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
7/24/2019 Artikel Nanik
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
7/24/2019 Artikel Nanik
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
7/24/2019 Artikel Nanik
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
7/24/2019 Artikel Nanik
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.
7/24/2019 Artikel Nanik
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
7/24/2019 Artikel Nanik
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.
7/24/2019 Artikel Nanik
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
7/24/2019 Artikel Nanik
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
7/24/2019 Artikel Nanik
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
7/24/2019 Artikel Nanik
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
sehingga rasio Si/Al = 47
n= 3. atom Si = 93; atom Al = 3
sehingga rasio Si/Al = 31
n= 4 atom Si = 92; atom Al = 4
sehingga rasio Si/Al = 23
n= 5 atom Si = 91; atom Al = 5
sehingga rasio Si/Al = 18,2
n= 6 atom Si = 90; atom Al = 6
sehingga rasio Si/Al = 15
n= 7 atom Si = 89; atom Al = 7
sehingga rasio Si/Al = 12,7
n= 8 atom Si = 88; atom Al = 8
sehingga rasio Si/Al = 11
n= 9 atom Si = 87; atom Al = 9
sehingga rasio Si/Al = 9,7
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
7/24/2019 Artikel Nanik
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
7/24/2019 Artikel Nanik
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).
7/24/2019 Artikel Nanik
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
7/24/2019 Artikel Nanik
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
7/24/2019 Artikel Nanik
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.
7/24/2019 Artikel Nanik
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
7/24/2019 Artikel Nanik
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.
7/24/2019 Artikel Nanik
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.