ANALISIS KOMPARATIF SIFAT STRUKTUR DAN DINAMIKA SOLVASI ANTARA ION K+ DAN Rb+ DALAM AMONIA CAIR DAN CAMPURAN AIR-AMONIA MENGGUNAKAN SIMULASI DINAMIKA MOLEKUL QUANTUM MECHANICS CHARGE FIELD (QMCF)

YUNIAWAN HIDAYAT, Prof. Dr. Harno Dwi Pranowo, M.Si; Prof. Wega Trisunaryanti, M.S, PhD.Eng

2018 | Disertasi | DOKTOR KIMIA

Telah dilakukan analisis komparatif sifat struktur dan dinamika interaksi solvasi antara ion K+ dan Rb+ dalam amonia cair dan campuran air-amonia menggunakan simulasi dinamika molekul menggunakan Quantum Mechanics Charge Field (QMCF). Pada sistem amonia cair, masing-masing ion diletakkan pada kotak simulasi berisi 593 amonia dengan densitas sebesar 0,69 g/cm3 pada temperatur 235,15 K, sedangkan pada sistem campuran air-amonia, berisi 813 air dan 184 amonia dengan densitas 0,96 g/cm3 pada temperatur 298,15 K. Pada kedua sistem diberlakukan ensemble NVT dan algoritma Berendsen agar temperatur terjaga konstan. Simulasi dilakukan dengan metode perhitungan ab initio pada level teori Hartree-Fock (HF) dengan himpunan basis LANL2DZ-ECP untuk ion dan DZP (Dunning) untuk air dan amonia. Medan gaya fleksibel untuk amonia dan BJH-CF2 untuk air diaplikasikan pada daerah MM. Ion K+ dan Rb+ dalam amonia cair memiliki dua daerah solvasi dengan struktur yang bersifat labil. Bilangan koordinasi rata-rata masing-masing pada kulit pertama dan kedua secara berurutan adalah 6 dan 29 untuk K+ serta 8 dan 33 untuk Rb+. Struktur K(NH3)6+ berbentuk oktahedral yang terdistorsi, sedangkan [Rb(NH3)8]+ memiliki bentuk dodekahedral terdistorsi. Nilai MRT ligan pada kulit solvasi pertama adalah sebesar 1,58 ps dan 1,59 ps untuk solvasi ion K+ dan Rb+. Ukuran ion Rb+ yang lebih besar berkontribusi terhadap labilnya struktur solvasi dibanding pada ion K+. Pada sistem campuran air-amonia, ion K+ tersolvasi oleh amonia dan air baik pada kulit solvasi pertama maupun kedua dengan struktur kompleks yang paling dominan [K(H2O)4(NH3)2]-[(H2O)11(NH3)10]+. Berdasarkan perbandingan jumlah amonia dan air, solvasi ion K+ dalam sistem tersebut preferensial terhadap amonia dengan faktor preferensial amonia 2,24. Pada ion Rb+, solvasi preferensial terhadap amonia tidak terjadi. Ion Rb+ hanya tersolvasi oleh air pada kulit pertamanya dengan bilangan koordinasi rata-rata 7 atau di dominasi oleh kompleks [Rb(H2O)7]+ . Hal ini mengindikasikan kemampuan tarikan muatan ion tersebut ke amonia lebih lemah dibanding ion K+. Nilai MRT pada kulit solvasi pertama ion K+ untuk amonia dan air adalah 1,7 dan 2,8 mengindikasikan amonia lebih dinamis dan labil dibanding air. Pada ion Rb+, nilai MRT ligan air sebesar 1,5 menegaskan bahwa struktur solvasi tersebut lebih labil dibanding ion K+. Data energi stabilisasi interaksi ion-ligan dari analisis NBO menunjukkan bahwa interaksi ion-ligan kedua sistem merupakan interaksi elektrostatik lemah.

A comparative analysis of structure properties and dynamics of solvation between K+ and Rb+ ions in the liquid ammonia and aqueous ammonia using of molecular dynamic simulation of Quantum Mechanics Charge Field (QMCF) has been done. In the liquid ammonia system, each ion is placed in the simulation box containing 593 ammonia molecules with corresponding density of 0.69 g/cm3 at 235.15 K. In aqueous-ammonia system, the box is containing 813 water and 184 ammonia molecules with a corresponding density of 0.96 g/cm3 at 298.15 K. The NVT ensemble and the Berendsen algorithm were implemented and the simulation was performed using ab initio method and HF (Hartree-Fock) level of theory. The LANL2DZ-ECP and DZP (Dunning) basis set were used for the ions and ligands respectively. Flexible ammonia and BJH-CF2 force field were implemented for MM region. The K+ and Rb+ ions in the liquid ammonia have two solvation regions with unstable structures. The ion-ligand distances of the first and second solvation shell are 3.05 A and 6.4 A for K+ ion and 3.2 A and 6.3 A for Rb+ ion respectively. The average coordination number is 6 and 29 for K+ ion and 8 and 33 for Rb+ ion respectively. The structure of K(NH3)6+ is octahedral-shaped, while [Rb(NH3)8]+ has a distorted dodecahedral structure. The dynamics of the ligand appear on the ligand MRT of 1.58 ps and 1.59 ps for K+ and Rb+ respectively. The larger size of Rb+ ion contributes to the lability of the solvation structure compared to the K+ ions. The K+ ion is solvated by ammonia and water in the aqueous system and dominantly by [K(H2O)4(NH3)2]-[(H2O)11(NH3)10]+ shell in the solvation. Considering to the ratio of ammonia to water in the solvation shell, it concluded that the K+ ion is preferentially solvated by ammonia by preferential factor of 2,24. In contrast to Rb+ ion, the system is solely solvated by water on the first solvation shell with an average coordination number of 7 and dominantly by [Rb(H2O)7]+ species. It indicate that the Rb+ ion is weak in attracting ammonia than the K+ ion. The value of MRT on the first solvation shell of K+ ions for ammonia and water is 1.7 and 2.8 respectively, indicates that ammonia is more dynamic and labile than water. While for Rb+ ion, the MRT of 1.5 for water confirms for the more labile solvation of structure. According to the Wiberg bond index, the ion-ligand interactions in both systems are a weak electrostatic type of interaction.

Kata Kunci : Simulasi, QMCF, kalium, rubidium, solvasi, amonia