Bayu Prianto
Peneliti Bidang Material Dirgantara,
LAPAN
RINGKASAN
Salah satu
pemanfaatan teknik komputasi kimia adalah untuk mempelajari dan menjelajahi
mekanisme reaksi, contoh pada makalah ini adalah mekanisme reaksi proses
elektrolisis NaCl menjadi NaClO4. Pada metode eksperimen, mekanisme perlu
dibuktikan keberadaan semua senyawa yang terbentuk berdasarkan pengamatan
laboratorium. Sedangkan, dengan metode komputasi pembuktian mekanisme dilakukan
hanya berdasarkan perhitungan energi reaksinya, semakin rendah energinya
semakin besar kemungkinannya untuk terjadi pada keadaan nyata. Mekanisme reaksi
kini menjadi mudah dipelajari dengan metode komputasi kimia karena waktu
komputasi yang lebih singkat dan biaya komputasi lebih murah seiring dengan
peningkatan kinerja komputer dan murahnya harga komputer.
1 PENDAHULUAN
Seiring dengan
peningkatan kemampuan komputer dan semakin murahnya harga komputer, kimia
komputasi pun menjadi salah satu bidang dengan perkembangan tercepat dalam
teknik kimia. Kini penerapan teknik-tekniknya oleh kimiawan percobaan semakin
meningkat. Para kimiawan percobaan meman-faatkan teknik-teknik pada kimia
komputasi untuk pemodelan kimia (Martoprawiro, et al., 1998; Foresman, J. B.,
Frisch, Æ., 1993; Leach, Andew R., 2001; Prianto, B. 2007), yang meliputi:
(1) Mendesain awal proses reaksi sintesis
yang diinginkan, (2) Mempelajari dan menjelajahi mekanisme reaksi yang mungkin
terjadi dari desain yang telah dibuat, (3) Melakukan simulasi reaksi dalam
komputer, (4) Menentukan sifat-sifat dari molekul pereaksi maupun produk yang
dihasilkan.
Sebelum lahirnya
kimia komputasi, para kimiawan mencoba mempelajari suatu mekanisme reaksi
berdasarkan pada pengamatan percobaan. Namun, kini mekanisme reaksi menjadi
lebih mudah dipelajari dengan menggunakan teknik kimia komputasi.
2 PENGERTIAN MEKANISME REAKSI
Mekanisme reaksi
adalah penyusunan rangkaian tahapan beberapa reaksi sederhana menjadi satu
sistem reaksi rumit yang berdasarkan pada pengamatan laju reaksi (Rahayu,
Susanto Imam, 1995). Reaksi sederhana dapat didefinisikan sebagai reaksi yang
sebenarnya terjadi pada skala atomic (Rahayu, Susanto Imam, 1995), (tidak dapat
terlihat secara kasat mata). Sedangkan reaksi rumit dapat didefinisikan sebagai
reaksi yang terjadi pada skala makroskopik (Rahayu, Susanto Imam, 1995),
(reaksi yang terlihat secara kasat mata), reaksi rumit merupakan kumpulan dari
beberapa reaksi sederhana.
Mekanisme suatu
reaksi rumit dapat tersusun dari dua atau lebih reaksi sederhana. Terdapat dua
cara penggabungan dua reaksi sederhana, yaitu: 1) reaksi sederhana disusun
secara paralel (sejajar); 2) reaksi sederhana disusun secara seri (berurutan).
Susunan reaksi dikatakan paralel jika terdapat dua reaksi sederhana atau lebih
memiliki pereaksi yang sama atau memiliki produk yang sama. Susunan reaksi
dikatakan seri (berurutan) jika salah satu
produk
dari reaksi sederhana menjadi pereaksi bagi reaksi sederhana lainnya.
Contoh
dari reaksi yang tersusun seri (berurutan) adalah sebagai berikut :
k1
|
|||
A
...B ...
|
(2-1)
|
||
k2
|
|||
B
...P ...
|
|||
atau dapat pula
|
|||
k3
|
|||
(2-2)
|
|||
AB C
|
|||
k4
|
|||
Sedangkan contoh
dari reaksi yang
|
|||
tersusun paralel adalah sebagai berikut :
|
|||
k1
|
|||
A
...P ...
|
(2-3)
|
||
k2
|
|||
A
...Q ...
|
|||
atau dapat pula
|
|||
k1
|
|||
A
...P ...
|
(2-4)
|
||
k2
|
|||
B
...P ...
|
|||
Dengan
mempelajari mekanisme reaksi, para kimiawan dapat mengetahui tahapan-tahapan
reaksi dari suatu proses kimia, serta mengetahui halangan-halangan yang mungkin
terjadi. Sehingga para kimiawan dapat menentukan kinetika reaksinya, dan
merancang teknik optimalisasi proses.
3
STUDI
MEKANISME REAKSI DENGAN METODE EKSPERIMEN
Suatu
mekanisme reaksi dapat dipelajari berdasarkan pengamatan terhadap proses kimia
di laboratorium (Rahayu, Susanto Imam, 1995). Contoh pada tulisan ini adalah
proses elektrolisis NaCl menjadi NaClO4. Tahapan yang harus dilakukan untuk
mempelajari mekanisme reaksinya berdasarkan pengamatan, adalah sebagai berikut
:
Membuat
prediksi beberapa kemungkinan reaksi rumit untuk proses tersebut. Pada proses
elektrolisis NaCl menjadi NaClO4, terdapat dua kemungkinan reaksi rumit yang
akan terjadi, yaitu :
Cl 4 OH ClO4 4 H
8e
dan
Cl 4 H 2 O ClO4 8 H
8e
Membuat prediksi kemungkinan
tahapan-
tahapan
reaksi sederhana untuk masing-masing reaksi rumit yang telah diprediksikan
sebelumnya.
Misal untuk reaksi rumit
Cl 4OH ClO4 4H 8e diprediksikan
memiliki
tahapan-tahapan reaksi sederhana sebagai berikut :
Reaksi
pada permukaan elektroda
2Cl Cl 2 2e
Cl ClO Cl 2 O 2e Cl ClO2 Cl 2 O2 2e Cl ClO3 Cl 2 O3 2e
Reaksi
dalam larutan elektrolit
Cl 2
OH HOCl Cl
Cl 2 O
OH HO2 Cl Cl
Cl O OH
|
HO Cl Cl
|
||||
2
|
2
|
3
|
|||
Cl O OH
|
HO Cl Cl
|
||||
2
|
3
|
4
|
|||
Sedangkan,
|
untuk
|
reaksi
|
rumit
|
||
Cl 4 H
|
OClO
|
8 H 8e
|
dipre-
|
||
2
|
4
|
diksikan
memiliki tahapan-tahapan reaksi sederhana sebagai berikut :
Semua
reaksi sederhana berlangsung pada permukaan elektroda:
Cl
H 2O HOCl
H 2e
ClO H 2 O HO2 Cl H 2e ClO2 H 2 O HO3 Cl H 2e ClO3 H 2 O HO4 Cl H 2e
Pembuktian
berdasarkan eksperimen/peng-amatan di laboratorium, mekanisme reaksi
mana yang sebenarnya terjadi. Apakah
mekanisme untuk reaksi rumit
Cl 4 OHClO
4 H 8e
|
|||
4
|
|||
ataukah mekanisme
|
untuk
reaksi
|
rumit
|
|
Cl 4 H
|
OClO 8 H
8e
|
yang
|
|
2
|
4
|
sebenarnya
terjadi.
Pembuktiannya
dengan cara memastikan bahwa semua senyawa yang terlibat pada suatu mekanisme
reaksi rumit benar-benar terbentuk
selama
proses berlangsung. Misalnya saja untuk membuktikan kebenaran mekanisme reaksi
Cl 4 OH ClO4 4 H
8e ,
dengan
senyawa-senyawa
yang terlibat antara lain Cl-, ClO-, ClO2-, ClO3-,
OH-,
Cl2,
Cl2O,
Cl2O2,
Cl2O3,
HOCl, HO2Cl,
HO3Cl,
dan HO4Cl.
Berarti harus dibuktikan bahwa semua senyawa tersebut terbentuk berdasarkan
pengamatan (eksperimen). Namun, tidaklah mudah untuk membuktikannya secara
eksperimen. Seperti senyawa ClO-, ClO2-,
ClO3- atau HOCl, HO2Cl,
HO3Cl,
sangat sulit dibuktikan keberadaannya jika semua senyawa tersebut berada dalam
satu sistem. Diperlukan teknik khusus serta peralatan khusus (seperti alat
instrumen kromatografi anion dengan kolom khusus) untuk membuktikannya. Begitu
pula dengan senyawa Cl2O, Cl2O2, Cl2O3 yang berbentuk gas, karena ketiga gas
tersebut tidak berwarna (tidak seperti gas Cl2 yang
berwarna kuning). Sehingga diperlukan teknik khusus pula untuk membuktikan
keberadaan gas tersebut. Diperlukannya teknik dan peralatan yang khusus untuk
membuktikan keberadaan semua senyawa tersebut, menyebabkan metode eksperimen
ini menjadi mahal untuk dilakukan.
4
STUDI
MEKANISME REAKSI DENGAN METODE KOMPUTASI KIMIA
Tahapan
yang harus dilakukan untuk mempelajari mekanisme reaksi berdasarkan metode
komputasi kimia, adalah sebagai berikut (Prianto, B., 2007):
Tahap
pertama sama seperti pada metode eksperimen, yaitu membuat prediksi reaksi
rumit untuk proses elektrolisis NaCl menjadi NaClO4.
Tahap
kedua hampir sama seperti pada metode eksperimen, hanya saja semua kemungkinan
reaksi sederhana dimasukkan dalam sistem reaksi rumit. Sehingga dalam satu
reaksi rumit bisa terdapat lebih dari dua sistem kumpulan reaksi sederhana.
Misal
untuk
|
reaksi rumit
|
Cl 4OH-
|
ClO4
|
4H 8e , selain
|
memiliki
sistem
|
kumpulan
reaksi sederhana seperti pada metode eksperimen, juga memiliki sistem kumpulan
reaksi lain, yaitu :
OH
Cl HOCl 2e
OH
ClO HO2 Cl 2e
OH
ClO2 HO 3 Cl 2e
OH
ClO3 HO4 Cl 2e
Tahap
ketiga ini sangat berbeda dengan metode eksperimen. Jika pada metode eksperimen
semua kemungkinan senyawa yang terbentuk harus dibuktikan berdasarkan
pengamatan, pada metode komputasi kimia hanya menentukan reaksi-reaksi
sederhana mana saja yang mungkin terjadi pada proses. Untuk menentukan
reaksi-reaksi sederhana yang paling mungkin terjadi adalah berdasarkan energi
reaksinya. Semakin kecil energi reaksinya semakin besar kemungkinan terjadi
pada keadaan sebenarnya. Energi reaksi dari reaksi-reaksi sederhana tersebut
dihitung secara teoritis dengan bantuan komputasi.
Dengan menggunakan
metode komputasi kimia diperoleh mekanisme reaksi beserta nilai energi
reaksinya (Prianto, B., 2007) (dalam satuan kkal/mol.K) sebagai berikut :
2ClCl
2 2e
|
E=271,196
|
||||||||||
Cl
2
|
OH
|
HOCl Cl
|
E=-15,111
|
||||||||
Cl
|
ClOCl 2 O 2e
|
E=271,446
|
|||||||||
Cl
|
2
|
O OH
|
HO Cl Cl
|
E=-23,324
|
|||||||
2
|
|||||||||||
Cl
|
ClO
|
Cl
|
O
|
2e
|
E=263,889
|
||||||
2
|
2
|
2
|
|||||||||
Cl
|
2
|
O OHHO Cl
Cl
|
E=-23,669
|
||||||||
2
|
3
|
||||||||||
Cl
|
ClO
|
Cl
|
O
|
2e
|
E=296,841
|
||||||
3
|
2
|
3
|
|||||||||
Cl
|
2
|
O OHHO Cl
Cl
|
E=-23,868
|
||||||||
3
|
4
|
||||||||||
Cl
|
4OH
|
ClO
|
4H 8e
|
E=1008,371
|
|||||||
4
|
Akurasi (ketepatan)
perhitungan komputasi kimia sangat bergantung pada tingkat teori hampiran
(pendekatan) yang digunakan untuk menggambarkan sistem sebenarnya. Semakin
tinggi tingkat teori hampiran yang digunakan semakin tinggi pula akurasi yang
diperoleh. Namun, jika tingkat
teori yang dipergunakan semakin tinggi
akan menyebabkan waktu perhitungan komputasi menjadi lebih lama. Oleh karena
itu, pemilihan tingkat teori hampiran yang baik adalah dihasilkannya nilai
perhitungan yang optimum, dengan waktu komputasi yang tidak terlalu lama dalam
menghasilkan akurasi yang cukup baik (Prianto, B., 2007; Prianto, B. 2005).
Walaupun demikian, seiring dengan semakin berkembangnya kinerja dari komputer
dan semakin murahnya harga komputer, masalah waktu komputasi kini dapat
diminimalisasi.
5 KESIMPULAN
Metode komputasi
kimia kini lebih diminati para kimiawan dibandingkan dengan metode eksperimen
(pengamatan) untuk mempelajari mekanisme suatu reaksi. Berdasarkan komputasi
kimia mekanisme reaksi yang terjadi pada proses elektrolisis (Prianto, B.,
2007) adalah :
Reaksi pada permukaan anoda :
2Cl Cl 2 2e
Cl
ClO Cl 2 O 2e
Cl ClO2 Cl 2 O2 2e Cl ClO3 Cl 2 O3 2e
Reaksi pada permukaan katoda :
2 H 2 O 2 e H 2 2OH
Reaksi dalam larutan elektrolit :
Cl 2
OH HOCl Cl
Cl 2 O
OH HO2 Cl Cl
Cl 2 O2
OH HO3 Cl
Cl
Cl 2 O3
OH HO4 Cl
Cl
Berdasarkan
mekanisme tersebut, pada keadaan nyata proses elektrolisis akan ditemui
halangan berupa gas-gas Cl2, Cl2O, Cl2O2 dan Cl2O3 harus tetap terlarut dalam larutan
elektrolit, agar diperoleh hasil yang optimal. Walaupun demikian, halangan
tersebut dapat diminimalisasi dengan cara menyeimbangkan antara arus listrik
yang digunakan, volume larutan elektrolit yang digunakan dan homogenisasi
larutan selama proses berlangsung.
DAFTAR RUJUKAN
Foresman,
J. B., Frisch, Æ. 1993, Exploring Chemistry with Elektronic Structure
Method.
2nd edition. Gaussian, Inc., Pittsburg, PA,
3-7,
61-69, 97-99.
Leach, Andew R., 2001. Molecular Modelling :
Principles and
Applications. 2nd edition.
Pearson
Eduacation Limited.
Martoprawiro, Muhammad A.;
Grant &
Richards,
1998. Kimia Komputasi. Penerbit
ITB,
Bandung.
Prianto, B., 2005. Irradiasi
Sitosin: Studi
Menggunakan Program “Car-Parrinello
Molecular Dynamics”
(CPMD).
Skripsi.
FMIPA Institut Teknologi
Bandung,
Bandung:
15 – 16.
Prianto,
B., 2007. Kajian Awal Mekanisme Reaksi Elektrolisis NaCl Menjadi
NaClO4 Untuk Menentukan Tahapan Reaksi Yang
Efektif Dari Proses Elektrolisis NaCl.
Jurnal Teknologi Dirgantara Vol. 5 (No.2) : 95 – 102.
Prianto,
B., 2007. Pemodelan Kimia Komputasi. Berita Dirgantara Vol.8 (No.1) : 6
– 9.
Rahayu, Susanto Imam, 1995. Kinetika Kimia.
Penerbit
ITB, Bandung: 19 - 28.