~ ~ N~ H~ Nu.t..- JA.. ~ X KL 2. t5~ !410-'16g6

BILANGAN KOORDINASI P ADA BETAINE PHOSPHATE AMORF

2Tri Hatdi P., 2E. Yulianti

iT.

Yuliadi, 2 A. Purwanto,

53b

I Program Studi Materials Science,

Program Pascasarjana Universitas Indonesia2 Puslitbang Iptek Bahan -BATAN;

Kawasan Puspiptek, Serpong- Tangerang

ABSTRAK

BILANGAN KOORDINASI PADA BETAINE PHOSPHATE AMORF. Cuplikan betaine phosphate amort diperoleh dari kristal betainephosphate yang dibiarkan beberapa hari da!am udara kamar, sedangkan krista! tersebut didapat dari larutan super jenuh betaine (CH3)3NCH2COOdan asam phosphate H3PO4. Cuplikan amort dikarakterisasi dengan Difraktometer Neutron Resolusi Tinggi (DN3) di BAT AN. Data tersebutdireduksi dengan memasukkan faktor koreksi wadah quartz, faktor serapan dan faktor transmisi cuplikan untuk mendapatkan intensitas hamburancuplikan. Untuk reduksi data dibuat pemrograman komputer dengan bahasa pemrograman C++. Hasil reduksi tersebut dianalisis dengan perangkatlunak GSAS yang menghasilkan bahwa bilangan koordinasi Gumlah atom terdekat) pada betaine phosphate amort mendekati 5.

ABSTRACT

COORDINATION NUMBER ON AMORPHOUS BETAINE PHOSPHATE. Amorphous betaine phosphate was obtained from crystallinebetaine phosphate in ambient environment, the crystal was obtained from the super saturated solution of betaine (CH3)3NCH2COO and H3PO4.The amorphous sample was characterized with High Resolution Powder Diffractometer (DN3) at BATAN. Data reduction was done by taking thesample can correction factor, the sample absorption and transmission into account to obtain the diffraction intensity solely belonging to the sample.C++ programming language was used for the data reduction. The data was then analyzed using the GSAS package resulting that the coordinationnumber (nearest atomic number) on betaine phosphate is approximately 5.

PENDAHULUAN

Yang dapat dianalisa pada struktur amorf antara lainadalah menentukan jumlah atom terdekat pada bahantersebu.. Jumlah atom terdekat sering pula disebutsebagai bilangan koordinasi. Salah satu metode untukmenghitung jumlah atom terdekat antara lain denganpendekatan mekanika klasik [4]. Metode ini cukup baiksecara kualitatif dengan memakai pendekatan peristiwahamburnn quasielastic pada zat cair sederhana.

1)ntuk menganalisa banyaknya atom terdekatdigunakan perangkat lunak GSAS[5]. Lalu untukmenda~atkan data intensitas hamburan cuplikanmelibatkan faktor koreksi daD pernrograman.

Bahan betaine phosphate(CH3)3NCH2COO.H3PO4 (disingkat BP) diperoleh darikristal BP [1-3] yang dibiarkan beberapa hari dalamudara kamar, sedangkan kristal BP diperoleh dari larutansuper jenuh betaine (CH3)3NCH2COO daD asamphosphate H3PO4[1]. Bahan tersebut mempunyai sifathigroskopik yaitu mudah menyerap uap air pada keadaanudara terbuka. Struktur betaine phosphate yang telahmenyerap air akan berubah menjadi amorf pada kadarwaktu tertentu.

Penelitian ini di Jatar belakangi dengan sifathigroskopik yang dimiliki oleh betaine phosphate yangmenyebabkan bahan tersebut berubah menjadi amorf.

~, 2S A~ 1'1'1'1 39

p~ Ai-. T~ f'".l.. ~ p~ A~T.Y~. A.P""",M-t.., T~ H~. E. Y~

Teori Faktor Koreksi dun Perhitungan Atom Terdekat

,(5)

N(i) jumlah atom pacta tipe i pacta tiap formula laluOi1k:(i} daD ucoir(i} adalah tampang lintang incoherent daDcoherent yang didapatkan melalui daftar Tabel daDd ab.,(i) adalah tampang lintang absorpsi eksperimen,yang diperoleh dari,

Data difraksi neutron dikarakterisasi denganmenggunakan Difraktometer Neutron Resolusi Tinggi(HRPD). Hasil data tersebut dianalisa dengan melibatkantiga koreksi data difraksi neutron yaitu, koreksi absorpsi,hamburan dari wadah cuplikan clan efisiensi variasidetektor.

Ada beberapa langkah perhitungan faktor koreksiabsorpsi atau transmisi, yaitu dapat ditulis[6,7].

T(O) = exp[ -.u(x)R] .(1) .v 0" ( ")O"ah..(i) = abs l

Vo(6)

T(O), faktor transisi yang tergantung pada suduthamburan B dan faktor absorpsi dapat ditulis, A(O)=T/ (0). R adalah radius wadah, lalu Jl{x) ada!ah koefisien

linier absorpsi yang tergantung komposisi bahan, x, yangdapat ditulis,

v, kecepatan neutron eksperimen, Vo kecepatan neutrondengan tampang lintang Uab., yang diperoleh dari Tabeldan v, V,} diperoleh dari konversi energi kinetik neutrondengan panjang gelombang neutron 2.

Untuk pengukuran wadah cuplikan diukur padatemperatur mang, dan akhimya pengukuran datamempunyai hubungan koreksi,fJ(X) = n(x) ~ (x) (2)

Is ({), x) = A(x) D(x) [1m ({), x) -T(x) Iq ({},x)J

(7)o;(x) adalah tampang lintang (cross section) dan n(x)adalah jumlah molekul per unit volume dapat didapatkan

dari, keterangan:

P(x)

W(x)n(x) = .(3)

I.(o'x) = lntensitas hamburan dari cuplikanIm(o'x) = data pengukuran (serbuk cuplikan +

wadah cuplikan)Iq(O,x) = data pengukuran (wadah cuplikan)D(B) = multiplisitas faktor efisiensi detektorA(x) = faktor absorpsiT(x) = faktor transmisi

p(x) adalah kerapataIi massa dari cuplikan daD W(x)bobot atom per formula. Perhitungan p(x) dapatdiperoleh dengan memakai rumus,

.(4)

Untuk mendapatkan Intensitas hamburandiperlukan pembuatan perhitungan program melaluipersamaan (11.34). Is(B,x), Im(B,x) daD Iq(B,x) merupakanfungsi dari sudut hamburan () daD komposisi x daD D(fJ}hanya fungsi dari B:

Langkah selanjutnya penghitungan atom terdekat,n(r) pacta bahan amorf melalui pendekatan statistik

mekanika klasik[4] dengan rumus:keterangan:

.(8)

Ps = kerapatan cairanm. = massa cuplikanm2 = massa pycnometer + cairanm3 = massa pycnometer + cairan + cuplikan

dengan p, kerapatanbanyaknya atom, clan D(r) , fungsiradial distribusi.

Kemudian perhitungan tampang lintang o;(x)dapat dituliskan sebagai berikut,

~I 2S A~ 111140

p~ A~ 1~ ~ ~ p~ A-ot1.Y~, A.P-~,1~ Hw..., E. Y~

,

Untuk menghitung tam pang lintang o;(x)digunakan persamaan (3), (5) dan (6) kemudian hasilnyaditulis pada Tabel 2 dan 3 Komposisi bahan x = o.T A TA KERJA

Sin(esis BahanTabel1 Data kerapatan massa dengan

dua perbedaan suhu, 30°C.Cuplikan betaine phosphate amorf didapat darikristal tunggal BP yang dibiarkan berada dalam udarakamar. Kristal tunggal tersebut dihasilkan dari larutansuper jenuh betaine (CH3hNCH2COO (be rat molekul117,15) dan asam phosphate H3PO4 (be rat -molekul98,00), perbandingan molar (CH;);NCH2COO : H3PO4adalah, 2,75:1. Kemumian unsur dasar di atas 98%.digerus kemudian didiamkan dalam kurung waktutertentu, kira-kira bubuk cuplikan tersebut telahmengalami gumpalan tidak menjadi bubuk lagi. lni dapatdilakukan pada ruang terbuka pada suhu kamar atau dibawah suhu kamar. Cuplikan tersebut memilikiCuplikan dimasukan kedalam wadah berbentuk tabungyang memiliki diameter 1,23 cm. Wadah cuplikan terbuat

dari bahanquartz (termasuk glass, amort).

Tabel2 Data tampang lintang,(CH3)3NCH2COO3PO4 (betaine phosphate).

Pengukuran Difraksi

Pola difraksi arnorf betaine phosphate diukurdengan fasilitas -neutron High Resolution PowderDiffractometer (HRPD), dengan monokromatorgennanium (A. = 1,821 A). Peralatan tersebut dilengkapi

dengan 32 detektor sehingga memungkinkan perolehandata dalarn suatu range 29 tertentu secara serempak.Pengukuran tersebut dilakukan pada temperatur ruangdengan sudut harnburan 29 dari 2,500° sampai 162,722°,dengan lebar step 0.05°.

Tabel3 Data makroskopik (CH3)3NCH2COO3.PO4(betaine phosphate).

AbsorpsifaktorA (0)

TransmisifaktorT(O)

Beratmolekul

W(O)

Kerapatanp

gr/cmJ

0.950 1,QS3

Total

tarnpanglintang

0",(0)

~10.1371.486 215.141

Koreksi Data Pengukuran Wadah Cuplikan danEflSiensi Detektor.

HASIL DAN ANALISIS

Faktor Koreksi Absorpsi don Transmisi

Faktor koreksi transmisi seperti pada persamaan(I) dan mempunyai hubungan dengan faktor koreksiabsorpsi A(B)=T-'(B). Untuk mendapatkan koreksi itu,perlu memasukkan diameter wadah, R kemudiankoefisien linier absorpsi p(x) didapatkan dari persamaan

(2) atau perkalian Avxpxo;(x)x(BM}-2 (Av bilanganA vogradro). Kerapatan, p dapat diperoleh dari perangkatlunak GSAS atau memakai persamaan (4), dapat dilihat

pada Tabel I.untuk perhitungan selanjutnya kerapatanyang dipergunakan adalah yang diperoleh dari GSASpada suhu 30°C, karena hasil yang diperoleh daripersamaan (4) kurang akurat, disebabkan cepatmenguapnya cairan (toulewen) yaitu, larutan yangdigun~?- untuk mengukur kerapatan tersebut.

Wadah cuplikan memakai quartz (bahan glas),bahan ini masuk katogori amorf, tetapi tidak dimasukanfaktor koreksinya karena memiliki intensitas basilpengukuran yang relatif cukup kecil dibandingkandengan cuplikan betaine phosphate yaitu, memilikiperbandingan orde 102 (ratusan) dengan 103 (ribuan), inidapat dilihat pada Gambar 1. Faktor koreksi inidigunakan sebagai pengurang daTi basil data pengukurancuplikan plus wadah (lihat persamaan (7». Detektor pada

alat HRPD ada 32 buah detektor, sehingga banyaknyanilai efisiensi detektor ada 32, sedangkan data observasisebanyak 3200 sehingga satu detektor memiliki 100 dataobservasi yang sarna. Nilai efisiensi detektor dapatdilihat pada Tabel 4.

Detektor ke-23, 24, 25, 31 dan 32 memiliki nilaiefisiensi yang kurang akurat, maka data observasi daTidetektor tersebut tidak dimasukkan dalam perhitungan.

41~, 2S A~ 1111

p~ A~ T.".(.J,..t f".l... ~ p~ A eT.V~. A.P..,...,MotD. T~ H~. E. V~

Tabel4 Nilai efisiensi detektor, pada alat HRPD

integral dari r = 0 sarnpai dengan r = 0,373 A ((1)

(puncak pertama), data ini diarnbil dari Garnbar 2.(gambar ini adalah graftk fungsi radial distribusi terhadapjarak antar partikel terdekat) memakai titik acuan noluntuk data perhitungan intensitasnya.

Untuk menghitung jumlah atom terdekat tersebutdiperlulcan nilai Icerapatan atom, p, dalam hal inidianggap isotropik agar memenuhi persarnaan 8.Kerapatan atom tersebut diperoleh dari kerapatan massadari perangkat lunak GSAS. Lalu sebelummengintegralkan fungsi tersebut, terlebih dahulu mencarifungsi radial distribusi, dengan memakai fungsipolinomial dan didapatkan,

32119,OOX2157,92 + 25292,OOXD(r:

Intensitas hamburan (lihat persamaan (7»diperoleh melalui pembuatan program yaiw denganmemasukan tiga data input. Bahasa pemrograman yangdipakai c++ (C plus-plus) versi Borland.

Ketiga data input adalah, Data. In I, Data.ln2 daDData.In3 masing- masing data tersebut adalah dataintensitas pengukuran (cuplikan+wadah cuptikan), dataintensitas pengukuran (wadah cuplikan) daD dataefisiensi detektor, semua data-data itu memiliki formatmemanjang vertikal I (saw) kolom kemudian denganmemakai program yang dibuat menghasilkan Data.Outl,Data.Out2, Data.OuO yang mempunyai 10 (sepuluh)kolom agar dapat diolah oleh perangkat lunak GSAS,pemrograman dapat dilihat[8]. Hasil grafik RAWPLOTyang diperoleh dari pemrograman tersebut dapat dilihatpada Gambar la daD lb.

Lalu unwk menghasilkan data intensitas hamburanmenggunakan persamaan 7, dipemrograman dikenaldengan nama :-oata.out4, basil grafik RAWPLOT-nyadapat dilihat pada Gambar I c.

(9)

Jumlah koefisien yang digunakan hanya tigakarena nilai sigma masing-masing koefisien tersebutrelatif lebih rendah dibandingkan bila ditambahkoefisiennya yaitu sebesar, 40,1; 1,271 dan 382.

Kemudian dalam mengintegralkan persamaan (8)memakai metode Romberg's (numeric integration) [6]dan didapatjumlah atom rata-rata terdekat ~ 5.

Perhitungan Atom Terdekat pada Betaine Phosphate

Amorf

Untuk menghitung jumlah atom terdekatmenggunakan persamaan 8, dengan mengambil batas

~, 2S A~ 111142

p~ A~ TtIIJLItA f".I.. ~ p~ A~T.Y..l;..,l;., A.P~, T~ H~. E. Y~

p~ At- T~ .;..k ~ P {..-t A~T.V~. A.P ,.,~. T..-: h'~. E. vc.4

Gambar 2. Fungsi radial distribusi ini adalah hasilpengamatan (observasi) tanpa di-refine.

Keadaan puncak berada pada r = 0,373 A (a)

KESIMPULAN DAN SARANPengukuran difraksi untuk betaine phosphate

amorf digunakan High Resolution PowderDiffractometer dengan cuplikan serbuk daD diperolehjumlah ~tom rata-rata terdekat ~ 5, dengan melibatkanfungsi radial distribusi. Dalam proses perhitungantersebut banyak pendekatan-pendekatan. Jika telahdiperolah perangkat lunak yang dapat mengolah databahan amorf maka ada baiknya perlu diulang dalam me-refine data observasi tersebut agar diperoleh basil yangmaksimal.

Gambar IV.7 Pola difraksi neutron ini hasilobservasi.

UCAP AN TERIMAKASIH

Penulis sangat berterimakasih kepada I.WahyonCil atas bantuannya dalam pengukuran difraksisinar-X. Penelitian ini dibiayai sebagian dari dana RisetUnggulam Terpadu V No. 32/SPK/RUT/BPPT/IV/98Kantor Menteri Negara Riset daD Teknologi RepublikIndonesia.

(a) intensitas dari cuplikan+wadah 1m, (b) intensitasdari wadah Iq dan (c) intensitas dari cuplikan Is. Is

diperoleh dari persamaan (11.35).

43~12SA~11:t1:t1:tI

p~ At T~ f"JA ~ p~ A~T.Y~, A.P..,...,~. T~ H,.",J;., t. Y~

[5]. Allen C. Larson, Robert B. Yon Dreele, GSASTraining Manual, Los Alamos National Laboratory,Los Alamos (1994) Amerika Serikat.

[6]. M. B. M. Mangin & G. P. Johari, Physics andChemistry olGlass (1988)

[7]. E. Kartini, ~. Tri Hardi, S. Yusuf, Setiawan, H.Mugy Raharl:ljo, N. (ndayaniningsih and S. J.Kennedy, Preliminary Study on SICC(AgI)x(AgPO3)/-x by Neutron Scattering,Prosiding Pertemuaan Ilmiah Sains Materi Ill,Serpong, 1998

[8]. T.Yuliadi, Difraksi pada Kristal Tunggal,Polikristal dan Amorf Betaine Phosphate, Tesis,Program Pascasarjana Universitas Indonesia,Program Studi Materials Science 1999

PUSTAKA

[I]

[2]

[3].

A. Fajar, A. Purwanto, S. Giat, Sumardjo, B.Sugeng, E Yulianti, Synhesis and Characterisationof Betaine Phosphate, Proc. Syrnp. Tekno (1998)333-336T. Yuliadi, A. Purwanto, A. Fajar, E Yulianti,Struktur Kristal Serbuk Betaine Phosphate padaTemperatur 30"C dan 120"C , PascasarjanaUniversitas Indonesia, Program Studi MaterilsScience, 1999W. Shcildkamp and J. Spilker, Struktural andAntiferroelectric Phase Transition in BetainePhophate. (CHJl;NCHzCOOJ.PO4, Z. Kristallogr.,168 (1984) 159-171D. Chondler, Introduction to Modern StatisticalMechanies, Oxford University Pres, Inc., 200Madison Avenue, New York, 1987

[4].

~, 2S" A~ 111144