handout kristalografi

7/22/2019 Handout Kristalografi

1/84

KIMIA FISIKA

KRISTALOGRAFI


2/84

KOMPETENSI DASAR

Setelah mengikuti bab Kristalografi,

mahasiswa mampu menjelaskan sifat fisika

kimia bahan baku secara lebih mendasarsehingga dapat mengantisipasi lebih awal

produk yang akan dihasilkan dan mampu

menganalisis kerusakan produk farmasisecara ilmiah dan bertanggung jawab.


3/84

Pokok Bahasan

Latar Belakang

Energi ikatan antar atom

Kondisi materi

Dimensi dan energi ikatan

Habit dan struktur internal


4/84

Monotropi dan enantriotrop

Antaraksi dua bahan obat

Pemilihan Bentuk

Polimorf

Hidrat

Efeknya terhadap Pengembangan Formulasi

Kesimpulan


5/84

LATAR BELAKANG

Karakterisasi bentuk fisik bahan baku (zat

aktif maupun zat tambahan/eksipien)

penting untuk:Ketersediaan hayati

Kontrol zat aktif dalam produk

PengisianSifat-sifat formulasi yang baik


6/84


7/84

Bahan Baku

Bahan Aktif Eksipien

Kemurnian kimia

Karakterisasi fisika

Sifat serbuk bahan

Sifat partikulat

Spesifikasi Bahan Baku

Mutu produk terkendali


8/84


9/84

Gaya Tolak Menolak dan Tarik Menarik


10/84


11/84

ENERGI IKATAN ANTAR ATOM


12/84


13/84


14/84


15/84


16/84


17/84

(1) A + B A : B

(2) A + : B A : B kovalen koordinasi


18/84


19/84


20/84


21/84


22/84


23/84


24/84


25/84


26/84


27/84

Ikatan hidrogen. X H dan :Y dapat membentuk

jembatan X H---:Y jika X dan Y merupakan atom

kecil yang sangat elektronegatif seperti F, O, dan N.

Ikatan H juga terjadi intramolekular.


28/84


29/84


30/84


31/84


32/84


33/84

Kondisi Materi

Kecenderungan teratur Kecenderungan penguraian

Wujud materi nyata

Kristal ideal

Kristal nyata

Kristal cair

Cairan nyata

Cairan ideal

Gas nyata

Gas ideal


34/84


35/84

Gas

Gerakan molekul-molekulnya cepat dan hebat,

sering bertumbukan satu sama lain dan

bertumbukan dengan wadah yang ditempatinya.

Hukum Boyle: PV = k

Hukum Gay Lussac & Charles: V= kT

Penggabungan: P1VI= P2V2

T1 T2

Hukum gas ideal secara umum:PV = nRT


36/84


37/84

Teori Molekular Kinetik

Gas terdiri dari partikel-partikel yang disebutmolekul, dimana volume totalnya dapat diabaikanterhadap volume ruang.

Partikel-partikel tidak tarik menarik tapi bergeraksecara independen.

partikel menunjukkan gerakan acak terus menerus.

Molekul-molekul menunjukkan elastisitassempurna, artinya tidak ada kehilangan kecepatansetelah mereka saling bertumbukan.

Menjelaskan kelakuan gas dan mendukung validitashukum gas.


38/84


39/84

Cair

Temperatur kritis adalah temperatur tertinggi yang

masih mungkin untuk gas mencair. Tekanan kritisadalah tekanan yang diperlukan untuk mencairkangas pada temperatur kritisnya.

Prinsip yang digunakan dalam sediaan aerosol:

obat dilarutkan atau disuspensikan dalampropelan, yaitu bahan yang berbentuk cair padatekanan dalam wadah aerosol tetapi berbentuk gasdi bawah tekanan atmosfer normal. Dengan

menekan katup pada wadah, sejumlah campuranobat-propelan keluar karena kelebihan tekanandalam wadah. Contoh propelan: nitrogen,karbondioksida, fluorokarbon.


40/84


41/84

Padatan dan Keadaan Kristal

Kristal Ideal

Atom-atomnya menempati posisi tertentu danpasti, bergerak mengelilingi posisi kesetimba-

ngannya.

Simetri kristal Keteraturan periodik tiga dimensional atom,

ion atau molekul khas untuk sebuah kristal.

Kisi 1 dimensional=deret titik periodik. Besar-nya a (=ao) adalah periode, jarak identitas.

Kisi 2 dimensional = dari atom awal dilakukantranslasi kedua yaitu b ke arah yang tegak

lurus (tapi umumnya menyimpang dari 90o

)


42/84


43/84

Kisi 3 dimensional/kisi ruang, didapat jika dariatom awal dilakukan translasi ke koordinatruang ketiga.

Sel elementer adalah struktur sejajar yangdibentuk dari ketiga vektor a, b dan c.

Ciri kisi: homogen dan anisotrop. Anisotropi artinya memiliki sifat dasar yang

tergantung pada arah, yang disimpulkan

melalui titik-titik identik yang membentuk kisiruang.


44/84

a) Kisi satu dimensional

b) Kisi dua dimensional

c) Kisi tiga dimensional


45/84

Tujuh sistem kristal

Sistem kristal Panjang sumbu Sudut antara sumbu

Triklin

Monoklin

Rombus

Heksagonal

dan trigonal

Romboedris

Tetragonal

Kubus

ao bo co

ao bo co

ao bo co

ao =

bo co

ao =

bo

=c

o

ao = bo co

ao =

bo

= c

o

90 o

=

= 90 o

90 o

=

=

= 90 o

=

=

90 o = 120o

=

=

90

=== 90 o

=

=

= 90 o


46/84


47/84

KISI TRANSLASI ATAU KISI BRAVAIS


48/84


49/84

Habit dan Struktur Internal Habit adalah karakteristik penampilan kristal yang

ditentukan oleh bentuk utamanya. Muka kristal ditentukan oleh struktur internal

atom (simetri kelas kristal), dan traitmencerminkan hubungan kecepatan pertumbuhan

antara bentuk-bentuk tunggal. Sedangkan habitmencerminkan adaptasi kristal terhadap lingku-ngan pertumbuhan (temperatur, tekanan, lingku-ngan kimia, tekanan orientasi (pengembangan

anisotropi), ketidakmurnian dan pertumbuhansimultan kristal lainnya). Maka, kristal dari bahanyang sama dapat tumbuh dengan habit yang

berbeda di tempat yang berbeda dan tumbuh padakecepatan yang berbeda pada satu tempat.


50/84


51/84

Variasi trait dalam

kristal pyrite:

Bentuk kubus (hijau)

Bentuk oktahedron

(biru)

Bentuk pentagonaldodekahedral (merah).


52/84

Bentuk luar kristal


53/84

Habit kristal pyrite

Morfologi kubus, ja-

rum dan lempeng ti-

pis dalam kristal

polihedral yang ber-hubungan dengan pe-

ngembangan anisotopi

muka-muka yang

ekuivalen.


54/84

Morfologi kristal

yang langsung ber-

hubungan dengan

bagaimana kristaltumbuh dan kemu-

dian gaya

pengendali proses

kristalisasi


55/84

Habit kristal salju


56/84

ENERGI KISI

Energi kisi, Uk, sebuah kristal adalah besarnyaenergi yang harus digunakan untuk menguraikankristal menjadi komponen-komponennya dan

membawanya ke arah jarak yang tidak berhingga. Kondisi ideal kristal pada T = 0 K.

Makin tinggi suhu, kisi makin longgar akibatgetaran termik, energi kisi makin menurun.

Besarnya energi kisi tergantung gaya-gaya yangbekerja di antara partikel.


57/84

Energi Kisi dan Kaitannya dengan Besaran

Lain

Ketegaran: Untuk jenis kisi yang sama dan valensi ion yang sama,

maka makin kecil jarak ion, ketegaran makin besar.

Untuk jarak ion yang sama maka main tinggi valensi,

ketegaran makin besar.

Stabilitas struktur

Makin besar energi kisi, makin stabil kristal tersebut.

Reaktivitas Pada sebuah deret homolog, umumnya zat dengan

energi kisi terendah paling mudah bereaksi.


58/84


59/84

Titik Leleh dan Panas Peleburan

Titik beku adalah temperatur suatu cairan

berubah dari keadaan cair ke keadaan padat.Sebaliknya disebut titik leleh.

Titik beku atau titik leleh padatan kristalin

murni adalah tajam. Panas laten peleburan adalah panas yang

diabsorbsi ketika satu gram padatan meleleh

atau panas yang dibebaskan ketika suatu

padatan membeku.

Air: pada 0 oC, panas peleburan 80 cal/g.


60/84

Titik Leleh dan Gaya-gaya intermolekular

Panas peleburan dapat dipertimbangkan

sebagai panas yang dibutuhkan untuk me-ningkatkan jarak antar atom atau antarmolekul dalam kristal, sehingga pelelehan

terjadi. Umumnya panas peleburan dan titik leleh

sebanding dengan kekuatan ikatan.

Hidrokarbon jenuh: BM , maka TL

TL asam karboksilat > TL asam lemak.

Kelarutan kafein > teofilin dan 7-propilteofilin> 7-etilteofilin.


61/84

Polimorfisme Polimorfisme adalah fenomena suatu bahan (unsur

atau senyawa) dapat berada pada lebih dari satustruktur kristal tergantung pada temperaturdan/atau tekanan.

Polimorf umumnya mempunyai titik leleh, poladifraksi sinar x dan kelarutan yang berbeda-beda,walaupun secara kimia identik.

Trigliserida, tristearin: (TL rendah, metastabil)

(stabil).

Lemak teobroma dan lemak coklat sebagai basissupositoria menunjukkan polimorfisme, TL

berbeda.


62/84

Peran polimorfisme dalam farmasi:

Pada obat yang kurang larut, sifat polimorfyang berbeda kelarutannya mempengaruhikecepatan disolusi, sehingga satu polimorfdapat lebih aktif secara terapetik daripada

polimorf lain dari obat yang sama. Contoh:kloramfenikol palmitat, sulfameter bentuk II,lebih aktif secara terapetik.

Dalam teknologi suspensi, tranformasi bentuk

kristal menyebabkan caking pada suspensisehingga sebelum diformulasi dipilih polimorfyang paling stabil. Contoh: kortison asetat (5

bentuk kristal).


63/84

Pemanasan, penggerusan dapat mengubah

bentuk polimorf satu ke bentuk yang lain. Penentuan struktur kristal dan konformasi

molekular berbagai polimorf dari obat yang

sama:Spektroskopi inframerah

Analisis termogravimetri

Kecepatan disolusi

Difraksi sinar x serbuk.


64/84

Solvat: mirip polimorf tetapi kristal

mengandung molekul solven (pelarut yang

digunakan saat proses kristalisasi). Disebut

juga pseudopolimorfisme.

Enantiotrop dan Monotrop

Enantiotrop: perubahan bentuk polimorf ke

bentuk lainnya yang reversibel.

Monotrop: perubahan bentuk polimorf hanya

pada satu arah yaitu dari bentuk metastabil kebentuk stabil.


65/84

Temperatur transisi polimorfisme

Merupakan sifat penting sistem dan menentukan

bentuk yang lebih stabil pada temperatur rendah. Pada temperatur transisi, polimorf mempunyai

energi bebas yang sama, kelarutan identik dalampelarut tertentu dan tekanan uap yang sama.

Penentuan temperatur transisi:

Regresi linear dari logaritma kelarutan vs 1/T,menghasilkan intersep temperatur transisi.

Pada larutan encer, logaritma rasio kelarutan dua

polimorf vs 1/T. Diagram fase tekanan vs temperatur.

Differential Scanning Calorimetry (DSC).


66/84

Padatan amorf

Dianalogikan sebagai cairan superdingindimana molekul-molekul tertata secara acakdengan cara yang sama seperti padakeadaan cair. Contoh: gelas, plastik sintetis.

Perbedaannya dengan padatan kristal:Cenderung mengalir ketika diberikan tekanan

yang cukup dalam waktu lama.

Tidak mempunyai titik leleh yang tertentu.

Bentuk amorf atau kristal mempengaruhiaktivitas terapetik. Contoh: novobiosin.


67/84

KRISTAL CAIR (Mesofase)

Merupakan fase antara keadaan cair dan padat.

Sifat: mudah bergerak dan mempunyai sifat alirancairan. Cahaya yang melewatinya terbagi duakomponen yang berbeda kecepatannya sehingga

mempunyai indeks refraksi yang berbeda, ini adalahsifat kristal.

Molekul yang membentuk mesofase:

Organik

Bentuknya panjang atau seperti garis lurus. Rigid (kaku)

Memiliki dipol kuat dan merupakan gugus yang mudahterpolarisasi.


68/84

a. Smectic mesophase a. Nematic mesophase

i h ( i b /l k)


69/84

Smectic mesophase (seperti sabun/lemak).

Molekul dapat bergerak dalam dua arah dan dapatberotasi di sekitar satu sumbu.

Paling berperan dalam farmasetika karena biasanyaterdapat dalam campuran terner atau lebihkompleks, yang mengandung surfaktan, air danamfifilik lemah atau zat tambahan nonpolar.

Aplikasi: solubilisasi bahan tak larut dalam air,misalnya emulsi, dan bertanggungjawab atas

peningkatan stabilitas fisik karena sifatnya yangsangat kental.

Nematic mesophase (seperti benang).Molekul dapat bergerak dalam tiga dimensi dan

berotasi di sekitar satu sumbu.


70/84

Contoh-contoh kristal cair:

Kristal cair non-air yang terbentuk daritrietanolamin (TEA) dan asam oleat dengan

suatu seri polietilen glikol atau berbagai

asam organik seperti isopropil miristat,

skualen.

Struktur kristal cair serupa dengan membran

sel sehingga kristal cair dapat berfungsi

sebagai model biofisika untuk struktur dan

fungsionalitas membran sel.


71/84

Kesetimbangan Fase dan Aturan Fase

Hukum Fase Gibbs berguna untukmenghubungkan efek jumlah variabel yang tidak

bergantung (misalnya temperatur, tekanan dan

konsentrasi) terhadap berbagai fase (padat, cair,gas) yang terdapat dalam sistem kesetimbanganyang mengandung sejumlah komponen.

F = CP + 2

F = derajat kebebasan dalam sistem

C = jumlah komponen

P = jumlah fase


72/84

Fase adalah bagian dengan batas fisik yang jelas,bersifat homogen dan dipisahkan satu sama lainoleh suatu batas permukaan. Sistem air danuapnya adalah sistem dua fase.

Jumlah komponen adalah jumlah minimalkomponen yang saling tidak tergantung yangdiperlukan untuk bangun strukturnya.

Contoh: campuran es, air dan uap air padakesetimbangan, jumlah komponennya satu. SistemCaCO3 CaO + CO2memiliki tiga fase (dua fase

kristalin dan satu fase gas) tapi hanya mempunyaidua komponen yang saling tidak tergantung. Yangketiga, CaCO3ditentukan oleh kedua lainnya.


73/84

Tingkat kebebasan adalah jumlah variabel yang

tidak bergantung (tekanan, suhu dan konsentrasi

komponen), tanpa terjadinya sebuah pertukaranfase (tanpa terbentuknya fase baru atau hilangnya

fase lama).

Jika kita memperhatikan hanya satu fase di dalam

sebuah sistem satu komponen, misalnya kondisiterkristalisasi, maka tekanan dan suhu dapat

divariasikan dalam batas-batas yang lebih luas

tanpa terbentuk suatu pertukaran fase. Ini berarti,

sistem mempunyai tingkat kebebasan dua (F = 1-

1+2 = 2) dan disebut divarian.


74/84

Jika sebuah kristal berada dalam kesetimbangan

dengan uapnya dan kedua fase diharapkan dapat

terus dipertahankan, maka misalnya hanyasuhunya yang dapat divariasikan lebih lanjut

sedangkan tekanannya dibuat tetap. Sistem tadi

hanya mempunyai satu tingkat kebebasan (F=1-

2+2=1) dan disebut univarian. Pada kasus koeksistensi kristal, leburan dan uap,

maka tekanan dan suhu ditetapkan seluruhnya dan

tidak dapat divariasikan lagi. Sistem tiga fase ini

tidak mempunyai tingkat kebebasan lagi dan

disebut invarian.


75/84

K ti b P S bli i d


76/84

Kesetimbangan Penguapan, Sublimasi danLeburan, Titik Ganda Tiga (Triple Point)

Hubungan kesetimbangan:plot P sebagai fungsi T.

Dalam diagram fase, sistem divarian dilukiskanmelalui sebuah bidang, artinya P (tekanan) dan T(temperatur) sebagai variabel dalam batas-batasyang luas tanpa terbentuk suatu perubahan fase.

Sistem monovarian dikarakterisasikan melaluigaris, yang membatasi daerah eksistensi keduafase. Dalam kasus ini, misalnya hanya suhu yangdapat divariasikan lebih lanjut dimana tekanan

sangat terbatas, atau sebaliknya.akhirnya, padasistem invarian, tidak terdapat kebebasan memilihlagi, sehingga daerah eksistensi bertemu padasebuah titik yang jelas-jelas ditentukan melaluitekanan dan suhu.


77/84

BO kurva leburan (kesetimbangan kristal-leburan)

AO kurva penguapan (kesetimbangan leburan-uap)

CO kurva sublimasi (kesetimbangan kristal-uap)

O titik ganda tiga (kesetimbangan kristal-leburan-uap


78/84

ANTARAKSI DUA/LEBIH ZAT

Sistem Eutektikum

Terdapat penurunan titik lebih paling tajamdibandingkan dengan komponen murninya.

Sebuah leburan homogen selama prosespembekuannya berubah menjadi campuran duajenis kristal yang heterogen.

Leburan alpha +beta

Contoh: sistem timol-salol, kamfer-salol, lidokain-prilokain, ketoprofen-PEG.


79/84

Dispersi Padat

Sistem eutektik, sistem merupakan campuran

kristalin yang berhubungan erat antara satukomponen dalam komponen lain.

Larutan padat, masing-masing fase padatmengandung kedua komponen, artinya, solut

padat terlarut dalam pelarut padat lainnya untukmenghasilkan kristal campuran.

Kegunaan:

Mengubah laju disolusi, bioavailabilitas. Contoh:

obat yang sukar larut digabungkan denganpembawa yang sangat larut seperti urea.

Pengurangan ukuran partikel.


80/84

Kesetimbangan Fase dalam Sistem Tiga Komponen

Aturan fase: jumlah tingkat kebebasan meningkat

dengan meningkatnya jumlah komponen. Untuk

sistem tiga komponen:

Invarian: lima fase dalam kesetimbangan (titik

ganda lima); univarian: 4 fase; divarian: 3 fase;trivarian: 2 fase; tetravarian: 1 fase.

Untuk menetapkan hubungan kesetimbangan

sistem terner secara kuantitatif harus diperhatikan 4

tingkat kebebasan: P, T, konsentrasi A dankonsentrasi B. konsentrasi C tidak diperhatikan

karena konsentrasi C ditentukan oleh A dan B.


81/84


82/84

Sudut: konsentrasi sebuah komponen 100% dan

komponen lainnya adalah o%.

Sisi dari segitiga: memberikan komposisi sistem

biner AB, BC, CA.

Seluruh titik yang terletak pada bagian dalam

segitiga, sesuai dengan komposisinya,mengandung ketiga komponen.

Dari ilustrasi bidang ini, kita dapat memperoleh

model ruang, jika kita melukiskan faktor suhu

berupa garis tegak lurus berhadap segitigakonsentrasi.


83/84

Kegunaan:

Sistem eutektik berner: tiga sistem biner

yang masing-masing mempunyai titikeutektik EAB, EBCdan EAC. Seluruhkomponen pada seluruh daerah

konsentrasinya menghasilkan leburanhomogen, tetapi dalam kondisi padatnyatidak membentuk kristal campuran. Padatitik eutektik terner,pada tekanan yang

diberikan ketiga fase padat berada dalamkesetimbangan dengan leburannya sehinggatitiknya adalah invarian.


84/84

Sistem terner dengan satu pasang cairan

yang larut sebagian

handout kristalografi

Documents