yaitu teori ikatan valensi dan teori

orbital molekul. Orbital molekul terbentuk dari hasil interaksi antara dua atau lebih

orbital atom. Distribusi elektron dalam molekul dilokalisir pada daerah tumpang

tindih yang dikenal sebagai orbital molekul (OM).

Perhitungan orbital molekul pada percobaan ini dilakukan dengan

menggunakan software Hyperchem Release 7. Program ini merupakan program

yang sangat teliti yang digunakan untuk mengetahui struktur, stabilitas, dan sifat

suatu molekul. Adapun molekul yang digunakan pada percobaan ini yaitu molekul

air (H2O). Setelah molekul air dibuat, akan dihitung fungsi gelombangnya. Namun,

sebelum menghitung fungsi gelombang, molekul harus dibuat dalam orientasi

standar yaitu dengan menggunakan struktur alignment.

Pada percobaan ini, fungsi gelombang dihitung dengan menggunakan

Semi-empirical. Dalam Semi-empirical digunakan CNDO (Complete Neglect of

Differential Overlap) sebagai metode kalkulasi. CNDO adalah metode yang paling

sederhana untuk menghitung sifat elektron pada keadaan dasar, optimisasi

geometri, dan energi total.

Pada menu Compute dipilih Single point sebagai metode kalkulasi, yang

akan memberikan data statistik molekul, seperti energi potensial, potensial

elektrostatik, energi orbital molekul, dan koefisien orbital molekul pada keadaan

dasar atau tereksitasi. Adapun hasil yang diperoleh dari percobaan ini yaitu

molekul H2O memiliki energi sebesar -320,414131, gradiennya adalah

124,385770, dan simetri C2V.

Selanjutnya, pada percobaan ini dibuat orbital molekul individual H2O.

Orbital-orbital dispesifikasikan relatif terhadap HOMO dan LUMO. HOMO adalah

orbital molekul terisi dan berenergi tinggi. HOMO-3 menunjukkan orbital dengan

3 tingkat energi lebih rendah dari HOMO. HOMO-1 menunjukkan orbital dengan

1 tingkat energi lebih rendah dari HOMO. HOMO-2 menunjukkan orbital dengan

2 tingkat energi lebih rendah dari HOMO dan HOMO-0 menunjukkan orbital

HOMO itu sendiri.

Sedangkan LUMO adalah orbital molekul kosong berenergi rendah.

LUMO+1 menunjukkan orbital dengan 1 tingkat energi lebih tinggi dibanding

LUMO.

Berdasarkan percobaan yang dilakukan, orbital molekul HOMO-3

energinya -40,283592 eV, simetri 1 A1, orbital molekul HOMO-1 energinya

- 19,133091 eV, simetri 2 A1, orbital molekul HOMO-2 energinya -21,633736 eV,

simetri 1 B2, dan orbital molekul HOMO-0 energinya -17,776798 eV, simetri 1

B1. Jadi, semakin besar perbedaan tingkat energinya dari HOMO, akan semakin

kecil pula energinya.

Orbital molekul LUMO+0 energinya 8,856927 eV, simetri 3 A1, dan orbital

molekul LUMO+1 energinya 9,775634 eV, simetri 2 B2. Jadi, orbital molekul

LUMO+1 memiliki energi yang lebig besar dari orbital molekul LUMO+0.

Dalam percobaan ini, digunakan beberapa macam opsi rendering, yaitu

Wire mesh, Jorgensen-Salem, Lines, Flat surface, Shaded surface, dan Translucent

surface. Pada Wire mesh, isosurface tergambar sebagai pola transparan garis

melintang. Jorgensen-Salem, isosurface tergambar sebagai garis, dengan molekul

struktur tidak tersembunyi. Lines merupakan isosurface yang tergambar sebagai

pola garis melintang, dengan molekul struktur tersembunyi. Pada Flat surface,

isosurface tergambar sebagai permukaan solid, tanpa bayangan. Shaded surface

merupakan isosurface yang tergambar sebagai permukaan solid dengan bayangan

untuk mempertinggi tampilan tiga dimensinya. Sedangkan Translucent surface

isosurface digambarkan dengan halus, permukaan semi transparan.

BAB V

KESIMPULAN

5.1 Kesimpulan

Dari percobaan diatas didapatkan kesimpulan yaitu:

1. Fungsi gelombang H2O memiliki nilai energi sebesar -320,414152 kkal/mol.

2. Gradient sebesar 124,402926. Molekul H2O memiliki bentuk orbital yang

menyerupai huruf V atau sudut, dan memiliki simetri C2V.

3. Muatan atomik dapat dihitung berdasarkan HOMO dan LUMO.

a. HOMO-3 memiliki energi sebesar -40,284111 eV

b. HOMO-1 memiliki energi sebesar -19,132719 eV

c. HOMO-2 memiliki energi sebesar -21,634296 eV

d. HOMO-0 memiliki energi sebesar -17,777170 eV

e. LUMO+1 memiliki energi sebesar 9,775139 eV

f. LUMO+0 memiliki energi sebesar 8,857152 eV

4. Penjajaran struktur (structure alignment) dapat digunakan untuk menghitung

fungsi gelombang.

1.2 Saran

Saran untuk laboratorium diharapkan agar menyediakan beberapa komputer

yang dapat digunakan dilaboratorium. Diharapkan pada percobaan selanjutnya

tidak hanya molekul H2O yang digunakan, tetapi juga molekul lainnya agar dapat

dilihat perbandingannya. Saran untuk asisten tetap semangat dalam mengawasi dan

mendidik praktikannya.

DAFTAR PUSTAKA

Brady, E. J., 1999, Kimia Universitas Azas & Struktur, edisi kelima, jilid pertama, Binurupa Aksara, Jakarta.

Marks, M., Zaitsev, L. N., Schmidt, B., Scholl, A., Nechaev, A. I., Echenique, M. P., Chulkov, V. E., Hofer, U., 2011, Energy Shift and Wave Function Overlap of Metal-Organic Interface states (Online), (http://arxiv.org/pdf/1107.3698.pdf, diakses pada tanggal 17 November 2014 pukul 22.00 WITA),

Oxtoby, Gillis, dan Nachtrieb, 2003, Prinsip-Prinsip Kimia Modern, Erlangga, Jakarta

Petrucci, R. H., dan Harwood, W. S., 1993, General Chemistry Principles and Modern Aplications, edisi keenam, Macmillan Publishing Company, New York.

Scerri, E. R., 2000, Have Orbitals Really Been Observed, Journal Of Chemical Educatoin, (online), 77 (22) : 1-5,

Sukardjo, 1990, Kimia Fisika, Bina Aksara, Yogyakarta

Udhayakala, P., Rajendiran, T. V., Seshadri, S., and Gunasekaran S., 2011, Quantum Chemical Vibrational Study, Molecular Property and HOMO-LUMO Energies Of 3-Bromoacetophenone For Pharmaceutical Application, Journal of Chemical and Pharmaceutical Research, 3(3); 610-625, (online), (http://arxiv.org/pdf/1107.3698.pdf, diakses pada tanggal 25 November 2014 pukul 22.00 WITA),

.

LEMBAR PENGESAHAN

Makassar, 18 November 2014

Asisten Praktikan

HIKMAWATI YUNITA PARE ROMBENIM: H311 11 290 NIM: H311 12 012

Lampiran 1

BAGAN KERJA

1.Membuat molekul air

- Dibuka

- Dari menu display, dipastikan perintah Show Hydrogen aktif

dan perintah Perspective tidak aktif pada kotak dialog

Rendering.

- Pada kotak dialog Default Element. dinon aktifkan Explicit

Hydrogen, lalu dipilih Oksigen dan dittup.

- Digambar atom oksigen dengan mengklik kiri pada daerah

kerja dengan kursor gambar.

- Diklik ganda tool Selection untuk menginvoke Model

Builder.

- Diberikan label molekul dengan simbol.

Hypercham Release 7

Hasil

2. Menggunakan structure alignment

-

- Dipilih perintah Align Molecule pada menu Edit.

- Dari kotak Align dipilih Secondary, dan dari kotak With

dipilih Y axis.

- Perintah Minor dipastikan tidak aktif.

- Diklik OK.

3. Menghitung fungsi gelombang

- Dipilih perintah Semi-emperical dari menu Setup

- Dipilih CNDO (Complete Neglect of Differential Overlap)

sebagai metode kalkulasi, lalu dipilih Options.

- Pada kotak dialog Semi-emperical Option, digunakan nilai

0,0001 pada kotak Converege limit, nilai 50 pada kotak

Iteration limit, 0 pada Total charge dan 1 pada kotak Spin

multiplicity. Pada pilihan Spin Pairing dipilih RHF, dan pada

pilihan State dipilih Lowest.

Hypercham Release 7

Hasil

Hypercham Release 7

- Diklik OK untuk menutup kotak dialog Semi-emperical

Options dan kotak dialog Semi-emperical Method.

- Dipilih Single-point pada menu Compute.

4. Membuat orbital molekul individual

- Dibuka kotak dialog Orbital dengan memilih Orbitals pada

menu Compute.

- Dipilih HOMO-, lalu diklik kiri pada kotak teks untuk

orbital off-set dan diset nilai 3.

- Dipilih perintah 3D Isosurface.

- Dinon aktifkan perintah Orbital squared.

- Diklik OK.

- Dibuka kotak dialog Isosurface option dengan dipilih

Isosurface pada menu Display.

- Dipilih Wire mesh sebagai opsi Rendering, digunakan

Orbital contour value 0,05, lalu diklik OK.

- Dibuka kembali kotak dialog orbital dan dimasukkan nilai 1

untuk HOMO- offset. Diklik Options dan digunakan nilai

yang sama seperti langkah ke tujuh dan delapan di atas,

tetapi rendering diubah menjadi Jorgensen-Salem.

- Diulangi kalkulasi dengan menggunakan nilai 2 untuk

HOMO- offset dan dipilih Lines sebagai opsi Rendering pada

kotak dialog Options.

- Dibuka kotak dialog Orbital dan digunakan nilai 0 untuk

HOMO-offset. Dipilih Flat surface, dimasukkan nilai 0,05

dan diklik OK.

- Diklik kiri pada LUMO+ dan digunakan nilai offset 0 dan 1.

Hasil

Hypercham Release 7

- Pada kotak dialog Options, dipilih Shaded surface sebagai

opsi Rendering dan digunakan nilai 0,05. Selanjutnya,

dipilih Transculent surface untuk isosurface rendering,

diubah molekul rendering menjadi Balls and Cylinders.

Dibuka kotak dialog File/Preferences dan dipilih Isosurface

Colours. Warna positif dan negatif diubah menjadi merah

dan biru.Hasil