Ujian
Tengah semester 2019/2020
Program
Studi : Kimia
Mata
Kuliah: Dasar dasar kimia komputasi
Waktu
: 90 menit
1. Salah satu metode kimia komputasi
yang digunakan untuk menentukan energi dari suatu senyawa adalah Mekanika
Molekular. Persamaan mekanika molekular dinyatakan sebagai berikut
·
Jelaskan
makna masing-masing suku dalam persamaan di atas sehingga dapat dijelaskan
kontribusi setiap komponen penentu besaran energi tersebut.
E
=energy yang berkaitan dengan konformasi tertentu dari molekul. Energy MM ini
tidak memiliki makna sebagai kuantitas tetap, hanya perbedaan energy antara dua
atau lebih konformasi yang mempunyai arti. Persamaan energy MM yaitu :
Energi
= energi rentangan + energy pembengkokan + energy torsi +energy interaksi tak
berikatan.
= energy rentangan
ini didasarkan atas hukum Hooke, Kbmengontrol kemiringan dari pegas
ikatan, sementara r0adalah panjang ikatan
dalam keseimbangan,
persamaan ini mengestimasi energy yang berkaitan dengan vibrasi di sekitar
panjang ikatan kesetimbangan.
= 
merupakan parameter pengontrol
kemiringan pegas sudut, sementara 
=menunjukkan sudut
kesetimbangan dan persamaan ini
berkaitan dengan vibrasi di sekitar sudut ikat keseimbangan.
= A merupakan
parameter pengontrol amplitude kurva,
parameter n mengontrol
periodisitasnya, 
merupakan sudut torsi.
= energy tak berikatan
memperhitungkan tarikan, tolakan van des waals dan interaksi elektrostatik,
parameter A dan B mengontrol kedalaman dan posisi dari sumber energy
potensialnya untuk suatu pasangan
atom-atom yang berinteraksi secara bukan ikatan
·
Jelaskan
kekuatan dan kelemahan metode mekanika molekular dalam penentuan sifat senyawa.
Kelebihan
Ø Membutuhkan
waktu relative singkat
Ø Tidak
menggunakan computer kapasitas tinggi
Ø Dapat
digunakan untu menganalisis senyawa dengan molekul tinggi
Ø Lebih
sederhana karena metode ini menggunakan dasar hukum-hukum fisika klasik sebagai
perhitungannya
Kekurangan
Ø Mekanika
molekuler secara umum tidak dapat digunakan untuk menggambarkan struktur yang
jauh dari kesetimbangan seperti keadaan transisi
Ø Hasil
perhitungan kurang tepat apabila dengan metode yang lain
2. Jelaskan maksud basis set
(himpunan basis) apakah kegunaannya, dan berilah contoh salah satu jenis basis
set.
Basis set dalam ilmu
kimia adalah kumpulan fungsi matematika yang digunakan untuk menyusun gugus
orbit suatu molekul. Kumpulan fungsi-fungsi matematika yang ada disusun dalam
kombinasi linier dengan menyertakan nilai koefisien di dalamnya. Fungsi yang
digunakan umumnya adalah gugus-gugus orbit atom penyusun molekul tersebut.
Perhitungan kimia kuantum umunya dilakukan dalam satu set basis perhitungan
yang terdiri atas fungsi gelombang yang ada disusun secara linier. Proses
perhitungan, kumpulan orbital atomik akan disusun mengikuti kaidah Slater, yang
kemudian disebut orbital Slater. Secara garis besar, orbital Slater berbentuk
lengkungan eksponensial turun yang umumnya didekati dengan linier kombinasi
dari fungsi gaussian (T. Daniel Crawford, 2009).
Contoh jenis Basis set :
Basis
set minimum
STO-nG adalah basis set terkecil dengan n
sebagai nilai bilangan bulat. n akan menyatakan berapa jumlah fungsi Gaussian yang akan digunakan. Penggunaan basis set minimum ini sangat
tidak dianjurkan mengingat keakuratan data. Untuk STO-nG, kode basis set yang sering
digunakan adalah:
·
STO-3G
·
STO-4G
·
STO-6G
·
STO-3G*
- versi terpolarisasi dari STO-3G
3. Kestabilan bentuk kursi dan bentuk
perahu dari senyawa siklo \heksana dapat ditentukan dengan menentukan struktur
yang paling stabil dari bentuk-bentuk tersebut. Dari perhitungan mekanika
molekuler dengan medang gaya AMBER, dihasilkan data energy struktur berikut:
|
Konformasi
|
Enegri single point
(kkal/mol)
|
Energy teroptomasi
(kkal/mol)
|
|
Kursi
|
3,6094
|
3,1102
|
|
Perahu
|
14,3245
|
11,4719
|
·
Mengapa
energi terhitung hasil optimasi selalu lebih rendah dari energy single point?
Proses optimasi digunakan
untuk mendapatkan struktur dengan tingkat kestabilan tertinggi, Suatu stuktur
yang lebih stabil memiliki tingkat energy yang lebih redah. Oleh karena itu
perhitungan energinya selalu lebih rendah dibandingkan perhitungan energi pada
saat single point, karena pada single point tidak dilakukan penstabilan
struktur.
Karena energy single point berguna untuk memperoleh energi
total dalam kkal mol-1 dan gradien akar-purata-kuadrat (RMS) dalam
kkal mol-1 Å-1 untuk konfigurasi saat itu dari suatu
sistem molekular atau dari atom-atom terpilih, sedankan energy dari hasil
optimasi ini komponen yang memberikan kontribusi pada energy dihitung dan
setiap perubahan geometri akan diikuti dengan perhitungan energy selanjutnya
proses ini diulangi terus sampai perubahan dalamenergi antara satu interaksi
dan gerakan selanjutnya berada dibawah harga cut-off. Harga cut-off yang umum
adalah perubahan energy dalam, antara struktur terhitung terakhir dengan
struktur terakhir kedua yang harus lebih kecil dari 0,5 kJ.
·
Jelaskan
apa yang terjadi pada proses optimasi
Pada proses optimasi struktur akan terjadi Perhitungan optimisasi geometri
menggunakan algoritma minimisasi energi untuk mendapatkan struktur paling
stabil.
Pada
menu Compute pilihlah item Geometry Optimization untuk membuka kotak dialog
Molecular Mechanics Optimization. Pada kotak Algorithm, tersedia lima pilihan
metode algoritme (dua diantaranya tidak aktif) yang dapat digunakan oleh
HyperChem untuk menghitung geometri dengan energi potensial minimum dari suatu
sistem molekular atau atomatom terpilih. Kelima metode itu tidak akan dibahas
secara rinci dalam penuntun ini. Untuk tujuan umum, metode Polak Ribiere
merupa-kan pengoptimalisasi yang baik, maka Anda pilih metode tersebut. Baik
metode Fletcher-Reeves maupun Polak- Ribiere melakukan serangkaian pencarian
(atau siklus) satu-dimensi-onal dalam arah gradien konjugat (negatif dari
gradien saat itu).
Kotak
Termination condition digunakan untuk mengeset kondisi (gradien RMS atau siklus
maksimum) untuk mengakhiri perhitungan. Kisaran praktis untuk nilai gradien RMS
ialah 10-3 – 0.1. Nilai kurang dari 10-3 tidak mungkin karena adanya galat
pembulatan numeris, sedangkan nilai lebih dari 0,1 dapat digunakan
untukperhitungan kira-kira secara cepat. Anda gunakan nilai patokan untuk
gradien RMS,yaitu 0.1. Sementara itu, kisaran praktis untuk jumlah siklus
maksimum ialah 100 –1000. Anda gunakan pula nilai patokan-nya, yaitu 270 (15 jumlah atom dalamsikloheksana).
Untuk
perubah lainnya, Anda gunakan kondisi patokan, yakni ‘In vacuo’ aktif dan
Screen refresh period: 1 cycles. Pilihan ‘In vacuo’ berarti perhitungan
dilakukan tanpa kondisi batas periodik. Ini menjadi satu-satunya pilihan
apabila sistem tidak diset dalam kotak periodik. Pilihan ‘Periodic boundary
conditions’ ialah kebalikan dari ‘In vacuo’, dan hanya aktif jika Anda telah
menggunakan pilihan menu Periodic Box. Sementara itu, Screen refresh period
merupakan frekuensi menunjukkan hasil perhitungan pada ruang kerja selama
siklus optimalisasi. Nilainya dapat berupa bilangan bulat dari 1 sampai 32,767.
Setelah semua peubah untuk optimalisasi Anda set, perhitungan dapat dilakukan
dengan klik-kiri OK. Optimalisasi geometri dimulai, dan informasi tentang
proses itu ditampilkan pada baris status. Setelah beberapa waktu, proses
selesai, dan pada baris status, akan tertera Energy = 1.33 dan Gradient = 0.07.
Tampak bahwa optimalisasi (peminimuman energi) menurunkan gradien dengan sangat
bermakna. Jumlah siklus ialah jumlah arah pencarian yang digunakan, sedangkan
jumlah titik ialah jumlah evaluasi energi dan gradien.
·
Struktur
mana yang lebih stabil dari dua bentuk sikloheksana tersebut. Gambarkan
strukturnya. Seberapa besar (kkal/mol) kestabilan bentuk yang saudara pilih
relative dari bentuk lainnya?
Struktur kursi lebih stabil karena Jarak yang sangat dekat
untuk atom-atom maka atom-atom yang tidak berikatan akan menimbulkan apa yang
disebut ‘interaksi tiang- bendera’, yang menyebabkan kurang stabilnya
konformasi perahu. Struktur yang lebih stabil adalah
sikloheksana dengan struktur kursi dengan energi teroptimasi 3,1102 kkal/mol
yang merupakan struktur yang lebih stabil dari struktur perahu yang mempunyai
energi lebih besar yaitu 11,4719 kkal/mol.
4. Metode
semimpiris merupakan suatu metode perhitungan kimia komputasi yang dapat
dijalankan lebih cepat daripada ab initio. Jelaskan mengapa demikian. Jelaskan
pendekatan/penyederhanaan perhitungan yang digunakan pada metode semiempiris.
Apakah metode semiempiris memerlukan pemilihan basis set ? Jelaskan.
Karena dengan
menggunakan metode ab initio, dibutuhkan waktu yang lama dan kebutuhan yang
besar terhadap kemampuan komputer. Dengan metode semiempiris perhitungannya lebih cepat karena:
·
Hanya
memperhatikan elektron valensi
·
Menggunakan
minimum basis set (STO)
dapat diterapkan dalam sistem yang sedang dan
menghasilkan fungsi gelombang elektronik yang memadai untuk dapat memprediksi sifat
elektronik. Metode semiempiris memiliki realibilitas rendah.
Metode semiempiris berdasar pada
pendekatan HF. Matrick fock disusun dan persamaan HF diselesaikan secara
iteratif. Pendekatan dilakukan terhadap penyusunan matrick Fock, atau dalam
penyederhanaan pada pernyataan energi sistem. Ditinjau ulang bagaimana elemen
matrik Fock dinyatakan sebagai integral pada keseluruhan fungsi basis atomik.
P adalah matrik kerapatan
yang didefinisikan sebagai:
Metode
semiempiris pemilihan basis set karena parameterisasi dari metode ini bersumber
dari data eksperimen maupun dari hasil perhitungan ab initio yang lebih teliti
sehingga harus diperhatikan golongan senyawa yang ingin di analisis. Metode
semiempiris diparameterisasi berdasar pada sifat khas dari kumpulan molekul
yang mempunyai kesamaan sifat. Penerapan parameter ini dalam perhitungan
senyawa yang sejenis dengan kelompok senyawa yang dipakai menyusun parameter
akan tinggi kebenarannya, tetapi untuk senyawa yang jauh berbeda, maka
realibilitasnya rendah, sehingga harus dipilih metode yang sesuai.
