PENGARUH ORIENTASI PADA INTERAKSI TiO2POLISTIRENA TERSULFONASI (PST) TERHADAP POTENSI TRANSFER PROTON
Disusun Oleh : RUDI HARYONO M0310047
SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains Bidang Ilmu Kimia
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA Februari, 2015
i
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “PENGARUH
ORIENTASI
PADA
INTERAKSI
TiO2-POLISTIRENA
TERSULFONASI (PST) TERHADAP POTENSI TRANSFER PROTON” belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga belum pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Surakarta, Februari 2015
RUDI HARYONO
iii
PENGARUH ORIENTASI PADA INTERAKSI TiO2-POLISTIRENA TERSULFONASI (PST) TERHADAP POTENSI TRANSFER PROTON
RUDI HARYONO Jurusan Kimia. Fakultas MIPA. Universitas Sebelas Maret.
ABSTRAK Pengaruh orientasi pada interaksi TiO2-polistirena tersulfonasi (PST) terhadap potensi transfer proton telah dipelajari. Model-model dibuat dengan memvariasikan orientasi dari TiO2 terhadap PST. Orientasi diatur pada tengah rantai backbone dan sisi sulfonat dari PST. Tiga orientasi yang berbeda dan empat jarak yang berbeda dari TiO2 telah dipilih. Jarak dari TiO2 ke tengah dari PST diatur menjadi 7, 8, 9 dan 10Å, dan juga diatur menjadi 3, 4, 5 dan 6Å pada sisi dari PST. Semua model dihitung menggunakan metode density functional theory (DFT) pada level teori B3LYP dan basis set 6-31G*. Kestabilan dari semua model dijelaskan oleh energi interaksi. Analisa Natural Bond Orbital (NBO) digunakan untuk menjelaskan potensi transfer proton, natural charge dan kerapatan elektron dari gugus O-H. Hasilnya menunjukkan bahwa energi interaksi dari semua model dapat memberikan nilai positif dan negatif yang menjelaskan ketidakstabilan dan kestabilan model-model tersebut, secara berturut-turut. Orientasi menunjukkan pengaruh yang kuat terhadap potensi transfer proton. Tetapi, perubahan muatan dan perubahan kerapatan elektron pada gugus O-H tidak menunjukkan hubungan pada potensi transfer proton. Kata kunci : density functional theory, natural bond orbital, polistirena tersulfonasi, TiO2, transfer proton
iv
ORIENTATION EFFECT ON TiO2-SULFONATED POLYSTYRENE (SPS) INTERACTION TO PROTON TRANSFER POTENTIAL
RUDI HARYONO Chemistry Department, Faculty of Mathematics and Natural Sciences Sebelas Maret University
ABSTRACT Orientation effect on TiO2-sulfonated polystyrene (SPS) interaction to proton transfer potential has been studied. Models were made by varied orientation of TiO2 on SPS. The orientation were set base on the backbone and sulfonate side of SPS. Three different orientation and four different distance of TiO2 were choosen. Distance of TiO2 to the center of SPS were set to 7, 8, 9 and 10Å, and they were set to 3, 4, 5 and 6Å on the side of SPS. The models calculated with density functional theory (DFT) method at the B3LYP of level theory and 6-31G* basis set. Stability of the models was described by interaction energy. Natural Bond Orbital (NBO) analysis has been performed to describe the proton transfer potential, natural charge and electron density of O-H group. The results showed that interaction energy of the models may be positive or negative, which described the models have unstable and stable interactions, respectively. The orientation demonstate a strong influence on the proton transfer potential. However, alteration of charge and electron density at the O-H group did not related to proton transfer potential. Keywords : density functional theory, natural bond orbital, sulfonated polystyrene, TiO2, transfer proton
v
MOTTO
”Sesungguhnya hanya kepada Allah aku mengadukan kesusahan dan kesedihanku” (Q.S. Yusuf: 86)
Sebuah tindakan adalah dasar dari sebuah kesuksesan.
Lakukan yang terbaik, kemudian berdoalah. Allah SWT yang akan mengurus sisanya.
vi
PERSEMBAHAN
Karya ini penulis persembahkan teruntuk:
Bapak dan mama yang telah medidikku selama ini Mba Lilis dan dede yang selalu mendukung saya Keluarga dan kerabat yang selalu membantu Teman-teman RCM 2010 yang sangat luar biasa Dan semua pihak yang tidak bisa disebutkan satu persatu yang telah membantu selama proses perkuliahan, penelitian dan penulisan skripsi ini
vii
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah segala syukur kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmatNya bagi penulis sehingga skripsi ini dapat terselesaikan sebagai salah satu persyaratan dalam memperoleh gelar sarjana sains Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta. Keberkahan dan karunia-Nya yang diberikan kepada penulis, sehingga penulis menyadari bahwa segala sesuatu memiliki hikmah dan menjadi indah pada waktunya. Dalam menyusun skripsi ini penulis menemui berbagai hambatan dan permasalahan yang beragam. Namun, atas bimbingan, kritikan, saran, dan dorongan semangat yang bermanfaat dari berbagai pihak, semua hambatan dan permasalahan tersebut dapat penulis atasi dengan baik. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah membantu penulis, yaitu sebagai berikut. 1. Prof. Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta. 2. Dr. Eddy Heraldy, M.Si., selaku Ketua Jurusan Kimia Fakultas Matematika
dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret
Surakarta. 3. Dr. rer. nat. Fajar R. Wibowo, M.Si., selaku dosen pembimbing I, yang dengan penuh kesabaran membimbing penulis menyelesaikan skripsi ini, memberikan banyak kesempatan, pengalaman dan inspirasi bagi penulis. 4. M. Widyo Wartono, M.Si, selaku pembimbing akademis
yang
memberikan bimbingannya selama perkuliahan. 5. Bapak Ibu dosen dan seluruh staff jurusan Kimia yang telah memberikan fasilitas dan pelayanan yang baik bagi penulis.
viii
6. Ucapan terimakasih yang tak terhingga sepanjang masa teruntuk Ibu dan Bapak atas segala do’a yang mengiringi langkah hidup penulis, kasih sayang, dukungan moral, spiritual dan dalam segala hal. 7. Kakak dan adik tersayang yang memberikan semangat untuk melangkah. Semoga keikhlasannya diberikan tempat tersendiri oleh Allah SWT sebagai amal baik. Penulis menyadari bahwa penelitian dan penyusunan skripsi yang penulis lakukan masih jauh dari sempurna sehingga membutuhkan saran dan kritik yang membangun dari para pembaca. Namun, lepas dari semua itu, semoga para pembaca mendapatkan manfaat setelah membaca skripsi ini.
Surakarta, Februari 2015
Penulis
ix
DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL ………………………………………………………….
i
HALAMAN PENGESAHAN
…….………………………………………… ii
HALAMAN PERNYATAAN
…………………………………………….. iii
HALAMAN ABSTRAK HALAMAN ABSTRACT
…………………………………………………… iv …………………………………………………..
v
HALAMAN MOTTO ………………………………………………………… vi HALAMAN PERSEMBAHAN ……………………………………………… vii KATA PENGANTAR ………………………………………………………... viii DAFTAR ISI………………………………………………………………...….
x
DAFTAR GAMBAR……………………………………..……………………. xii DAFTAR LAMPIRAN……………………………………..…………………. xiii BAB I PENDAHULUAN ................................................................................... 1 A. Latar Belakang ........................................................................................ 1 B. Perumusan Masalah ................................................................................ 2 1. Identifikasi Masalah ........................................................................... 2 2. Batasan Masalah ................................................................................ 3 3. Rumusan Masalah ............................................................................. 3 C. Tujuan Penelitian .................................................................................... 3 D. Manfaat Penelitian .................................................................................. 3 BAB II LANDASAN TEORI ............................................................................. 4 A. Tinjauan Pustaka ..................................................................................... 4 1. Polistirena tersulfonasi ........................................................................ 4 2. Titanium Dioksida (TiO2)……............................................................
6
3. Density Functional Theory (DFT)………………………. .................. 8 4. Natural Bond Orbital (NBO)…………………………………… ....... 10 5. Optimasi Geometri………... ................................................................ 12 x
B. Kerangka Pemikiran ................................................................................. 13 C. Hipotesis................................................................................................... 14 BAB III METODOLOGI PENELITIAN ............................................................ 15 A. Metode Penelitian .................................................................................... 15 B. Waktu dan Tempat Penelitian ................................................................. 15 C. Alat dan Bahan yang Dibutuhkan ........................................................... 15 1. Alat .................................................................................................... 15 2. Bahan ................................................................................................ 15 D. Prosedur Penelitian ................................................................................. 15 1. Optimasi polistirena tersulfonasi ..................................................... 15 2. Penghitungan energi single point TiO2 dua unit sel .......................... 16 3. Penggabungan Molekul Polistirena Tersulfonasi dengan TiO2 Dua Unit Sel ............................................................................................. 16 4. Natural bond orbital (NBO) .............................................................. 16 E. Teknik Pengumpulan dan Analisis Data .................................................. 16 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................. 19 A. Optimasi polistirena tersulfonasi ........................................................... 19 B. Penghitungan energi single point TiO2 dua unit sel ................................. 20 C. Penggabungan Molekul Polistirena Tersulfonasi dengan TiO2 Dua Unit Sel …........................................................................................................ 21 D. Natural bond orbital (NBO) .................................................................... 26 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................. 35 DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 36 LAMPIRAN ........................................................................................................ 39
xi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.
Taktisitas polistirena ....................................................................... 4
Gambar 2.
Jalur reaksi sulfonasi ....................................................................... 5
Gambar 3.
Struktur rutile dan anatase dari TiO2. ............................................ 7
Gambar 4.
Gambar PST sebelum dioptimasi dan setelah dioptimasi. .............. 19
Gambar 5.
Struktur unit sel TiO2 anatase dan TiO2 anatase dua unit sel ........ 21
Gambar 6.
Model yang digunakan dengan variasi orientasi di tengah (GB13) dan di samping (GB4-6) pada tiga variasi orientasi TiO2 dua unit sel (GB1-3) ............................................................................. 22
Gambar 7.
Jarak interaksi masing-masing model pada jarak 7Å pada GB1, GB2 dan GB3 dan 3Å pada model GB4, GB5 dan GB6 ................ 24
Gambar 8.
Hubungan perubahan energi interaksi dari masing-masing model dengan jarak interaksi masing-masing model. ................................ 25
Gambar 9.
Hubungan antara energi (E(2)) dengan jarak interaksi dari masing-masing model. .................................................................... 27
Gambar 10. Hubungan perubahan muatan O-H dengan jarak interaksi dari masing-masing model ..................................................................... 30 Gambar 11. Hubungan perubahan kerapatan elektron atom O dari gugus O-H dengan jarak interaksi masing-masing model ................................ 33
xii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Diagram alir optimasi polistirena tersulfonasi (PST). .................... 39 Lampiran 2. Diagram alir penghitungan energi single point dari TiO2 dua unit sel ................................................................................................... 40 Lampiran 3. Diagram alir penggabungan dan penghitungan energi single point dari PST dengan TiO2 dua unit sel ................................................. 41 Lampiran 4. Diagram alir penghitungan kerapatan elektron dan potensi transfer proton ................................................................................. 42 Lampiran 5. Perhitungan perubahan energi interaksi ......................................... 43 Lampiran 6. Data energi (E(2)) perturbation theory analysis ............................. 44 Lampiran 7. Perhitungan perubahan muatan (ΔΔ) dari gugus O-H..................... 47 Lampiran 8. Perhitungan perubahan kerapatan elektron ..................................... 53
xiii
