Makalah Kimia Komputasi

7/25/2019 Makalah Kimia Komputasi

1/14

MAKALAH KOMPUTASI KIMIA

KONSEP DAN PENERAPAN KOMPUTASI DALAM BIDANG

ILMU KIMIA

OLEH

KELOMPOK 2

NOVA FEBRIANTI F1C114003

ROMEIDA BERLIAN PUTRI SINAGA F1C114013

LILI KADARIAH F1C114021

NIKE DESVI YULIANTI F1C114037

DEFIA INDAH PERMATASARI F1C114045

ABDI WAHYUDI F1C114051

REZKY AULIA FIRMANDIA PUTRA F1C114057

RENI ANGGRAINI F1C114071

DOSEN PEMBIMBING: DIAH MASTUTIK, M.Si

PROGRAM STUDI KIMIAJURUSAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN

ALAM

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS JAMBI

JAMBI

2016


2/14

i

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penyusun ucapkan kehadirat Allah SWT. Atas berkat dan

rahmat-NYA penyusun dapat menyelesaikan pengerjaan makalah yang berjudul

Prinsip dan Penerapan Komputasi dalam Bidang Ilmu Kimia ini dengan sebaik-

baiknya yang mampu penyusun lakukan.

Ucapan terima kasih penyusun sampaikan kepada Ibu Diah Masutik, M.Si

selaku dosen pengampu mata kuliah Kimia Komputasi yang telah memberikan

tugas untuk membuat makalah yang menjadi sarana pembelajaran mandiri oleh

mahasiswa.

Penyusun sangat berharap dengan perantara makalah ini banyak pihak yangmemperoleh ilmu-ilmu baru terkait Kimia Komputasi untuk menunjang proses

pembelajaran di kampus maupun dalam pengerjaan tugas-tugas kuliah.

Walau bagaimanapun, penyusun menyadari makalah ini masih memiliki

banyak celah kekurangan yang perlu perbaikan dan koreksi dari dosen pengampu

dan teman-teman sekalian. Sebab itu, kritik dan saran sangat penyusun harapkan

untuk perbaikan di kemudian hari.

Jambi, 06 Februari 2016

Penyusun


3/14

ii

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ............................................................................................. i

DAFTAR ISI ........................................................................................................... ii

BAB I. PENDAHULUAN ...................................................................................... 1

1.1.

Latar Belakang ......................................................................................... 1

1.2.

Rumusan Masalah .................................................................................... 2

1.3. Tujuan ....................................................................................................... 2

BAB II. LANDASAN TEORI ................................................................................ 3

2.1. Pengertian Kimia Komputasi ................................................................... 3

2.2.

Metode Kimia Komputasi ........................................................................ 3

BAB III. ISI ............................................................................................................. 5

3.1. Prinsip Dasar Kimia Komputasi ............................................................... 5

3.2.

Penerapan Komputasi di Bidang Kimia dari Berbagai Ruang Lingkup... 5

3.3. Beberapa Program Kimia Komputasi ....................................................... 8

BAB IV. PENUTUP ............................................................................................. 10

4.1. Kesimpulan ............................................................................................. 10

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 11


4/14

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Menurut Tahir (2014), penggunaan komputer untuk membantu kebutuhan

penyelesaian masalah dalam bidang kimia meliputi kajian-kajian secara molekuler

yang kemudian dikaitkan pada sistem makroskopisnya. Kajian menerapkan

berbagai konsep teori kimia fisik (khususnya kimia kuantum) dan ditunjang konsep

lain (khemometri, informasi, dan lain-lain) yang diselesaikan dengan perhitungan

yang terprogram di komputer.

Ilmu kimia ini lebih banyak dipelajari dengan menggunakan komputer

daripada dengan dikerjakan di laboratorium. Komputer digunakan untuk

perhitungan dan pemodelan untuk mengkaji aspek-aspek struktur, reaktivitas dan

berbagai sifat molekul. Perkembangan ilmu kimia komputasi saat ini berkembang

cukup pesat karena kemajuan teknologi komputer terutama didukung oleh aspek

kecepatan serta desain dan struktur algoritma perhitungan kuantum yang semakin

efisien. Hal tersebut dapat membantu dalam penerapan konsep kimia dengan lebih

rasional dan juga membantu menerangkan konsep kimia yang masih baru dan masih

belum dikenal saat ini.

Perkembangan kimia komputasi yang sangat pesat telah mengubah deskripsi

suatu sistem kimia dengan memasukan unsur baru di antara eksperimen dan teori

yaitu eksperimen komputer. Dalam eksperimen komputer, model masih tetap

menggunakan hasil dari pakar kimia teoritis, tetapi perhitungan dilakukan dengan

komputer berdasar atas suatu algoritma yang dituliskan dalam bahasa

pemrograman. Keuntungan dari metode ini adalah:

a. Dimungkinkannya menghitung sifat molekul yang kompleks dan hasil

perhitungannya berkorelasi secara signifikan dengan data eksperimen.

b. Pemodelan relatif mudah dijalankan dibandingkan langkah eksperimen yang

relatif banyak kendala.

c.

Pemodelan umumnya aman dibandingkan kerja eksperimen yang memiliki

risiko bahaya.


5/14

2

d. Pemodelan dapat dikatakan berbiaya minimal dibandingkan kerja eksperimen

yang sangat mahal.

e.

Pemodelan dapat diterapkan pada kebanyakan sistem kimia, sedangkan

eksperimen relatif terbatas.

f. Pemodelan dapat menghasilkan informasi langsung dibandingkan

pengamatan eksperimen yang sering memerlukan interpretasi yang tidak

jelas.

g.

Pemodelan dapat menghasilkan informasi mendasar tentang molekul yang

terisolasi tanpa ada efek pelarut.

Perkembangan eksperimen komputer mengubah secara substansial hubungan

tradisional antara teori dan eksperimen. Simulasi komputer membutuhkan suatu

metode yang akurat dalam memodelkan sistem yang dikaji. Simulasi sering dapat

dilakukan dengan kondisi yang sangat mirip dengan eksperimen sehingga hasil

perhitungan kimia komputasi dapat dibandingkan secara langsung dengan

eksperimen. Jika hal ini terjadi, maka simulasi bersifat sebagai alat yang sangat

berguna, bukan hanya untuk memahami dan menginterpretasi data eksperimen

dalam tingkat mikroskopik, tetapi juga dapat mengkaji bagian yang tidak terjangkau

secara eksperimen, seperti reaksi pada kondisi tekanan yang sangat tinggi atau

reaksi yang melibatkan gas berbahaya.

1.2. Rumusan Masalah

1. Bagaimana prinsip dalam kimia komputasi?

2. Bagaimana penerapan komputasi dalam bidang ilmu kimia?

3. Apa saja program yang digunakan untuk melakukan komputasi?

1.3. Tujuan

1. Memahami prinsip-prinsip dalam kimia komputasi.

2. Memahami apa saja manfaat komputasi dalam bidang ilmu kimia.

3.

Memberikan informasi mengenai beberapa program komputer yang

digunakan dalam kimia komputasi.


6/14

3

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1. Pengertian Kimia Komputasi

Kimia komputasi berkembang sangat pesat sebagai bagian dari kimia teori

yang difokuskan pada penyelesaian masalah-masalah yang berkait dengan kimia

dengan cara perhitungan. Bagi pemula, akan dihadapi tiga kesulitan yaitu:

1. Pemahaman terhadap bahasa/kode komputer yang biasanya melibatkan

bermacam-macam akronim.

2. Masalah teknis perhitungan, misalnya bagaimana sebenarnya program

berjalan dan apa arti hasil perhitungan yang dihasilkan oleh komputer.

3.

Kualitas hasil, yang menyangkut seberapa baik data yang dihasilkan

dibandingkan dengan data eksperimen.

Perkembangan kimia komputasi yang sangat pesat dimulai pada tahun 1950-

an telah mengubah deskripsi suatu sistem kimia dengan memasukan unsur baru di

antara eksperimen dan teori yaitu eksperimen komputer (Computer Experiment).

Dalam eksperimen komputer, model masih tetap menggunakan hasil dari pakar

kimia teoritis, tetapi perhitungan dilakukan dengan komputer berdasar atas suatu

"resep" yang berupa algoritma yang dituliskan dalam bahasa pemrograman.

Keuntungan dari metode ini adalah dimungkinkannya menghitung sifat molekul

yang kompleks dan hasil perhitungannya berkorelasi secara signifikan dengan data

eksperimen (Pranowo, 2007).

2.2. Metode Kimia Komputasi

Metode kimia komputasi secara garis besar dibedakan atas mekanika

molekuler dan metode struktur elektronik. Mekanika molekuler didasarkan pada

mekanika klasik dan dapat digunakan untuk menentukan sifat senyawa yang

mempunyai massa molekul besar. Metode struktur elektronik dapat berupa ab-

initio, semi empiris dan density functional theory, DFT (Pranowo, 2007).

Menurut Pranowo (2000), medan gaya (Force Field) klasik didasarkan pada

hasil empiris yang merupakan nilai rata-rata dari sejumlah besar data parameter

molekul. Namun demikian banyak pertanyaan penting dalam kimia yang tidak


7/14

4

dapat semuanya terjawab dengan pendekatan empiris. Jika ada keinginan untuk

mengetahui lebih jauh tentang struktur atau sifat lain yang bergantung pada

distribusi kepadatan elektron, maka penyelesaiannya harus didasarkan pada

pendekatan yang lebih teliti yaitu kimia kuantum. Pendekatan ini juga dapat

menyelesaikan senyawa-senyawa non-standar, yang pada umumnya metode

mekanika molekul tidak dapat diaplikasikan.

A. Ab Initio

Istilah ab initio berasal dari bahasa latin yang diberikan untuk menandai

perhitungan yang diturunkan secara langsung dari prinsip-prinsip teoritis, tanpa

memasukkan data eksperimen. Ab initio mengacu pada perhitungan mekanika

kuantum melalui beberapa pendekatan matematis, seperti penggunaan persamaan

yang disederhanakan (Born-Oppenheimer approximation) atau pendekatan untuk

penyelesaian persamaan diferensial.

B. Semi Empiris

Perhitungan semi empiris disusun dengan cara yang secara umum sama

dengan perhitungan HF. Beberapa perhitungan, seperti integral elektron ganda

diselesaikan dengan cara pendekatan atau sama sekali dihilangkan. Dalam rangka

mengoreksi kesalahan perhitungan akibat penghilangan sebagian dari perhitungan

HF, metode ini diparameterisasi dengan cara fitting kurva untuk menghasilkan

beberapa parameter atau angka agar dapat memberikan kesesuaian dengan data

eksperimen.

C. Mekanika Molekuler

Jika molekul sangat besar untuk dapat ditinjau dengan metode semi empiris,

masih ada kemungkinan untuk memodelkan kelakuan mereka dengan mengabaikan

mekanika kuantum secara penuh. Metode yang dikenal dengan mekanika molekulermenyediakan pernyataan aljabar yang sederhana untuk energi total senyawa, tanpa

harus menghitung fungsi gelombang atau kerapatan elektron total. Pernyataan

energi mengandung persamaan klasik sederhana, seperti persamaan osilator

harmonis untuk menggambarkan energi yang tercakup pada terjadinya uluran,

bengkokan dan torsi ikatan, gaya antar molekul, seperti interaksi Van der Waals

dan ikatan hidrogen. Semua tetapan dalam persamaan ini harus diperoleh dari data

eksperimen atau perhitungan ab initio.


8/14

5

BAB III

ISI

3.1. Prinsip Dasar Kimia Komputasi

Perhitungan kimia komputasi menerapkan suatu model dari apa yang nyata

di alam. Jadi peneliti itu hanya mempelajari model, bukan mempelajari alam nyata.

Data eksperimen merupakan representasi alam sehingga harus diutamakan dan

lebih dipercaya dari hasil model. Suatu model hanya dapat dianggap valid jika

hasilnya menyerupai data eksperimen. Prediksi dengan kimia komputasi

dimungkinkan jika metode kimia komputasi yang diterapkan sudah dapat terbukti

menghasilkan model yang relatif akurat.

Dalam penggunaan secara umum biasanya berupa penerapan simulasi

komputer atau berbagai bidang keilmuan tetap digunakan juga untuk menemukan

prinsip-prinsip baru yang mendasar terhadap bidang ilmu yang mendasari teori ini.

Komputasi modern menghitung dan mencari solusi dari masalah yang ada, yang

menjadi perhitungan dari komputasi modern adalah akurasi (bit, floating poin),

kecepatan (Hz), problem volume besar (down sizing/parallel), modeling (NN dan

GA), kompleksitas (menggunakan teori big O).

Karakteristik komputasi modern ada 3 macam:

1. Komputer-komputer penyedia sumber daya bersifat heterogenous karena

terdiri dari berbagai jenis perangkat keras, sistem operasi, serta aplikasi yang

terpasang.

2. Komputer-komputer terhubung ke jaringan yang luas dengan kapasitas

bandwidth yang beragam.

3.

Komputer maupun jaringan tidak terdedikasi, bisa hidup atau mati sewaktu-

waktu tanpa jadwal yang jelas.

3.2. Penerapan Komputasi di Bidang Kimia dari Berbagai Ruang Lingkup

A. Dinamika Molekuler

Penerapan dinamika molekuler pada sistem pelarut/zat terlarut

memungkinkan dilakukannya perhitungan sifat sistem seperti koefisien difusi atau

fungsi distribusi radial untuk digunakan dalam perhitungan mekanika statistik. Pada


9/14

6

umumnya skema perhitungan pelarut/zat terlarut dimulai dengan sistem yang terdiri

dari sejumlah molekul dengan posisi dan kecepatan awal. Energi dari posisi yang

baru dihitung relatif terhadap posisi sebelumnya untuk perubahan waktu yang kecil

dan proses ini beriterasi selama ribuan langkah sedemikian hingga sistem mencapai

keseimbangan. Sifat sistem seperti energi, fungsi distribusi radial dan konformasi

molekul dalam sistem dapat dianalisis dengan cara pengambilan sampel dari sistem

yang telah mencapai keseimbangan.

Metode ini memungkinkan penggambaran struktur, sifat termodinamika dan

sifat dinamis dari sistem pada fase terkondensasi. Bagian pokok dari metodologi

simulasi adalah tersedianya fungsi energi potensial yang akurat untuk memodelkan

sifat dari sistem yang dikaji. Fungsi energi potensial dapat disusun melalui metode

mekanika kuantum (Quantum Mechanics, QM) atau mekanika molekuler

(Molecular Mechanics, MM). Metode QM/MM banyak digunakan dalam simulasi

reaksi katalitik enzimatik, proses kimia dalam larutan dan docking suatu protein

dalam reseptor.

B. Mekanika Statistika

Perhitungan mekanika statistika sering dilakukan pada akhir perhitungan ab

initio terhadap sifat fase gas. Untuk sifat fase terkondensasi, sering perhitungan

dinamika molekuler diperlukan dalam rangka melakukan eksperimen komputasi.

Salah satu metode mekanika statistika yang banyak digunakan dalam kimia

komputasi adalah Monte Carlo. Dengan metode Monte Carlo, kita dapat

mendapatkan gambaran tentang struktur dan energi dalam keseimbangan, tetapi

tidak dapat memberikan gambaran dinamika atau sifat yang bergantung pada

waktu.

C.

Modeling Keadaan PadatPerhitungan ab initio dan semi mpiris menghasilkan energi orbital, sehingga

mereka dapat diterapkan pada perhitungan struktur pita. Jika perhitungan energi

molekul memerlukan waktu yang lama, maka diperlukan waktu yang jauh lebih

besar untuk menghitung energi setiap titik dalam daerah Bruillion.

Perhitungan struktur pita telah dilakukan untuk sistem yang sangat kompleks,

namun demikian perangkat lunak belum cukup secara otomatis dan belum

terlampau cepat untuk menyelesaikan kasus-kasus struktur pita.


10/14

7

D. Termodinamika

Termodinamika adalah satu dari sekian banyak penjelasan kimia matematis

yang telah dibangun. Sering kali perlakuan termodinamika didapatkan dengan kerja

kertas dan pensil karena banyak aspek kimia dapat dijelaskan secara akurat dengan

pernyataan matematika yang sederhana. Perhitungan kimia komputasi akan dapat

membantu penyelesaian penghitungan besaran termodinamika, terutama akan

sangat berguna jika kita berhadapan dengan molekul-molekul yang besar.

E. Hubungan Struktur dan Sifat

Hubungan struktur dan sifat yang dikaji belakangan ini selalu merupakan

hubungan matematika secara kuantitatif. Hubungan sering sekali diturunkan

dengan menggunakan perangkat lunak fitting kurva untuk mendapatkan kombinasi

linear sifat-sifat molekuler, yang dapat memprediksi sifat-sifat yang dimaksud.

Sifat molekuler biasanya didapatkan dari perhitungan model molekuler.

Penggambaran molekuler yang lain seperti massa molekul atau gambaran topologi,

juga digunakan.

Jika sifat digambarkan sebagai sifat fisika, seperti titik didih, hal ini dikenal

dengan hubungan Struktur dan Sifat secara Kuantitatif (Quantitative Structure-

Property Relationship, QSPR). Jika sifat digambarkan sebagai aktivitas biologis

misalnya aktivitas obat- maka dikenal sebagai hubungan kuantitatif antara Struktur

dan aktivitas (Quantitative Structure-Aktivity Relationship, QSAR).

F. Perhitungan Simbolik

Perhitungan simbolik dikerjakan jika sistem sangat besar untuk digambarkan

sebagai atom per atom sesuai dengan tingkat pendekatan yang ditetapkan. Sebagai

contoh adalah pemodelan membran sel dengan menggunakan struktur lemak secara

individual sebagai pengganti poligon dengan beberapa persamaan matematis yangmewakili energi interaksinya. Perlakuan simbolik banyak digunakan pada

komputasi bidang biokimia dan mikrobiologi.

G. Intelegensi Artifisial

Oleh ahli kimia dengan mencoba ratusan bahkan ribuan kemungkinan dengan

program mekanika molekuler. Dalam metode ini hasil mekanika molekuler

diintegrasikan ke dalam program intelegensi artifisial yang mencoba sejumlah kecil


11/14

8

kemungkinan yang beralasan secara otomatis. Sejumlah teknik untuk

menggambarkan bagian intelegen dari operasi ini sangatlah luas dan tidak

mungkin untuk membuat generalisasi bagaimana implementasi dari program ini.

3.3. Beberapa Program Kimia Komputasi

A. Modeling

Beberapa aplikasi dalam kimia komputasi adalah molekuler modeling.

Beberapa penggunaannya meliputi: molecular graphics: menggambarkan molekul,

memberi deskripsi atas karakteristiknya; molecular visualizations: visualisasi

bentuk; computational chemistry: kimia komputasi; computational quantum

chemistry: teori kimia kuantum; theoretical chemistry: aspek kimia teoritis.

Molekuler Modeling biasanya dimulai melalui tiga metode utama:

1. Bangunan menggunakan standard geometries - khususnya ikatan panjang dan

sudut utama.

2.

Membangun molekul menggunakan fragmen yang diketahui secara logis

aspek geometrisnya - ini biasanya telah dikoreksi oleh beberapa metode

"optimalisasi".

3.

Membangun molekul Menggunakan data fisik yang diperoleh dari percobaan

biasanyaX-ray crystallography, netron diffraction, struktur disimpulkan dari

data nuklir magnetic resonance(NMR).

B. Metode Dalam Kimia Komputasi

Istilah kimia komputasi selalu digunakan jika metode matematika disusun

agar dapat dijalankan secara otomatis oleh komputer. Perlu dicatat bahwa kata

eksak dan sempurna tidak muncul dalam definisi kimia komputasi. Sangat

sedikit aspek kimia yang dapat diselesaikan secara eksak. Hampir setiap aspekkimia dijelaskan secara kualitatif atau kuantitatif. Terdapat tiga kategori metode

dalam kimia komputasi ini : Metode Mekanika Kuantum Ab Initio, Mekanika

Kuantum Semi empirik dan Mekanika Molekuler.

1. Metode Mekanika Kuantum Ab Initio

a. Tersedia pilihan beberapa himpunan basis di dalam program ini.

Himpunan basis standar yang biasa digunakan antara lain STO-3G, 3-

21G, 6-31G* dan 6-31G**.


12/14

9

b. Fungsi-fungsi basis ekstra (s, p, d, sp, spd) dapat ditambahkan ke atom-

atom individual atau ke sekelompok atom.

c.

Pengguna juga dapat mendefinisikan himpunan basisnya sendiri atau

memodifikasi himpunan basis yang telah ada dengan

menggunakan HyperChem's documented basis set file format.

2. Mekanika Kuantum Semiempirik

a. Hyperchem menawarkan sepuluh metode molekular orbital semi

empirik, dengan pilihan untuk senyawa organik dan senyawa-senyawa

gugus utama, untuk senyawa-senyawa transisi dan untuk simulasi

spektra.

b.

Metode yang tersedia adalah Extended Huckel (oleh Hoffmann),

CNDO dan INDO (oleh Pople dkk), MINDO3, MNDO, MNDO/d dan

AM1 (oleh Dewar dkk) PM3 (oleh Stewart), ZINDO/1 dan ZINDO/S

(oleh Zerner dkk).

3. Mekanika Molekuler

HyperChem merupakan aplikasi yang dapat digunakan secara mudah dalam

menghasilkan struktur molekul 3D, dengan pilihan 4 metode mekanika molekuler,

teknik optimasi geometri untuk mendapatkan pencarian informasi dan

menginvestigasi perubahan struktur. Empat metode medan gaya memudahkan

untuk mengeksploitasi stabilitas dan dinamika sistem molekuler untuk senyawa

yang mempunyai massa atom besar. Untuk keperluan umum digunakan MM+,

sedangkan untuk biomolekul dapat digunakan salah satu dari tiga metode medan

gaya: AMBER BIO+, dan OPLS.

Selain HyperChem, juga tersedia beberapa alternatif lainnya, yaitu Avogadro,

Jmol, dan ChemDraw. Juga terdapat program komputer yang cukup handal dandipercaya dalam mengolah data untuk keperluan penelian yaitu Gaussian.


13/14

10

BAB IV

PENUTUP

4.1. Kesimpulan

1. Prinsip kimia komputasi adalah penerapan suatu model dari apa yang nyata

di alam. Jadi, peneliti hanya mempelajari model, bukan mempelajari alam

nyata. Namun data pemodelan yang digunakan harus dapat dipercaya atau

dengan kata lain pemodelan yang dilakukan haruslah memberikan hasil

akurat (sesuai dengan kenyataan eksperimen).

2. Dalam penerapannya, kimia komputasi memiliki beberapa ruang lingkup

pemodelan, yaitu sebagai berikut.

a.

Dinamika molekuler.

b. Mekanika statistika.

c. Modeling keadaan padat.

d.

Termodinamika.

e. Hubungan struktur dan sifat.

f. Perhitungan simbolik.

g.

Intelegensi artifisial.

3. Beberapa program komputer yang digunakan untuk kepentingan kimia

komputasi adalah sebagai berikut.

a.

Gaussian

b. HyperChem

c. Avogadro

d. Jmol

e.

ChemDraw


14/14

11

DAFTAR PUSTAKA

Harno Dwi Pranowo. 2007. PEMODELAN SENYAWA ORGANIK; INTERAKSI

Na+-BENZO-15-CROWN-5 BERDASAR METODE SEMI EMPIRIS AM-1

(Jurnal Penelitian). Yogyakarta: Universitas Gadjah Mada.

__________. 2007. PEMODELAN SENYAWA ORGANIK; INTERAKSI Na+-

BENZO-15-CROWN-5 BERDASAR METODE SEMI EMPIRIS MNDO/D

(Jurnal Penelitian). Yogyakarta: Universitas Gadjah Mada.

__________. 2000. PENGANTAR KIMIA KOMPUTASI.http://faijalchemistry.blogspot.com/2010/05/download.html?m=1, 06

Februari 2016.

Tahir, Iqmal. 2014. Pengantar Kimia Komputasi.

https://iqmaltahir.wordpress.com/2-lecture/f-kimia-komputasi, 06 Februari

2016.
http://faijalchemistry.blogspot.com/2010/05/download.html?m=1http://faijalchemistry.blogspot.com/2010/05/download.html?m=1

Documents

Makalah Kimia Komputasi