artikel nanik

7/24/2019 Artikel Nanik

1/19

1

PERUBAHAN UKURAN RONGGA

PADA MODIFIKASI MOLEKUL ZEOLIT ZSM-5

DENGAN VARIASI RASIO Si/Al DAN VARIASI KATIONMENGGUNAKAN METODE MEKANIKA MOLEKULER

Kasmui1, Nanik Sugiyanti

2, Subiyanto HS

3

ABSTRAK

Telah dilakukan pemodelan molekul Zeolit ZSM-5 dengan memodifikasi variasi Rasio Si/Al

dan variasi kation yang bertujuan untuk mengetahui terjadinya perubahan ukuran rongga pada

zeolit ZSM-5. Pemodelan molekul zeolit ZSM-5 dilakukan dengan membuat model struktur satu

unit sel zeolit ZSM-5 dengan rumus struktur Nan(AlO2)n(SiO2)96-n.16H2O yang terdiri dari tujuh

sangkar , yang tersusun dari 13 TO4dengan T adalah atom Si dan Al serta 42 buah UBS 5-1,

tanpa adanya pengaruh kation ataupun molekul air. Selanjutnya dilakukan variasi rasio Si/Al

dengan penggantian atom Si dengan atom Al dan pemodelan molekul zeolit ZSM-5 dengan variasi

kation yaitu ion Na+, Li

+, Mg

2+dan Ca

2+pada rasio Si/Al = 2.

Penelitian menunjukkan bahwa peningkatan jumlah atom Al dalam zeolit ZSM-5, yang berarti

turunnya perbandingan Si/Al mengakibatkan pembesaran rongga, pembesaran diameter ronggarata-rata adalah 7,9

oA sampai 8,0

oA, sedangkan diameter terpendek sebesar 6,1668

oA pada

rasio Si/Al = 95 dan terpanjang sebesar 9,784oA pada rasio Si/Al = 9.

Pada zeolit ZSM-5 dengan variasi kation diketahui bahwa ukuran rongga zeolit ZSM-5

dengan ion Li+lebih besar dibandingkan Ca

2+ ,Mg

2+dan Na

+. Hal ini karena adanya beberapa

faktor yaitu pelebaran sudut T-O-T paling besar yaitu 142,488oA sehingga membentuk rongga

yang besar dan dilihat dari ukuran kationnya Li+mempunyai ukuran kation lebih besar yaitu 1,78

oA. Zeolit ZSM-5 dengan ukuran diameter rongga paling besar adalah zeolit ZSM-5 dengan kation

Li+yaitu 7,985742

oA.

Mengingat penelitian zeolit telah telah berkembang dengan cepat maka perlu dilakukan

penelitian lebih lanjut mengenai perubahan ukuran rongga pada modifikasi molekul zeolit ZSM-5

dengan pengaruh antara kegayutan kation dengan rasio Si/Al menggunakan metode mekanika

molekuler.

Kata kunci : Zeolit ZSM-5, Mekanika molekuler, Variasi Rasio Si/Al dan kation

PENDAHULUAN

Teknologi komputer telah

mempengaruhi perkembangan ilmu

pengetahuan. Para ilmuwan terus merancangdan mengembangkan teknologi komputer

untuk dapat memecahkan persoalan yang

rumit, terutama masalah yang tidak bisa

dipecahkan oleh manusia secara manual.

Komputer telah menjadi bagian yang sangat

penting dalam pengembangan ilmu disegala

bidang. Perkembangan komputer juga telah

mempengaruhi bidang ilmu kimia.

Perkembangan pesat teknologimikroprosesor telah mempengaruhi

perkembangan ilmu kimia. Salah satu wujud

perkembangan itu adalah penggunaan

komputer sebagai sarana atau peralatan

dalam kerja laboratorium kimia. Penggunaan

komputer sebagai peralatan kerja

laboratorium telah dikembangkan menjadi

suatu aspek kajian yang disebut dengan

kimia komputasi. Dalam perkembangannya,

komputasi kimia dapat memecahkan

masalah-masalah yang tidak bisa

diselesaikan dengan eksperimen. Metode-

metode yang digunakan dalam kimia

komputasi antara lain dengan metode

mekanika molekuler, semi empiris, ab- initio

dan DFT.

Pemodelan molekul merupakan

salah satu bagian komputasi kimia tentang

struktur molekul yang mempelajari struktur,

propertis dan kelakuan suatu molekul dalam

sistem molekuler. Penelitian dapat dilakukan

dengan metode semi empirik dan ab-initio

yang merupakan metode mekanika kuantum

dan juga dengan metode pendekatanmekanika molekuler. Pemodelan molekul

dapat digunakan untuk merancang suatu

molekul sebelum dibuat di laboratorium

sehingga dapat diperoleh molekul yang

diinginkan secara lebih efisien, sebagai

contoh pemodelan molekul untuk


2/19

2

merancang struktur zeolit sebelum dilakukan

sintesis zeolit yang dikehendaki. Dalam

dekade terakhir sejumlah simulasi komputer

telah dilakukan untuk mengamati sifat-sifat

kerangka zeolit. Di Indonesia sendiri,penelitian tentang zeolit dengan

menggunakan komputer sebagai alat bantu

untuk memperkirakan beberapa parameter

penting zeolit belum banyak dilakukan.

Padahal dengan perkembangan komputasi

sekarang ini, sangat dimungkinkan untuk

menggunakan komputer sebagai alat bantu

simulasi zeolit dalam mempelajari struktur

kristal dan sifat-sifat zeolit.

Zeolit merupakan mineral

aluminosilikat dengan struktur kerangka

berongga yang didalamnya ditempati ion-ion

dan molekul air yang dapat bergerak bebas.

Karena dapat bergerak bebas, ion-ion yangada dalam zeolit dapat dipertukarkan,

sedang molekul-molekul airnya dapatdidehidrasi secara terbalikan (Tsitsishvili

dkk 1992 dalam Priatmoko 1999).

Zeolit sangat dibutuhkan dalam

jumlah besar untuk industri dewasa ini

karena keberadaannya sebagai strukturmikroporus yang membawa pada sifat

adsorbsi yang unik. Zeolit telah

dikembangkan dalam berbagai aplikasi

antara lain penukar ion, adsorben, katalis

dan lain sebagainya. Manfaat yang

sedemikian banyak telah mendorong

beberapa ahli kimia untuk meneliti sifatintrinsiknya seperti ukuran rongga, cara

berinteraksi dengan adsorben dan

pembuatan zeolit sintetis.

Zeolit sintetis terus dikembangkan

sehubungan dengan pemanfaatan zeolit yanglebih luas yang membutuhkan struktur zeolit

dengan ukuran pori yang besar. Di dalam

struktur zeolit, ukuran pori dipengaruhi oleh

beberapa hal antara lain rasio Si/Al,

penambahan kation dan template organik.

Sehingga perlu diketahui harga rasio Si/Al

suatu zeolit yang menghasilkan struktur

dengan ukuran pori yang paling besar

sebelum dilakukan sintesis.Zeolit merupakan senyawa yang

besar dan kompleks, tidak memungkinkan

untuk dimodelkan dengan menggunakan

metode mekanika kuantum. Pemodelan

molekul zeolit yang dilakukan dengan

komputer termasuk salah satu metode untuk

mempelajari sifat-sifat intrinsik. Oleh karenaitu digunakan metode mekanika molekuler

yang didasarkan pada perhitungan medan

gaya (force field) yang dihasilkan dalam

suatu senyawa. Penggunaan teori medan

gaya dalam pemodelan molekul adalah

untuk memprediksi spektra infra merah dari

struktur (Leach 1996).

Salah satu metode kimia komputasi

adalah mekanika molekuler. Perhitungan-

perhitungan dalam mekanika molekuler

dilakukan berdasarkan pendekatan posisi inti

sebagai fungsi energi potensial. Hal ini

dikerjakan berdasarkan pendekatan Born-

Oppenheimer yang menyatakan bahwagerakan elektron dan inti dapat dipisahkan

satu dengan yang lainnya. Gerak elektronikdalam suatu molekul diabaikan dan hanya

posisi inti saja yang diperhitungkan

(Kusumawardani 1999).

Penelitian ini akan melakukan

pemodelan molekul zeolit ZSM-5 untukmengetahui pengaruh variasi rasio Si/Al dan

variasi kation Na+, Li

+, Mg

2+ dan Ca

2+

terhadap ukuran rongga zeolit ZSM-5

dengan menggunakan metode mekanika

molekuler.

Penelitian ini bermanfaat untuk

mengetahui pengaruh variasi rasio Si/Alterhadap ukuran rongga zeolit ZSM-5

dengan menggunakan metode mekanika

molekuler dan Mengetahui pengaruh variasi

kation Na+, Li

+, Mg

2+ dan Ca

2+ terhadap

ukuran rongga zeolit ZSM-5 denganmenggunakan metode mekanika molekuler.

Lingkup bahasan untuk penelitian

ini akan dibatasi pada pemodelan molekul

dari zeolit ZSM-5 yaitu struktur dasar

kerangka satu unit selnya dan perubahan

ukuran rongga zeolit ZSM-5 karena

pengaruh variasi rasio Si/Al dan variasi

kation Na+, Li

+, Mg

2+dan Ca

2+.

ZeolitZeolit merupakan mineral yang

terdiri dari kristal aluminosilikat terhidrasi

yang mengandung kation alkali atau alkali

tanah dalam kerangka tiga dimensi. Kation-

kation tersebut dapat diganti oleh kation lain

tanpa merusak struktur zeolit dan dapat

menyerap air secara reversibel. Zeolit biasa


3/19

3

ditulis dengan rumus kimia oksida atau

berdasarkan satuan sel kristal sebagai

berikut:

M2/nO Al2O3a SiO2b H2O

dengan: n adalah valensi logama adalah jumlah molekul silikat

b adalah jumlah molekul air

Zeolit dengan struktur

framework mempunyai luas permukaan

yang besar dan mempunyai saluran yang

dapat menyaring ion/molekul (molecular

sieving). Bila atom Al dinetralisir dengan

kation polivalen, misalnya Pt atau Cu, zeolit

dapat berfungsi sebagai katalis yang banyak

digunakan pada reaksi-reaksi petrokimia.

Sifat-Sifat Zeolit

a. Rasio Si/Al dalam zeolit

Substitusi Si4+ dengan Al3+menyebabkan terbentuknya muatan negatif

dalam kerangka yang dinetralkan denganadanya kation monokovalen atau divalen,

sehingga rasio Si/Al mempengaruhi jumlah

ion yang terikat dalam kerangka zeolit

(Tsitsisvili dkk 1992). Kation-kation

penyeimbang muatan dalam zeolit dapatmengalami pertukaran ion. Sedangkan

komponen lain yaitu air kristal yang mengisi

saluran-saluran dan rongga dapat

dihilangkan dengan pemanasan.

Perpindahan atau pengeluaran air dari zeolit

menyebabkan zeolit dapat digunakan untuk

menyerap air dari tempat lain, molekul-molekul organik dan anorganik, sehingga

zeolit banyak digunakan sebagai penyaring

molekul (Hamdan 1992).

b. Zeolit sebagai penukar ionZeolit terdiri atas gugusan alumina

dan gugusan silika yang masing-masing

berbentuk tetrahedral dan saling

dihubungkan oleh atom oksigen sedemikian

rupa sehingga membentuk kerangka tiga

dimensi. Kerangka yang bersifat anionik

yang disebabkan oleh adanya perbedaan

elektronegatifitas alumina dan silika

diseimbangkan oleh adanya kation-kationseperti ion natrium, kalium, kalsium,

magnesium, serta kation golongan alkali-

alkali tanah lainnya. Ion-ion logam tersebut

dapat digantikan oleh kation lain tanpa

merusak struktur zeolit dan dapat menyerap

air secara reversibel. Struktur zeolit yang

sangat berpori ini diisi oleh air dan kation

yang bisa dipertukarkan dan memiliki

ukuran pori tertentu. Oleh sebab itu zeolit

dapat dimanfaatkan sebagai penyaring

molekul, penukar ion, penyerap bahan dan

katalisator (Syoufian 2001 dalam Ulfah

2004).

Ukuran Pori (Pore Size)Sebelum mengetahui lebih lanjut

tentang ukuran pori, perlu mengenal

beberapa istilah yang digunakan pada

struktur zeolit yaitu jendela (window),

sangkar (cages), rongga (cavities), saluran

(channel).

(1) Jendela (window) yaitu n-ring yang

melukiskan muka pori-pori polihedral.

(2) Sangkar (cages) yaitu suatu polihedral

yang jendelanya terlalu sempit untuk

dimasuki spesies asing yang lebih besar

dari H2O.(3) Rongga (cavities) yaitu suatu pori

polihedral yang mempunyai sedikitnyasatu muka, digambarkan oleh cincin

besar yang cukup untuk dimasuki

spesies asing.

(4) Saluran (channel) yaitu suatu pori-pori

yang tidak terbatas diperluas dalam satudimensi dan cukup besar untuk

memperbolehkan spesies asing masuk.

Saluran dapat tumpang tindih untuk

membentuk 2 atau 3 dimensi sistem

saluran.

Untuk beberapa aplikasi, ukuran

pori mempunyai manfaat yang besar karenaberperan sebagai mikroreaktor. Ukuran pori

(pore size) didefinisikan lebar pori

(diameter) yaitu jarak antara dua dinding

yang berlawanan dari pori itu sendiri.

Ukuran pori dibedakan menjadi 3 :(1) Micropores, mempunyai diameter lebih

kecil dari 2 nm.

(2)Mesopores, mempunyai diameter antara

2 sampai 50 nm.

(3)Macropores, mempunyai diameter lebih

besar dari 50 nm.

Pada penelitian kali ini hubungan

antara rasio Si/Al dan variasi beberapa

kation penyeimbang dengan ukuran porizeolit dikaitkan dengan sudut ikatan O-Al-

O, sudut ikatan O-Si-O, panjang ikatan Al-O

dan panjang ikatan Si-O yang terbentuk

pada zeolit. Dimensi sel satuan menurun

seiring peningkatan rasio Si/Al yang

dikarenakan panjang ikat Si-O (0.162 nm)

lebih pendek dibanding panjang ikat Al-O

(0.172 nm) (Bae and Seff 2001 dalam Nor


4/19

4

2006). Untuk kation penyeimbang,

perubahan ukuran pori zeolit dipengaruhi

oleh jari-jari kation penyeimbang, muatan

kation penyeimbang dan letak kation dalam

zeolit.

Zeolit ZSM-5ZSM-5 merupakan contoh dari

zeolit yang mempunyai pori sedang dengan

unit sel orthombik. Saluran ini ditentukan

oleh jumlah ring yang membentuk

selektifitas zeolit. Selektifitas ZSM-5 sangat

penting pada reaksi katalis seperti

pemecahan parafin, perubahan olefin,

aromatisasi dan hidrogenasi minyak. ZSM-5

sebagai katalis lebih menarik karena terdiri

dari Al yang sedikit yang dimodifikasi dan

perbedaan variasi kenaikan aktivitas katalis.

Pori ZSM-5 sekitar 5,1 x 5,5 oA dan 5,4 x5,6

oA (Hamdan 1992).

Zeolit ZSM-5 biasa ditulis dengan

rumus kimia oksida Nan (AlO2)n (SiO2)96-

n.16 H2O, dengan n


5/19

5

Mekanika KuantumBanyak aspek dinamik dan struktur

molekul dapat dimodelkan menggunakan

metode klasik dalam bentuk dinamik dan

mekanika molekul. Medan gaya (force field)klasik didasarkan pada hasil empiris yang

merupakan nilai rata-rata dari sejumlah

besar data parameter molekul. Karena

melibatkan data dalam jumlah besar,

hasilnya baik untuk sistem standar, namun

demikian banyak pertanyaan penting dalam

kimia yang tidak dapat semuanya terjawab

dengan pendekatan empiris. Jika ingin

mengetahui lebih jauh tentang struktur atau

sifat lain yang bergantung pada distribusi

kepadatan elektron, maka penyelesaiannya

harus didasarkan pada pendekatan yang

lebih teliti dan bersifat umum yaitu kimia

kuantum. Pendekatan ini juga dapatmenyelesaikan permasalahan non-standar,

yang pada umumnya metode mekanikamolekul tidak dapat diaplikasikan.

Kimia kuantum didasarkan pada

postulat mekanika kuantum. Kimia kuantum

digambarkan sebagai fungsi gelombang

yang dapat diperoleh dengan menyelesaikanpersamaan Schrdinger. Persamaan ini

berkaitan dengan sistem dalam keadaan

stationer dan energi mereka dinyatakan

dalam operator Halmitonian. Operator

Hamiltonian dapat dilihat sebagai aturan

untuk mendapatkan energi terasosiasi

dengan sebuah fungsi gelombang yangmenggambarkan posisi dari inti atom dan

elektron dalam sistem (Indriadi 2006).

Persamaan Schrdinger dalam

prakteknya tidak dapat diselesaikan secara

eksak sehingga harus dibuat beberapapendekatan. Pendekatan dinamakan

mekanika molekuler jika molekul sangat

besar untuk ditinjau dengan metode

semiempiris, masih ada kemungkinan untuk

memodelkan kelakuan mereka dengan

mengabaikan mekanika kuantum secara

penuh (Pranowo 2000).

Semua perhitungan orbital molekul

adalah perkiraan dari persamaan

Schrdinger. Energi dan fungsi gelombang

sistem dalam keadaan stationer dapat

dihasilkan dengan mencari penyelesaianpersamaan Schrdinger.

= E (1)Dalam hal ini adalah energi operatorHamiltonian yang menyatakan energi

kinetik dan potensial dari sistem yang

mengandung elektron dan inti atom. Energi

ini analog dengan energi kinetik mekanika

klasik dari partikel dan interaksi

elektrostatik coulombik antara inti dan

elektron. adalah fungsi gelombang yangmerupakan fungsi koordinat inti dan

elektron dan E adalah energi total dari

sistem. Fungsi gelombang ini bergantung

pada posisi elektron dan inti atom.Hamiltonian disusun oleh tiga bagian yaitu

energi kinetik inti, energi kinetik elektronserta energi potensial inti dan elektron (

Moertolo 1984).

Metode Kimia KomputasiMetode kimia komputasi dapat

dibedakan menjadi 2 bagian besar yaitu

mekanika molekuler dan struktur elektronik

yang terdiri dari ab-Initio dan semiempiris.

Metode yang sekarang berkembang pesat

adalah teori kerapatan fungsional (density

fungsional theory, DFT).

Pendekatan dinamakan ab-initiojika metode tersebut dibuat tanpa

menggunakan data empiris, kecuali untuk

tetapan dasar seperti massa elektron dan

tetapan Planck yang diperlukan untuk

sampai pada prediksi numerik.Teori ab-initio adalah sebuah konsep perhitungan

yang bersifat umum dari penyelesaian

persamaan Schrdinger yang secara praktis

dapat diprediksi tentang keakuratan dan

kesalahanya.


6/19

6

Gambar 2. Pembagian metode kimia komputasi.

Kelemahan metode ab-initioadalah

kebutuhan yang besar terhadap kemampuan

dan kecepatan komputer. Penyederhanaan

perhitungan dapat dimasukkan ke dalam

metode ab-initio dengan menggunakan

beberapa parameter empiris sehingga

dihasilkan metode kimia komputasi baruyang dikenal dengan semiempiris. Metode

semiempiris dapat diterapkan dalam sistem

yang besar dan menghasilkan fungsi

gelombang elektronik yang baik sehingga

sifat elektronik dapat diprediksi.

Dibandingkan dengan perhitungan ab-initio,

realibilitas metode semiempiris lebih rendah

dan penerapan metode semiempiris

bergantung pada ketersediaan parameter

empiris seperti halnya pada mekanikamolekuler, tetapi jika data empiris semakin

banyak, hasilnya bisa sama dengan ab-Initio.

Gambar 3. Karakterisasi metode kimia komputasi (Pranowo 2000).

Kimia kuantum hanya dapat

diterapkan pada sistem kecil untuk

mendapatkan ketelitian yang tinggi. Metode

ini dapat memprediksi sifat elektronik

Mekanika Molekuler

100.000 atom

SemiempirisKuantum Mekanik

1000 atom

Ab-Initio

Kuantum Mekanik

100 atom

Keperluan fungsi potensialyang diturunkan secara

empiris

Penyelesaian secarapendekatan persamaan

Schodinger

Penyelesaian secarapendekatan persamaan

Schodinger

Kebutuhan parameter

empiris

Kemampuan komputer

AB-

INITIO

KIMIA KOMPUTASI

MEKANIKA

MOLEKULER

METODE STRUKTUR

ELEKTROIK

DENSITY

FUNCTIONALTHEORY, DFT

SEMI EMPIRIS

POST

SCF


7/19

7

seperti momen elektronik, polarisabilitas,

tetapan pergeseran kimia pada NMR dan

ESR, dan juga dapat diterapkan pada sistem

non-standar yang tidak mungkin

diselesaikan dengan mekanika molekulkarena tidak tersedia parameter yang

mempunyai validitas tinggi.

Mekanika MolekulerMekanika molekuler merupakan

suatu metode empiris yang digunakan untuk

menyatakan energi potensial dari molekul

sebagai fungsi dari variabel geometri.

Elektron tidak dipertimbangkan secara

emplisit dan fungsi energi potensial

bergantung pada posisi inti. Fungsi energi

potensial ini sama dengan pendekatan Born-

Oppenheimer yaitu didasarkan pada

permukaan energi potensial pada tingkat intiatom. Dalam hal ini gerakan elektron

dihitung sebagai rerata relatif terhadappengaruh gerakan inti. Sistem elektronik

dimasukkan secara emplisit dengan

pemilihan yang tepat dari parameter yang

berasal dari data eksperimen.

Pada metode ini molekuldigambarkan sebagai kumpulan atom yang

saling berinteraksi dengan fungsi analitik

sederhana yang didasarkan pada persamaan

mekanika klasik. Parameter yang digunakan

dalam perhitungan energi diturunkan dari

data base struktur yang diperoleh secara

eksperimen dan atau mekanika kuantum.Persamaan dan parameter yang digunakan

untuk mendefinisikan potensial energi

permukaan sebuah molekul dalam mekanika

molekuler merujuk pada sekumpulan angka

yang dinamakan medan gaya (force field).Secara umum medan gaya disusun

untuk suatu golongan yang spesifik dari

molekul. Medan gaya yang dapat digunakan

untuk semua golongan senyawa belum

tersedia sampai sekarang. Medan gaya ini

berbeda dalam bentuk fungsional dari

pernyataan analitik dan dalam himpunan

parameternya. Beberapa contoh metode

perhitungan medan gaya mekanikamolekuler antara lain AMBER (Assisted

model building with energy refinement),

CHARMM, GROMOS (Gronigen

molecular Simulation), MM3 dan lain-lain.

Model mekanika molekuler

dikembangkan untuk mendiskripsikan

struktur dan sifat-sifat molekul sesederhana

mungkin. Bidang aplikasi mekanika

molekuler meliputi:

(1) Molekul yang tersusun oleh ribuan

atom.

(2) Molekul organik, oligonukleotida,peptida dan sakarida.

(3) Molekul dalam lingkungan vakum atau

berada dalam pelarut.

(4) Senyawa dalam keadaan dasar.

(5) Sifat-sifat termodinamika dan kinetika

(melalui dinamika molekul).

Kecepatan komputasi yang tinggi dari

mekanika molekuler memungkinkan kita

untuk menerapkannya dalam docking

protein, pencarian energi konformasi dan

dinamika molekul yang membutuhkan

evaluasi energi yang sangat banyak.

Metode mekanika molekuler

didasarkan atas prinsi-prinsip berikut:(1) Inti dan elektron dipandang sebagai

partikel bak atom (atom like).(2) Partikel bak atom tersebut berbentuk

sferis (jari-jari diperoleh dari data

eksperimen) dan memiliki muatan neto.

(3) Interaksi didasarkan pada potensial

klasik dan pegas (hukum Hooke).(4) Interaksi harus dispesifikasikan terlebih

dahulu untuk atom-atom yang

dipelajari.

(5) Interaksi menentukan distribusi ruang

dari partikel dan energinya.

Pemodelan MolekulPemodelan molekul merupakan

suatu cara untuk menggambarkan atau

menampilkan perilaku molekul atau sistem

molekul sebagai pendekatan dengan keadaan

yang sebenarnya. Pemodelan molekuldilakukan dengan menggunakan metode-

metode mekanika kuantum, mekanika

molekuler, minimasi, simulasi, analisis

konformasi serta beberapa metode kimia

komputasi lain yang memprediksi perilaku

molekul. Model yang umum dikenal ada dua

yaitu :

1. Model molekul dalam bentuk tongkat

(stick)yang dibuat oleh Dreiding.2. Model molekul berupa pengisian ruang

(space filling) yang dibuat oleh Corey,

Pauling dan Koltum. Model ini sering

disebut sebagai model CPK.

Pemodelan molekul dengan metode

mekanika molekuler medan gaya digunakan

untuk molekul besar yang tidak mungkin

dihitung dengan metode mekanika kuantum.


8/19

8

Penggunaan metode mekanika molekuler ini

dapat diinterpretasikan dalam empat pola

komponen sederhana dari intra dan inter

molekuler medan gaya dari suatu sistem.

Hukum-hukum energetik diasosiasikandengan deviasi dari ikatan-ikatan sudut,

dengan suatu fungsi yang menggambarkan

bagaimana energi itu merubah ikatan yang

ada. Medan gaya digambarkan sebagai pola-

pola yang melingkupi sebuah sistem sebagai

interaksi antara bagian-bagian yang tidak

berikatan. Suatu gambaran abstrak dari

reprentasi tersebut adalah bahwa pola-pola

yang sangat banyak dapat dijelaskan oleh

perubahan-perubahan koordinat internal

yang spesifik seperti panjang ikatan, sudut

ikatan, rotasi ikatan atau pergerakan masing-

masing atom (Leach 1996).

Optimasi GeometriInformasi yang didapatkan dari

hasil optimasi terhadap suatu struktur

molekul antara lain geometri molekul, panas

pembentukan, energi, momen dipol,

potensial ionisasi, kerapatan muatan dan

lain-lain. Informasi ini didapatkan untukmolekul dalam keadan fasa gas atau keadaan

vakum. Jarang sekali perhitungan dengan

memasukkan pengaruh solvasi (Pranowo

2000).

Optimasi dalam istilah proses

matematika dimaksudkan untuk menyatakan

bahwa suatu struktur didapatkan denganproses perhitungan dengan cara

membandingkan struktur yang terhitung

dengan struktur sebelumnya. Struktur

dimodifikasi untuk membuat lebih konsisten

dengan informasi parameter yang ada dalamprogram. Beberapa prosedur matematika

telah digunakan untuk menentukan

bagaimana geometri akan berubah dari satu

langkah ke langkah berikutnya.

Suatu bentuk geometri dari struktur

molekul memiliki energi potensial. Untuk

mendapatkan struktur zeolit yang stabil

dilakukan optimasi geometri. Struktur zeolit

yang stabil memiliki energi potensial yangminimum. Dengan tujuan mendapatkan

energi potensial yang minimum dilakukan

minimisasi energi. Optimasi geometri pada

pemodelan molekuler dilakukan dengan

optimasi n variabel tanpa kendala (Bazaraa

et al 1993 dalam Ahmadi 2005).

Penentuan struktur yang stabil dari

molekul merupakan langkah perhitungan

yang paling umum terjadi pada pemodelan

molekul. Energi relatif dari struktur

teroptimasi yang berbeda akan menentukan

kestabilan konformasi, keseimbangan

isomerisasi, panas reaksi, produk reaksi, danbanyak aspek lain dari kimia. Ada 4 jenis

metode optimasi yang sering digunakan,

antara lain:

(1) Steepest descent, dikhususkan untuk

perhitungan yang cepat agar

menghilangkan sterik yang berlebihan

dan masalah tolakan pada struktur awal.

(2) Conjugate gradient Fletcher-Reeves,

untuk mencapai konvergensi yang

efisien.

(3) Conjugate gradient Polak-Riebere,

hampir sama dengan metode Fletcher-

Reeves, yaitu untuk mencapai

konvergensi yang efisien.(4) Block-diagonal Newton-Raphson

(hanya untuk MM+), yangmemindahkan satu atom pada suatu

waktu dengan menggunakan informasi

turunan keduanya.

Algoritma Conjugate gradient lebih baik

digunakan dibandingkan dengan algoritma

Steepest descent. Perbedaan terdapat pada

metode perhitungannya (Wulaningsih 2006).

Algoritma Polak-Ribiere

merupakan salah satu algoritma matematika

yang digunakan pada optimasi geometri

struktur senyawa kimia. Melalui optimasi

geometri dilakukan minimasi energi yaitumencari minimum global pada permukaan

energi potensial. Penentuan algoritma Polak-

Ribiere didasarkan atas pertimbangan waktu

yang dibutuhkan (computer time) dan

tingkat ketelitian komputer saat mencari titikminimum.

Permukaan energi potensial zeolit

memiliki banyak titik minimum, melalui

minimasi energi potensial maupun melalui

metode numeris tidak dapat diketahui letak

titik minimum secara pasti. Minimasi energi

merupakan proses di dalam optimasi energi

untuk mendapatkan energi minimum pada

permukaan energi potensial. Perhitungan didalam komputer memiliki keterbatasan

dalam hal akurasi dan jumlah variabel yang

dihitung, sehingga diperlukan strategi untuk

mengamati energi sebelum dicapai tingkat

keterbatasan komputer (limit).

Cara yang digunakan untuk

menghentikan minimasi energi apabila

energi yang diamati telah cukup minimum


9/19

9

adalah dengan menghitung gradien akar

kuadrat. Gradien akar kuadrat merupakan

akar kuadrat dari kuadrat gradien energi

terhadap koordinat, yang dibagi dengan

jumlah koordinat partikel. Secara matematisdirumuskan sebagai RMS:

(2)

Proses berhenti jika dicapai konvergensi

yaitu RMS dengan >0 dan kecil(Ahmadi 2005).

WindowsTM

, HyperchemTM

Hyperchem adalah suatu program

aplikasi kimia dan fisika yang berbasis

sistem operasi Windows dan memiliki unjuk

kerja tinggi dalam hal simulasi serta

pemodelan molekul. Program ini ditunjangpula oleh kemampuannya dalam perhitungan

mekanika molekuler dan mekanika kuantumuntuk berbagai jenis senyawa kimia dengan

unsur-unsur yang ada dalam sistem periodik

(Susilowati dkk 1998).

Program ini dibuat oleh perusahaan

Hipercube Inc, sebagai penyempurnaan dariHyperchem versi sebelumnya dan mulai

diedarkan di pasaran pada tahun 1996.

Problem-problem kimia kuantum

yang berkaitan dengan molekul umumnya

diselesaikan dengan pendekatan matematis

yang rumit karena menyangkut penyelesaian

differensial dan integral dari persamaanfungsi gelombang. Pada sistem molekul

monoatom dan dwiatom problem ini dengan

sangat hati-hati dapat dihitung secara

manual, namun pada sistem molekul yang

lebih kompleks perhitungan manual menjadisulit, disamping probabilitas kesalahan

perhitungan yang tinggi, juga membutuhkan

waktu yang lama sehingga problem ini

menjadi tak menarik untuk dipecahkan.

Berbagai problem ini menjadi lebih

mudah diatasi dengan penggunaan program

Hyperchem. Dengan basis Windows

penggunaan program ini menjadi lebih

bersahabat, ditunjang oleh menu interaktifdan tampilan 2 dimensi dan 3 dimensi yang

berwarna serta dapat diatur sesuai selera.

Hal ini menyebabkan menjadi tidak cepat

jenuh dalam penggunaan program ini untuk

menunjang penelitian kimia komputasi.

Program Hyperchem memiliki

penggunaan dan aplikasi yang luas yaitu :

(1) Menggambarkan molekul dari atom-

atom dalam bentuk 2 dimensi dan dapat

dikonversi ke bentuk 3 dimensi secaramudah.

(2) Mengkonstruksi senyawa-senyawa

protein dan asam nukleat dari berbagai

asam amino yang ada.

(3) Penataan visualisasi bentuk molekul,

misalnya melalui rotasi dan translasi

dari molekul tersebut, juga penampakan

densitas muatan listrik suatu molekul.

(4) Perhitungan kimia molekuler seperti

molecular dynamic (MD) dengan

metode-metode mekanika molekuler

atau semi empiris dan Ab-initio.

Perhitungan kimia ini memberikan

hasil berupa data-data karakterisasimolekul berupa energi total, energi ikat,

energi atomik terisolasi, energi binding,energi elektronik, energi interaksi inti,

panas pembentukan, momen dipol,

Point Group molekul lengkap dengan

representasi irredusibelnya, nilai eigen

orbital atau dalam molekul, populasielektron dalam orbital atom dan

koordinat cartesius (x,y,z) atom dalam

molekul.

(5) Pembuatan grafik dari hasil perhitungan

kimia, misalnya spektra IR dalam mode

normal dan aktif IR, spektra elektronik

(UV-Vis) dan grafik energi kinetik,potensial dan energi total.

(6) Mempelajari bentuk transisi suatu

reaksi, spektra IR dan UV-Vis dari

suatu molekul atau sistem molekuler.

(7) Simulasi molekuler dinamik, Langevindan Monte Carlo untuk berbagai sistem

molekuler pada kondisi tertentu yang

dapat diatur.

METODE PENELITIAN

Optimasi Struktur Zeolit ZSM-5 dengan

Variasi Si/AlDalam pemodelan molekul ini

dibuat struktur satu unit sel zeolit ZSM-5,dimana yang dibuat model adalah kerangka

zeolit ZSM-5 tanpa H2O selanjutnya

divariasi rasio Si/Al. Zeolit ZSM-5 biasa

ditulis dengan rumus kimia oksida Nan

(AlO2)n (SiO2)96-n.16 H2O, dengan n


10/19

10

Gambar 4. Bagan alir proses pemodelan ZSM-5 dan optimasi geometri dengan metode

mekanika molekuler.

SetupHyperchem Versi 7.5

Menggambar Zeolit ZSM-5 dengan T=Si

ModelBuild

Optimasi Geometri dengan metode mekanika molekuler

Start logdan ditulis nama file. Log-nya

Sin le ointden an metode mekanika molekuler

Sto lo

Save asdalam file1.hin

Membuka file1. hin

Variasi rasio Si/Al

Model build

Optimasi Geometri dengan metode mekanika molekuler

Start log

Single point

Stop log

Disimpan sebagai file.hin

Substitusi Si dengan Al

Gambar 5. Bagan alir proses variasi rasio Si/Al


11/19

11

Variasi rasio Si/Al yang dilakukan yaitu

dengan substitusi n atom Si oleh atom Al

dimana n = 1,2,..10 karena rasio ZSM-5

mempunyai rasio Si/Al 10-100 sehingga

diperoleh:n= 1 atom Si = 95; atom Al = 1

sehingga rasio Si/Al = 95

n= 2 atom Si = 94; atom Al = 2


n= 3. atom Si = 93; atom Al = 3





sehingga rasio Si/Al = 18,2









n= 10.......atom Si = 86; atom Al = 10sehingga rasio Si/Al = 8,6

3.1.1 Pemodelan Zeolit ZSM-5 denganKation yang BerbedaPemodelan zeolit ZSM-5 dengan

pertukaran ion ini dilakukan dengan

penyeimbangkan muatan negatif karena

substitusi atom Si oleh atom Al, yaitu

dengan menambahkan ion monovalen

ataupun divalent. Ion yang ditambahkan

adalah Li+, Na

+ ,Mg

2+ dan Ca

2+. Struktur

ZSM-5 yang dimodel adalah struktur dengan

rasio Si/Al = 47

Gambar 6. Bagan alir pemodelan molekul zeolit ZSM-5 dengan kation yang berbeda.Pengukuran Rongga Zeolit

Ukuran rongga zeolit yang

dimaksud adalah diameter window-nya.

Pengukuran dilakukan terhadap semua

struktur zeolit yang telah dioptimasi

geometri. Dilakukan dengan membuka

file.hin lalu diukur diameter rata-rata

sebagai jarak dari atom O dan atom O lain

yang terjauh.

Membuka file.hin zeolit ZSM-5

dengan rasio 47

Penambahan ion

monovalen/divalen

Optimasi geometri dengan metode mekanika

molekuler

Start log

Single point

Stop log

Disimpan dalam file.hin


12/19

12

Gambar 7. Cara pengukuran panjang

diameter rongga zeolit ZSM-5.

Cara mengukur panjang diameter

rongga zeolit ZSM-5 adalah dengan

mengukur jarak antara atom oksigen dalam

Al-O-Si dengan atom O lain yang terjauh

dalam cincin beranggotakan 10 yang

menghubungkan masing-masing sangkar ,

seperti dijelaskan pada gambar 3.4.Pengukuran jarak atom oksigen dilakukan

dengan sebanyak mungkin titik yang diukur(Subandi 1999). Dari setiap data jarak atom

oksigen dibuat reratanya.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pemodelan Struktur Molekul Zeolit

ZSM-5 dengan Variasi Rasio Si/AlPemodelan molekul zeolit ZSM-5

dilakukan dengan membuat kerangka

struktur satu unit sel zeolit ZSM-5 yang

terdiri dari tujuh sangkar . Sangkar seringdisebut sebagai sangkar pentasil, yang

tersusun dari 13 TO4dimana T adalah atom

Si dan Al. Kerangka dasar struktur satu unit

sel zeolit ZSM-5 dibuat dengan T

seluruhnya Atom Si (Rasio Si/Al = 10-100)

serta tersusun oleh 42 buah UBS 5-1, tanpa

adanya pengaruh kation ataupun molekul

air. Jadi yang menentukan kerangka struktur

zeolit ZSM-5 dalam penelitian ini adalah

atom Si, atom Al dan atom Oksigen. Prosespemodelan molekul ZSM-5 dapat dilihat

pada gambar 4.1.

Gambar 8. Proses pembentukan Zeolit ZSM-5

Selanjutnya dilakukan variasi rasio

Si/Al dengan melakukan substitusi Si4+dengan atom Al3+. Variasi rasio Si/Al

dilakukan dengan tujuan untuk mengamati

perubahan panjang diameter rongga zeolit

ZSM-5 terhadap penambahan Al. Variasi

dilakukan dengan mengubah n atom Si

dengan atom Al dalam sangkar penyusunkerangka zeolit ZSM-5, dimana nilai n

hanya berkisar 1-10, karena sesuai dengan

aturan Lowenstein yang melarang adanya

ikatan Al-O-Al. Untuk setiap substitusi satuatom Al, diperoleh satu struktur zeolit ZSM-

5 dengan rasio Si/Al sesuai dengan jumlah

atom Si dan Al-nya masing-masing.

Kemudian masing-masing molekul

dioptimasi geometri dengan menggunakan

metode mekanika molekular yang terdapat

pada Hyperchem 7.5 versi evaluasi

menggunakan algoritma Polak-Ribiere dan


13/19

13

disimpan sebagai file.hin, sedangkan

perhitungannya disimpan dalam file.log.

Algoritma Polak-Ribiere memberikan

ketelitian lebih tinggi dan waktu minimasi

energi yang cepat. Optimasi geometrimerupakan langkah dalam pemodelan

molekular yang bertujuan mendapatkan

bentuk yang stabil, dimana energi

minimasinya yaitu -125,612312 kkal/mol.

Bentuk geometri yang stabil ditunjukkan

dengan harga energi potensial yang

minimum. Selama optimasi, dilakukan

minimasi energi potensial. Energi potensial

zeolit ZSM-5 merupakan fungsi dari intiatom-inti atom penyusun zeolit ZSM-5.

Perhitungan-perhitungan matematis dalam

optimasi geometri sepenuhnya dilakukan

oleh komputer.

Tabel 1. Energi minimum hasil optimasi geometri struktur zeolit ZSM-5 dengan variasi rasio

Si/Al.

No Rumus Struktur Rasio Si/Al Energi minimum (kkal/mol)

1 (SiO2)96 ~ -125,612312

2 (SiO2)95(AlO2)1 95 -128,5061584

3 (SiO2)94 (AlO2)2 47 -126,1139611

4 (SiO2)93(AlO2)3 31 -126,133717

5 (SiO2)92 (AlO2)4 23 -126,154392

6 (SiO2)91(AlO2)5 18,2 -126,1735798

7 (SiO2)90(AlO2)6 15 -126,1943191

8 (SiO2)89(AlO2)7 12,7 -126,2168436

9 (SiO2)88(AlO2)8 11 -126,2391129

10 (SiO2)87 (AlO2)9 9,67 -126,2612136

11 (SiO2)86(AlO2)10 8,6 -126,283928

Dari tabel 1 terlihat bahwa semakin

bertambahnya jumlah atom Si yang

disubstitusikan oleh atom Al jelas

menyebabkan penurunan rasio Si/Al.Penurunan rasio Si/Al ini secara umum

diikuti oleh penurunan energi minimumnya.

Dengan demikian pemodelan zeolit ZSM-5

dengan metode mekanika molekular ini

menunjukkan bahwa pertambahan jumlah

atom Al dalam kerangka dasar zeolit ZSM-5

secara umum akan menyebabkan kenaikanstabilitas struktur kerangka dasar zeolit

ZSM-5 tersebut (ditandai dengan penurunan

energi minimumnya).


14/19

14

Gambar 9. Grafik energi minimum vs rasio Si/Al.

Namun jika diperhatikan, pada gambar

9 terlihat bahwa penurunan energi ini tidak

secara linier. Letak ketidak-linieran ini

terutama pada saat rasio Si/Al = 47. Pada

saat atom Al menggantikan atom Si, energi

justru meningkat. Meningkatnya energi ini

diperkirakan disebabkan oleh karena faktor

kesimetrisan struktur zeolit ZSM-5 yang

terbentuk pada saat sejumlah atom Al

tersebut menggantikan atom Si. Struktur

yang semakin simetris akan memiliki

kestabilan yang lebih tinggi sehingga energi

minimumnya lebih rendah.

Setelah diperoleh struktur-struktur

dengan geometri yang stabil, selanjutnya

dilakukan pengukuran diameter ronggayang

berupa cincin beranggotakan 10 yang

menghubungkan masing-masing sangkar ,dari pengukuran yang dilakukan diperoleh

data seperti pada tabel 2.

Tabel 2. Diameter rongga zeolit ZSM-5 dengan variasi rasio Si/Al.

No Rumus Struktur Rasio Si/AlDiameter rongga rata-rata

(oA)

Diameter ronggaterpendek

(oA)

Diameter ronggaterpanjang

(oA)

1 (SiO2)96 ~ 7,986263 6,61149 9,74462

2 (SiO2)95(AlO2)1 95 7,9853703 6,1668 9,745

3 (SiO2)94(AlO2)2 47 7,993943222 6,60057 9,7549

4 (SiO2)93(AlO2)3 31 7,996730556 6,60057 9,75522

5 (SiO2)92(AlO2)4 23 7,99897344 6,59504 9,77299

6 (SiO2)91(AlO2)5 18,2 8,000801667 6,59525 9,77398

7 (SiO2)90(AlO2)6 15 8,002635111 6,58895 9,77718

8 (SiO2)89(AlO2)7 12,7 8,004636556 6,58895 9,78115

9 (SiO2)88(AlO2)8 11 8,006925111 6,58937 9,78146

10 (SiO2)87(AlO2)9 9,67 8,008799 6,58708 9,784

11 (SiO2)86(AlO2)10 8,6 8,010171 6,60051 9,78168

Bila dibuat grafik hubungan antara

rasio Si/Al dengan diameter rata-rata rongga

zeolit ZSM-5 maka diperoleh gambar

sebagai berikut:

Grafik energi minimum vs rasio Si/Al

-129

-128.5

-128

-127.5

-127

-126.5

-126

-125.5

0 20 40 60 80 100

Rasio Si/Al


15/19

15

Gambar 10. Grafik diameter rongga vs rasio Si/Al

Dari tabel 2 dapat diketahui bahwa

diameter rongga rata-rata sebesar 7,9 oA

sampai 8,0oA, sedangkan diameter

terpendek sebesar 6,1668oA pada rasio

Si/Al = 95 dan terpanjang sebesar 9,784oA

pada rasio Si/Al = 9, dengan semakin

banyaknya substitusi atom Si oleh atom Almenyebabkan terjadinya kenaikan ukuran

rongga meskipun kenaikannya tidak linier,

seperti terlihat pada gambar 10, semakin

besar rasio Si/Al diameter rongga juga

cenderung semakin kecil. Sebaliknya

peningkatan rasio Si/Al mengakibatkan

penurunan diameter rongga dari zeolit ZSM-

5, sehingga mengakibatkan selektifitaskatalis semakin meningkat (Handoko 2003).

Gambar 11. Panjang ikatan dalam Zeolit ZSM-5

Pembesaran diameter rongga

disebabkan adanya atom Al dalam kerangkastruktur zeolit ZSM-5 menyebabkan

terjadinya pemanjangan panjang ikatan atom

Al-O-Si, karena panjang ikatan Al-O

(1,63394oA) lebih besar dibandingkan

panjang ikatan Si-O (1,63287oA). Sehingga

semakin banyak atom Si yang tersubstitusi

oleh atom Al, panjang ikatan antar TO4juga

semakin panjang dan menyebabkan rongga

semakin membesar, sebagai konsekuensinya

ukuran unit selnya akan menyusut.

Penyusutan tersebut mengakibatkan

meningkatnya rasio Si/Al dan mengecilnya

ukuran diameter rongga.

Pemodelan Struktur Molekul Zeolit

ZSM-5 dengan Variasi KationMuatan negatif yang ditimbulkan

adanya atom Al dalam zeolit akan

diseimbangkan oleh ion-ion monovalen atau

divalen. Kation-kation penyeimbang muatan

dalam zeolit dapat mengalami pertukaran

ion, tidak hanya antar kation yangbermuatan sama, tetapi juga antar kation

berbeda valensi. Pertukaran kation yang

berbeda ukuran atau muatan listriknya akan

berpengaruh terhadap ukuran pori dan sifat

penyerapannya. Berubahnya ukuran pori

akan menyebabkan berubahnya selektifitas

zeolit.

Kation-kation logam yang terdapat

dalam zeolit berperan sebagai pengontrol

terhadap aktivitas sampel katalis. Kation

dari logam alkali seperti Na dan K dapat

menyebabkan deaktivasi terhadap sampel

katalis, sedangkan kation divalen dan

trivalen umumnya akan memberikan

pengaruh terhadap keaktivan sampel. Secara

umum kation-kation monovalen dalam

zeolit, bersifat sebagai pengotor dan dapat

mendeaktivasi sampel katalis sedangkan

kation trivalen dan polivalen dapat

1,63287oA

1.63394oA

Grafik diemeter rongga vs rasio Si/Al

7.98

7.985

7.99

7.995

8

8.005

8.01

8.015

0 20 40 60 80 100

Rasio Si/Al

Diam

eterRongga(A)

Grafik diameter ron a vs rasio


16/19

16

menambah keaktivan sampel katalis

(Boudart 1987 dalam Handoko 2002).

Dalam zeolit ZSM-5 umumnya berupa

zeolit NaZSM-5 dengan kation

penyeimbang muatan negatifnya adalah ionNa

+, dimana dengan adanya ion Na

+ ini

menyebabkan terjadinya perubahan ukuran

rongga dari struktur pertama yang hanya

ditentukan oleh atom Si, Al dan O saja.

Pertukaran ion Na+ dengan ion monovalen

atau ion divalen yang lain akan

menyebabkan berubahnya ukuran rongga,

apakah itu menjadi lebih besar atau menjadi

lebih kecil.

Dalam penelitian ini akan dipelajari

perubahan ukuran rongga karena pertukaran

ion Na+ dengan ion Li

+, Ca

2+ dan Mg

2+.

Pemodelan dilakukan terhadap struktur

zeolit ZSM-5 dengan rasio Si/Al = 47,karena zeolit ZSM-5 mempunyai rasio

antara 10-100. Struktur zeolit ZSM-5berasio Si/Al = 47 ditambah kation Na

+,

dengan rumus molekul Na2(AlO2)(SiO2)94.

Kation dianggap berinteraksi secara

langsung dengan atom Al karena yang

menyebabkan muatan negatif adalah atomAl. Hal ini disebabkan program Hyperchem

yang digunakan hanya dapat menghitung

energi potensial dari atom-atom yang saling

berikatan. Sehingga untuk mengetahui

pengaruh kation terhadap ukuran rongga,

kation harus berinteraksi secara langsung

dengan atom-atom dalam kerangka strukturzeolit ZSM-5.

Setelah diperoleh struktur zeolit ZSM-5

dengan kation Na+, dilakukan optimasi

geometri dan diperoleh struktur yang stabil

dengan energi minimum sebesar -136,627213 kkal/mol. Kemudian dilakukan

substitusi ion Na+dengan ion Li

+, Mg

2+dan

Ca2+

, dan masing-masing struktur dioptimasi

geometri sehingga diperoleh struktur yang

stabil. Zeolit ZSM-5 dengan ion Li+

mempunyai energi minimum sebesar -

131,766739 kkal/mol, sedangkan dengan ion

Mg2+

energi minimumnya sebesar -

128,682861 kkal/mol dan sedangkan ionCa

2+mempunyai energi minimum sebesar -

127,822334 kkal/mol.

Melihat pada energi minimum masing-

masing struktur zeolit ZSM-5 dengan kation

yang berbeda dapat diketahui bahwa energi

minimumnya zeolit ZSM-5 dengan ion Na+ ion Na+

>ion Mg2+

> ion Li+.

Semakin kecil ukuran ion, energi permukaan

struktur semakin besar, sedangkan pada

zeolit ZSM-5 dengan kation Na+, Li+ dan

Mg2+

yang ukuran ionnya lebih kecil dari

ukuran ion Ca2+

, tetapi energinya lebih

rendah daripada zeolit ZSM-5 dengan ion

Na+. Perbedaan energi karena ukuran ion inidisebabkan oleh pengaruh interaksi inti

kation terhadap zeolit. Semakin jauh jarakinti kation dan inti atom Al, untuk berikatan

diperlukan energi semakin besar, tetapi

semakin pendek jarak inti belum tentu

energi yang diperlukan akan semakin rendah

karena ada kemungkinan kedua atom akantolak-menolak. Dan pada suatu jarak tertentu

antara dua atom, ikatan akan mempunyai

energi paling minimum yaitu pada jarak

optimum. Sedangkan ion Na+ membentuk

struktur yang paling stabil dibandingkan ion

Ca+, diperkirakan selain karena hal tersebut

diatas, juga karena ion Na+

mempunyaivalensi 1 sehingga hanya menetralkan

muatan negatif parsial dari 1 atom Al.

Berbeda dengan ion Ca2+

yang bervalensi

dua sehingga perlu adanya kesetimbangan

dalam menetralkan muatan negatif dari 2atom Al, dan untuk itu memerlukan energi

yang lebih besar.

Setelah dilakukan optimasi geometri,

selanjutnya dilakukan pengukuran ukuran

rongga terhadap struktur-struktur zeolit

ZSM-5 dengan kation yang berbeda untuk

mengetahui kation yang menghasilkan zeolit

dengan ukuran rongga yang paling besar.

Pengukuran rongga dilakukan sepertipengukuran yang telah dilakukan terlebih

dahulu, hasil pengukuran seperti tercantum

pada tabel 3.


17/19

17

Tabel 3. Diameter rongga zeolit ZSM-5 dengan variasi kation.

Rumus Struktur Kation

Ukuran

Kation

(oA)

Diameter rongga

rata-rata

(oA)

Diameter

rongga

terpendek(oA)

Diameter

rongga

terpanjang(oA)

Na2(AlO2)2(SiO2)94 Na+ 1,78 7,97029 6,52347 9,78878

Li2(AlO2)2(SiO2)94 Li+ 1,45 7,98574 6,59763 9,73709

Mg(AlO2)2(SiO2)94 Mg2+ 1,5 7,98248 6,58228 9,74498

Ca(AlO2)2(SiO2)94 Ca2+ 1,8 7,98462 6,58768 9,74385

Dari tabel 3 dapat diketahui bahwa

ukuran diameter rongga struktur ZSM-5

dengan kation Li+ > Ca

2+ > Mg

2+ >Na

+.

Dengan demikian zeolit ZSM-5 dengankation Li

+ mempunyai ukuran rongga yang

paling besar yaitu 7,98574oA. Hal ini

karena adanya beberapa faktor yaitu

pelebaran sudut T-O-T paling besar

sehingga membentuk rongga yang besar dan

dilihat dari ukuran kationnya Li+

mempunyai ukuran kation lebih besar yaitu

1,78oA dibandingkan kation Ca

2+, Mg

2+dan

Na+. Selain itu dengan melihat data energi

minimumnya, zeolit ZSM-5 dengan kation

Li+mempunyai energi yang memungkinkan

sehingga cukup stabil, meskipun energi

minimumnya sedikit lebih tinggi

dibandingkan zeolit ZSM-5 dengan kation

Na+. Sedangkan zeolit ZSM-5 dengan kation

Mg2+

dan Ca2+

cenderung tidak stabil karena

energi minimumnya lebih besar.

Gambar 12. Perubahan sudut ikatan T-O-T karena pengaruh kation.

142,02o

142,077o

142,249 o

142,488o


18/19

18

KESIMPULANDari hasil penelitian dan pembahasan

dapat diambil kesimpulan bahwa studimengenai pengaruh rasio variasi Si/Al dan

variasi kation terhadap rongga zeolit ZSM-5

dapat dilakukan melalui pemodelan molekul

menggunakan metode mekanika molekuler,

pengurangan rasio Si/Al memperbesar

diameter rongga zeolit ZSM-5, struktur

zeolit ZSM-5 memiliki diameter rongga

diameter terpendek sebesar 6,1668oA pada

rasio Si/Al = 95 dan terpanjang sebesar

9,784 oA pada rasio Si/Al = 9 dan kation

penyeimbang muatan yang berbeda pada

zeolit ZSM-5 menyebabkan perubahan

ukuran rongga, dimana ukuran rongga

dengan kation Li+> Ca2+> Mg2+>Na+.

DAFTAR PUSTAKA

Ahmadi, 2005. Pengaruh Logam

Molibdenum, Nikel dan Molekul

Air Terhadap struktur Zeolit Shell-

1.5 dan Shell-2.0: Kajian Teoritis

Dengan Menggunakan Metode Ab

Initio. Skripsi. Yogyakarta: UGM.

Allinger, Norman.1996. Hyperchem

Chemistry Part1, Practical Guide

Part 2 Theory and Methods.

Canada: University of Georgia.

-----------------------1996. HyperchemRelease 5.0 for Windows Reference

Manual. Canada: University of

Georgia.

Anggoro, Didi Dwi dan Amin, Nor A.S.

2007. Effect of Metal LoadedDealuminated HZSM-5 Catalyst :

International Symposium on

Nanotechnology and Catalysis.

Tangerang: Indonesian Institute of

Sciences.

Bruce, C. Gates. 1991. Chatalyst Chemistry.

Chatalys Biliographical. USA:

Reference and Index.

Hamdan, Halimaton.1992. Introduction toZeolit : Syntetis, Characterization

and Modification. Malaysia :

Universiti Teknologi Malaysia.

Handoko, P. Setyawan, D. 2002. Pengaruh

Perlakuan Asam, Hidrotermal dan

Impregnasi Logam Kromium Pada

Zeoli Alam dalam Preparasi

Katalis. Jurnal Ilmu Dasar vol. 3

No. 2. Jember : UNEJ.

--------------------------------- 2003. AktivitasKatalis Cr/Zeolit dalam Reaksi

Konversi Katalitik Fenol dan Metil

Isobitil Keton. Jurnal Ilmu Dasar

vol. 4, No. 2. Jember: UNEJ.

Indriadi, Nur. 2006. Kajian Teoritia Reaksi

Dekomposisi Senyawa Eritromisin

A dan 6,7

-Anhidroeritromisin A

Dengan Metode Semiempiris

CNDO. Skripsi. Yogyakarta: UGM.

Kusumawardani, Cahyorini. 1999.

Perubahan Ukuran Rongga Pada

Modifikasi Molekul Zeolit A

Dengan Variasi Rasio Si/Al Dan

Variasi Kation MenggunakanMetode Mekanika Molekuler.

Skripsi. Yogyakarta: UGM.Leach, A.R. 1996. Molecular Modelling :

Principles and Applications.

Singapore: Longman.

Moertolo, Ali dkk.1984. Kimia Kuantum

Untuk Penggemar Kimia Di

Indonesia. Surabaya: PT. Bina

Ilmu.

Nor, K.S. 2006. Structural and gas

adsorption characteristics of

zeolite Adsorbents. Malaysia :

Faculty of Chemical and

Natural Resources EngineeringUniversiti Teknologi Malaysia.

Oktarini. 2006. Aktivitas ZnO/Zeolit Alam

Teraluminasi Cahaya Matahari

Dalam Menurunkan Kadar

Senyawa Fenol dalam Limbah

Tekstil. Skripsi. Semarang:

UNNES.

Pradipta, Mokhammad Fajar. 2000. Studi

Konformasi Dan Ikatan Hidrogen

Pada Etilmetilamonium-

Dimetansulfonilamidat Dengan

Metoda Mekanika Molekuler Dan

Semi Empirik. Skripsi. Yogyakarta:

UGM.Pranowo, Harno Dwi. 2000. Pengantar

Kimia Komputasi. Yogyakarta:

Pusat Kimia Komputasi Indonesia-

Austria UGM.

Priatmoko, Sigit. 1999. Optimasi Dan Studi

Kinetika Reaksi Konversi 3-metil-1-butanol

Menggunakan Katalis Pt/Zeolit Alam.Tesis.

Yogyakarta:UGM.


19/19

19

Ribiero, R.F., Ridrigues, A.E., Rollman,

L.D. 1984. Zeolit: Science and Technology.

Netherland: Martinus Nijhoff Plubishers.

Setiawan, Irwan. 2006. Evaluasi struktur

Kompleks Asetonitril-Diklorometana suatu Kajian

Teoritis Menggunakan Mekanika

Kuantum Ab-Initio. Skripsi.

Yogyakarta: UGM.

Subandi. 1999. Pemodelan molekul Faujasit

Dan Pengaruh Rasio Si/Al Serta

Template Organik Terhadap

Diameter Rongga faujasit. Skripsi.

Yogyakarta: UGM.

Sukandarrumidi. 1999. Bahan Galian

Industri. Yogyakarta: Gajah Mada

University Press.

Susilowati, Endang; Arif Saleh. 1998.

Berkreasi dan Meneliti denganHyperchem Versi 5.01. Yogyakarta:

UGM.Thamzil Las, http://www.batan.go.id

Trisunaryanti, Wega. 2006. Buku Ajar Zat

Padat. Yogyakarta: Program Studi

Ilmu Kimia FMIPA Sekolah Pasca

Sarjana UGM.Tsitsihvili, G.V., Kirov, G.N., Filizosa, L.D.

1992.Natural Zeolit. Great Britain:

Ellis Horwood Limited.

Ulfah, Maria. 2004. Aktifitas Fotokatalis

ZnO/Zeolit Alam Terhadap

Fotodegradasi Fenol Sebagai

Model Limbah Orfanik. Skrupsi.Semarang: UNNES.

Wulaningsih, Yulia. 2006. Struktur Asosiasi

Senyawa Komplek Asetonitril-

Metanol: Kajian Mekanika

Kuantum Ab-Initio. Skripsi.Yogyakarta: UGM.

artikel nanik

Documents