Studi Interaksi Antarmolekul H2O

1.1 Sifat-Sifat Molekul H₂O

Molekul H₂O mempunyai berat molekul 18 g/mol, titik leleh air 0 ^oC (1 atm), dan titik didih air 100 ^oC (1 atm). Molekul H₂O adalah unit penyusun air yang banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Salah satu kegunaan air adalah sebagai pelarut. Sifat-sifat kimia dan fisika air serta kegunaannya, misalnya sebagai pelarut, ditentukan oleh sifat-sifat interaksi antarmolekul antara molekul H₂O dan H₂O. Sifat-sifat air yang dihasilkan akibat terjadinya interaksi antarmolekul H₂O dan H₂O ditentukan oleh sifat-sifat molekul penyusunnya yaitu H₂O itu sendiri

Sifat-sifat molekul H₂O dapat diprediksi melalui geometrinya yang dapat ditentukan dengan metode komputasi. Geometri yang diperlukan adalah geometri optimasi dengan energi paling rendah. Perhitungan optimasi geometri untuk molekul tunggal air dengan Software GAMESS diawali dengan penyusunan perintah GAMESS dan Matrik Z molekul yang disebut dengan file input.File input optimasi geometri molekul H₂O adalah sebagai berikut:

Uraian file input di atas dapat dilihat pada lampiran A. Bagian file input yang penting pada proses perhitungan adalah A dan B, sedangkan H₂O_opt adalah judul atau diganti dengan spasi (sama dengan pada Gaussian).

Seperti telah disebutkan di atas bahwa hasil perhitungan optimasi geometri molekul H₂O adalah parameter sifat-sifat molekul H₂O meliputi panjang ikatan O-H, sudut ikatan HOH dan energi molekul H₂O dengan harga masing-masing adalah 0,943 Å; 105,97^o; dan -76,024 Hartree, tabel 1.1. Gambar 1.3 adalah bentuk geometri molekul tunggal H₂O hasil optimasi.

Gambar 1.3 Geometri optimasi molekul tunggal H₂O perhitungan ab initio HF/6-31(d,p) (Siahaan dan Rahmani, 2010)

Panjang ikatan O₁-H₂ dan O₁-H₃ adalah 0,9431 A^o . Muatan parsial O adalah -0,6707 dan H adalah +0,3353. Molekul H₂O adalah bengkok dan polar. Kepolaran molekul H₂O hasil perhitungan adalah 2,148 D.

Tabel 1.1 Parameter sifat molekul tunggal H₂O perhitungan ab initio HF/6-31(d,p) (Siahaan dan Rahmani, 2010)

Panjang ikatan/Å	Sudut ikatan/o	Energi/Hartree	μ/Debye
O1-H2 = 0,9431 O1-H3 = 0,9431	105,97	-76,0236 (-199,60.103kJ/mol)	2,148 1,85*

*)Atkin and De Paula, 2006

Pada mata pelajaran kimia di SMA dan matakuliah Kimia Dasar di Perguruan Tinggi hanya menyebutkan bahwa geometri molekul H₂O adalah berbentuk V dan mempunyai momen dipol μ≠0. Konsep momen ikatan, keelektronegatipan, hibridisasi, dan teori VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) hanya dapat menjelaskan secara kualitatif untuk molekul sederhana, tetapi metode komputasi adalah kuantitatif dan mampu memprediksi sifat-sifat molekul kompleks.

1.2 Sifat-Sifat Interaksi Antarmolekul H₂O…H₂O

Pada sub bab 1.2 telah diperoleh sifat-sifat molekul H₂O. Sub bab 1.3 akan menjelaskan sifat-sifat interaksi antarmolekul H₂O.File input untuk memprediksi sifat-sifat interaksi antarmolekul H₂O…H₂O hanya berbeda pada matrik Z dibandingkan dengan file input optimasi geometri molekul H₂O.

$CONTRL SCFTYP=UHF RUNTYP=OPTIMIZE COORD=ZMT NZVAR=0 $END $BASIS GBASIS=N21 NGAUSS=3 NDFUNC=1 NPFUNC=1 $END $STATPT NSTEP=100 HSSEND=.TRUE. $END $DATA dimer_H2O_opt C1 o h 1 0.9430587 h 1 0.9430587 2 105.9691961 h 1 1.1 3 90. 2 90. o 4 0.9 1 150. 3 90. h 5 0.9 4 105.9 1 -90. $END

Bentuk geometri optimasi asosiasi molekul dimer H2O…H2O adalah:

Gambar 1.4 Geometri optimasi asosiasi molekul dimer H₂O…H₂O perhitungan ab initio HF/6-31(d,p) (Siahaan dan Rahmani, 2010)

Tabel 1.2 Parameter sifat interaksi asosiasi molekul dimer H₂O…H₂O perhitungan ab initio HF/6-31(d,p) (Siahaan dan Rahmani, 2010)

Panjang ikatan/Å	Sudut ikatan/o	Dihedral/o	Energi/ Hartree
O1-H2 = 0,9413 O1-H3 = 0,9413 O1….H4 = 1,8832 O5-H4 = 0,9464 O5-H6 = 0,9406	< H2O1H3 = 106,72 < H4O1H3= 107,85 < O5H4O1 = 175,20 < H6O5H4 = 105,84	D(H4O1H3H2) = 115,75 D(O5H4O1H3) = -57,53 D(H6O5H4O1)= -180,00	-152,0560 (-399,2.103kJ/mol)

Teori ikatan hibridisasi dapat menjelaskan ikatan kovalen tetapi tidak dapat menjelaskan sifat-sifat ikatan non-kovalen atau interaksi antarmolekul. Persamaan kuantum ikatan non-kovalen yang dihitung dengan metode komputasi dapat memprediksi sifat-sifat interaksi antarmolekul, tabel 1.2.

Interaksi antarmolekul antara H₂O dan H₂O dapat terjadi pada berbagai konfigurasi. Berdasarkan sifat-sifat molekul tunggal H₂O, gambar 1.3, dapat diduga bahwa hanya ada satu konfigurasi yang paling stabil. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa konfigurasi paling stabil adalah seperti terlihat pada gambar 1.4. Pada gambar 1.4 dapat dilihat bahwa jarak interaksi paling dekat antara molekul H₂O dengan molekul H₂0 adalah 1,8832 A^o yang terjadi melalui atom O₁ dan H₄.

Sebelum interaksi, muatan parsial H dan O masing-masing adalah +0,3353 dan -0,6707, sedangkan setelah interaksi menjadi +0,2588 dan -0,4544 pada molekul H₂O I dan +0,2422/+0,2188 dan -0,5242 pada molekul H₂O II Apa artinya? Molekul tunggal H₂O lebih mudah berikatan dengan kation atau anion karena mempunyai muatan parsial H dan O masing-masing lebih positip dan negatip dibandingkan dengan setelah membentuk asosiasi H₂O…H₂O. Sebaliknya, adanya asosiasi H₂O…H₂O meningkatkan kelarutan molekul-molekul yang mempunyai dipol. Perubahan muatan parsial atom setelah berinteraksi adalah prinsip dasar fungsi zat sebagai katalis.

Energi asosiasi molekul dimer H₂O…H₂O sebagai fungsi jarak interaksi dapat dihitung dengan file input berikut:

$CONTRL SCFTYP=UHF RUNTYP=SURFACE COORD=ZMT NZVAR=0 $END $SURF ivec1(1)=1,4 igrp1(1)=4,5,6 disp1=0.05 ndisp1=50 orig1=-0.5 $END $BASIS GBASIS=N31 NGAUSS=6 NDFUNC=1 NPFUNC=1 $END $DATA Energi_interaksi_H2O…H2O C1 O H 1 0.94131 H 1 0.94130 2 106.7233 H 1 1.88317 3 107.8525 2 115.7528 O 4 0.94639 1 175.1972 3 -57.5265 H 5 0.94063 4 105.8394 1 -180.0000 $END

Gambar 1.5 adalah grafik perubahan energi interaksi sebagai fungsi jarak interaksi. Energi potensial interaksi A…B sebagai fungsi jarak R dihitung dengan rumus umum berikut:

 1.1

Energi potensial interaksi H₂O…H₂O dihitung dengan persamaan:

 1.2

Energi molekul H₂O hasil optimasi, E_H2O = -76,0236 Hartree, tabel 1.1, sedangkan energi optimasi asosiasi H₂O…H₂O adalah 152,0560 Hartree dengan jrak interaksi sebesar 2,083 A^o. Menurut persamaan 1.2, energi interaksi adalah sebesar -0,0088 Hartree atau -23,098 kJ/mol (3-21G**) atau -23,183(6-31G**).

Energi ini adalah energi terendah dari berbagai kemungkinan konfigurasi interaksi H₂O…H₂O. Konfigurasi interaksi dengan energi terendah ini adalah seperti terlihat pada 1.4. Bila energi dihitung sebagai variasi jarak interaksi, energi interaksi akan makin kecil pada jarak interaksi lebih besar atau lebih kecil dari R= 2,083 A^o. Grafik hubungan energi interaksi dimer H₂O…H₂O dengan jarak interaksi disebut grafik energi potensial interaksi, gambar 1.5.

Gambar 1.5 Grafik energi potensial interaksi asosiasi molekul H₂O…H₂O perhitungan ab initio HF/6-31(d,p) (Siahaan dan Rahmani, 2010)

Grafik energi interaksi dapat menjelaskan kestabilan asosiasi H₂O…H₂O yang terbentuk antara molekul H₂O dengan H₂O. Kestabilan asosiasi adalah salah satu faktor yang menentukan besarnya titik leleh dan titik didih suatu zat. Berdasarkan hasil eksperimen telah diketahui bahwa titik didih air lebih besar dari etanol. Melihat hasil perhitungan energi interaksi pada dimer H₂O…H₂O dapat diprediksi bahwa energi interaksi antara etanol…etanol dan eter…eter akan lebih kecil dibandingkan dengan energi interaksi H₂O…H₂O, lihat bab 2. Grafik energi potensial interaksi gambar 1.5 dapat dijelaskan dengan potensial interaksivan der waals, Lennard-Jones, dan Mie.

http://imc.kimia.undip.ac.id/bab-i-studi-interaksi-antarmolekul-h2o%E2%80%A6h2o/#more-429