a BAB 2 SPEKTROPHOTOMETER INFRAMERAH

BAB II

SPEKTROPHOTOMETER INFRAMERAH

 Pokok Bahasan :

Dalam bab ini dibahas tentang jenis spektroskopi inframerah  yang secara meluas telah banyak digunakan dalam analisis struktur atau analisis gugus fungsi kimia, khususnya senyawa organik. Berbagai ragam tipe radiasi elektromagnetik seperti gelombang radio, ultraviolet, inframerah, visible dan lain-lain, masing-masing dicirikan oleh panjang gelombangnya (wavelength, l) atau frekuensi (frequency, u).

Inti atom yang terikat oleh ikatan kovalen mengalami vibrasi (getaran) atau osilasi, laksana dua bola terikat oleh suatu pegas. Suatu molekul yang menyerap radiasi inframerah, energi yang diserapnya mengakibatkan kenaikan  amplitude getaran atom-atom yang terikat dalam molekul tersebut. Jadi molekul ini dikatakan berada dalam keadaan vibrasi tereksitasi (excited vibration state). Panjang gelombang eksak dari absorpsi oleh suatu tipe ikatan tertentu bergantung pada jenis getaran dari ikatan tersebut.

Alat instrumentasi yang digunakan untuk mengukur serapan radiasi inframerah disebut spektrofotometer inframerah. Pada garis besarnya alat ini terdiri dari sumber cahaya, cermin difraksi, kuvet (sel) rangkap, pemenggal, kisi dan detector serta perekam.

Tujuan Instruksional :

  1. Pembaca diharapkan memahami pengertian tentang Radiasi Elektromagnetik.
  2. Pembaca diharapkan memahami pengertian tentang Absorpsi Radiasi Inframerah.
  3. Pembaca diharapkan memahami Prinsip Kerja Inframerah.
  4. Pembaca diharapkan memahami Penafsiran Spektra Inframerah.
  5. Pembaca diharapkan memahami Contoh Analisa Spektrofotometer Inframerah.

 

 

2.1        Pendahuluan

            Spektroskopi adalah studi mengenai antraksi antara energi cahaya dan meteri. Warna-warna yang nampak dan fakta bahwa orang bisa melihat akibat absorpsi energi oleh senyawa kimia. Penangkapan energi matahari oleh tumbuhan dalam proses fotosintesis adalah bentuk interaksi antara senyawa organik dengan energi cahaya. Yang menjadi perhatian utama bagi ahli kimia adalah adanya fakta bahwa panjang gelombang dimana suatu senyawa kimia menyerap energi cahaya bergantung pada struktur senyawa tersebut. Dengan demikian fenomena spektroskopi dapat dimanfaatkan untuk menentukan struktur suatu senyawa dan untuk mempelajari karakteristik ikatan dalam molekul.

Dalam buku ini dibahas jenis spektroskopi inframerah  yang secara meluas telah banyak digunakan dalam analisis struktur atau analisis gugus fungsi kimia, khususnya senyawa organik.

Gambar 2.1   Alat instrumentasi Spektrophotometer Inframerah

2.2        Radiasi Elektromagnetik

Radiasi elekrtomagnetik adalah energi yang dipancarkan menembus ruang dalam bentuk gelombang-gelombang. Berbagai ragam tipe radiasi elektromagnetik seperti gelombang radio, ultraviolet, inframerah, visible dan lain-lain, masing-masing dicirikan oleh panjang gelombangnya (wavelength, l) atau frekuensi (frequency, u). Hubungan antara panjang gelombang dan frekuensi adalah berbanding terbalik, dengan persamaan sebagai berikut:

u=c / l   ………………………………………………………………….  (2.1)

Dimana:  u : frekuensi (Hz), l : panjang gelombang (cm), dan c : kecepatan cahaya (=3.1010 cm/dt).

Dalam spektroskopi inframerah, frekuensi dinyatakan dalam istilah bilangan gelombang (wavenumber, cm-1), sedangkan panjang gelombang dinyatakan dalam satuan mm (1 mm=10-6 m = 10-4 cm). Hubungan konversi antara bilangan gelombang dan panjang gelombang adalah:

Bilangan gelombang (cm-1) =    …………..        (2.2)

Radiasi elektromagnetik dipancarkan dalam bentuk paket-paket energi menyerupai partikel yang disebut foton dan kuantum. Energi suatu foton berbanding terbalik dengan panjang gelombangnya atau berbanding lurus dengan frekuensinya,

E = h . c / l

E = h. u    ……………………………………………………………….  (2.3)

hanya menyerap energi radiasi elektromagnetik pada panjang gelombang tertentu (khas untuk molekul tersebut). Serapan cahaya Ultra Violet (radiasi dengan energi relative lebih tinggi) dapat mengakibatkan tereksitasinya sebuah elektron ke orbital dengan tingkat energi lebih tinggi. Tetapi untuk radiasi inframerah tidak cukup mengandung energi untuk terjadinya eksitasi electron, serapan inframerah hanya dapat menyebabkan getaran atom-atom yang terikat satu sama lain dalam sebuah molekul.

Intensitas radiasi berbanding lurus dengan jumlah foton, apapun bentuk energinya. Bila suatu contoh zat menyerap foton-foton radiasi, maka sudah barang tentu jumlah foton berhasil melintasi contoh tersebut akan lebih rendah daripada jumlah foton mula-mula, dengan kata lain terjadi penurunan intensitas sinar. Di dalam spektrofotometer serapan termasuk infra merah, penurunan intensitas inilah yang terekam untuk kemudian dianalisis.

2.3        Absorpsi Radiasi Inframerah

Inti atom yang terikat oleh ikatan kovalen mengalami vibrasi (getaran) atau osilasi, laksana dua bola terikat oleh suatu pegas. Suatu molekul yang menyerap radiasi inframerah, energi yang diserapnya mengakibatkan kenaikan  amplitude getaran atom-atom yang terikat dalam molekul tersebut. Jadi molekul ini dikatakan berada dalam keadaan vibrasi tereksitasi (excited vibration state). Panjang gelombang eksak dari absorpsi oleh suatu tipe ikatan tertentu bergantung pada jenis getaran dari ikatan tersebut. Oleh karena itu untuk tipe ikatan yang berbeda (seperti C-H, C-C, O-H) menyerap radiasi inframerah pada panjang gelombang yang berbeda yang khas.

Suatu ikatan dalam sebuah molekul dapat menjalani lebih dari satu jenis osilasi, sehingga pun dapat menyerap energi pada lebih dari satu jenis panjang gelombang. Misalnya jenis ikatan O-H menyerap energi pada panjang gelombang 3 mm (bilangan gelombang 330 cm-1) yang menyebabkann kenaikan vibrasi ulur (stretching vibration) ikatan O-H tersebut, di samping itu juga menyerap energi pada panjang gelombang 8 mm (bilangan gelombang 1250 cm-1) yang menyebabkan kenaikan vibrasi tekuk (bending vibration).

Gambar 2.2    Bentuk-bentuk vibrasi ikatan kimia

Jumlah energi yang diserap oleh suatu ikatan bergantung pada perubahan dalam momen ikatan seperti vibrasi atom-atom yang saling berikatan. Makin besar perubahan dalam momen ikatan mengakibatkan serapan sejumlah energi juga semakin besar. Ikatan non polar tidak (sangat kecil) menyerap radiasi inframerah karena tidak ada perubahan momen ikatan apabila atom-atom saling berisolasi. Ikatan non polar (seperti C-C) relative menyebabkan serapan yang lemah, berbeda dengan ikatan polar seperti C=O menunjukkan serapan yang kuat.

2.4        Prinsip Kerja  Inframerah

Alat instrumentasi yang digunakan untuk mengukur serapan radiasi inframerah disebut spektrofotometer inframerah. Pada garis besarnya alat ini terdiri dari sumber cahaya, cermin difraksi, kuvet (sel) rangkap, pemenggal, kisi dan detector serta perekam, seperti bagan di bawah (Gambar 2.3)

Gambar 2.3    Bagan Spektrofotometer Inframerah

Cahaya dari sumber di atas dipecah oleh sistem cermin (tidak digambarkan) menjadi dua berka cahaya, satu berkas untuk rujukan dan lainnya untuk contoh. Setelah masing-masing melewati rujukan dan contoh maka kedua berkas ini digabung kembali dalam alat pemenggal (chopper, berupa cermin) dan selanjutnya diarahkan secara bergantian masuk dan didifraksi oleh suatu kisi sehingga berkas tersebut terpecah menurut panjang gelombang. Kemudian oleh alat detector, beda intensitas antara kedua berkas tadi diukur pada masing-masing panjang gelombangnya, dan terakhir informasi ini diteruskan ke alat perekam yang menghasilkan spectrum berwujud gambar/grafik.

2.5           Wajah Spektrum Inframerah

Suatu spektrum inframerah, visible atau  Ultra Violet suatu senyawa berwujud grafik, antara panjang gelombang atau frekuensi (bilangan gelombang)  versus persen transmisi [%T] atau absorbans [A]. Hubungan %T dan A dangan intensitas cahaya adalah :

%T =    ………………………………………………………….  (2.4)  A = log  ………………………………………………………….  (2.5)

Namun demikian, pada umumnya spectrum inframerah merekam panjang gelombang dan/atau bilangan gelombang versus %T, sedangkan untuk UV-Visble merekam panjang gelombang versus absorbans (A). Penampilan kedua tipe spektra ini digambarkan sebagai berikut:

(a)                                                                (b)

Gambar 2.4 Spektrum (a) grafik l atau u versus %T,

             (b) Spektrum  grafik l atau u versus A

Tidak adanya serapan oleh suatu molekul pada suatu panjang gelombang tertentu direkam sebagai 100 %T, dimana spectrum ini disebut garis dasar (base line), yang dalam tampak inframerah direkam pada bagian atas. Bila suatu molekul menyerap radiasi pada panjang gelombang tertentu, intensitas radiasi yang diteruskan oleh contoh akan berkurang, akibatnya terjadi penurunan dalam %T dan tampak dalam spectrum sebagai suatu sumur yang disebut puncak atau pita absorpsi.

2.6        Penafsiran Spektra Inframerah

Para ahli kimia telah mempelajari ribuan spektra inframerah dan menentukan panjang gelombang absorpsi masing-masing gugus fungsi. Dari hasil penyelidikan tersebut berhasil dibuat peta korelasi (cerrelation chart) seperti gambar terlampir.

Daerah serapan antara 1400-4000 cm-1 (2,5-7,1 mm) bagian kiri spektrum inframerah merupakan daerah khas yang berguna untuk identifikasi gugus fungsional senyawa kimia. Daerah ini menunjukkan serapan yang disebabkan oleh modus uluran.  Daerah sisi kanan 1400 cm-1 pada umumnya agak rumit dianalisis sebab baik modus uluran maupun modus tekukan terjadi di daerah tersebut.

Dalam daerah ini biasanya korelasi antara pita serapan dengan suatu gugus fungsi spesifik sulit ditentukan dengan cermat, namun tiap senyawa organik mempunyai serapan yang khas sehingga daerah ini biasa disebut daerah sidik jari (fingerprint region). Misal senyawa n-oktana dan 2-metilheptana, keduanya adalah isomer, memiliki rumus molekul yang sama (C8H18), tetapi keduanya mamiliki struktur yang berbeda. Perbedaan struktur ini dapat diamati dengan spektrum inframerah, tepatnya pada daerah sidik jari spektrum tersebut, seperti tampak dalam Gambar 2.5.

Gambar 2.5   Spektrum inframerah n-oktana dan 2-metilheptana

Senyawa alkohol dan amina menunjukkan serapan uluran OH dan NH yang cukup jelas pada 3000-3700 cm-1 (2,7 – 3,3 mm), dikiri serapan CH. Dan juga menunjukkan serapan C-O dan C-N dalam daerah sidik (900-1300 cm-1), namun pada pita ini tidak selalu mudah diidentifikasikan sebab banyak kemungkinan peak yang lain. Spektrum inframerah untuk amina primer (ada 2 atom H pada atom N), nampak peaknya kembar, untuk amina sekunder, nampak peaknya tunggal, sedangkan amina tertier tidak memberikan serapan (Gambar 2.6).

Gambar 2.6   Spektrum inframerah amina primer, sekunder dan tertier.

2.7        Contoh Analisa

Sebagai penutup bab ini diberikan sebuah ilustrasi problem. Dua buah botol masing-masing berisi senyawa I dan senyawa II, ingin diketahui jenis kedua senyawa tersebut dengan cara menganalisis menggunakan spektrofotometer inframerah. Hasil spektranya disajikan dalam Gambar 2.7. Informasi apa yang dapat disimpulkan dari spektra inframerah tersebut.

Gambar 2.7   Spektrum inframerah senyawa I dan II

Maka berdasarkan spektra diatas dapat ditarik kesimpulan bahwa pada spektra I, senyawa dalam botol I termasuk golongan amina primer, dan memiliki gugus C-H, sedangkan dari spektra II menunjukkan senyawa dari botol II termasuk golongan alkohol yang juga memiliki gugus C-H. Namun berapa bobot molekul kedua senyawa tersebut, tidak dapat diprediksi hanya berdasar hasil analisis spektrofotometer inframerah.

Penggunaan spektrofotometer inframerah cukup baik untuk identifikasi gugus-gugus fungsi khususna pada senyawa organik. Namun demikian, informasi yang lebih sempurna dalam analisis senyawa kimia tidak cukup hanya dengan spektrofotometer inframerah, perlu informasi lain seperti menggunakan spektrofotometer massa untuk mengetahui bobot massa senyawa dan spektro NMR untuk mengetahui jenis ikatan kimia.

Peta Korelasi (Correlation Chart)

 

2.8      Latihan Soal

Berilah tanda silang pada huruf B jika pernyataan di bawah ini Benar dan huruf S jika pernyataan Salah

1). B – S    Spektroskopi adalah studi mengenai antraksi antara energi cahaya dan meteri.

2). B – S       Yang menjadi perhatian utama bagi ahli kimia adalah adanya fakta bahwa panjang gelombang dimana suatu senyawa kimia menyerap energi cahaya bergantung pada struktur atom tersebut.

3). B – S       Radiasi elekrtomagnetik adalah energi yang dipancarkan menembus ruang dalam bentuk gelombang-gelombang.

4). B – S       Hubungan antara panjang gelombang dan frekuensi adalah berbanding lurus.

5). B – S       Dalam spektroskopi inframerah, frekuensi dinyatakan dalam istilah bilangan gelombang (wavenumber, cm-1), sedangkan panjang gelombang dinyatakan dalam satuan mm              (1 mm=10-6 m = 10-4 cm).

6). B – S     Energi suatu foton berbanding lurus dengan panjang

gelombangnya atau berbanding lurus dengan frekuensinya.

7). B – S       Serapan cahaya Ultra Violet (radiasi dengan energi relative lebih tinggi) dapat mengakibatkan tereksitasinya sebuah elektron ke orbital dengan tingkat energi lebih tinggi.

8). B – S       Suatu molekul yang menyerap radiasi inframerah, energi yang diserapnya mengakibatkan penurunan amplitude getaran atom-atom yang terikat dalam molekul tersebut.

9). B – S     Tetapi untuk radiasi inframerah tidak cukup mengandung

energi untuk terjadinya eksitasi electron, serapan inframerah hanya dapat menyebabkan getaran atom-atom yang terikat satu sama lain dalam sebuah molekul.

10). B – S     Alat instrumentasi yang digunakan untuk mengukur serapan radiasi inframerah disebut spektrofotometer serapan atom.

Lingkarilah a, b, c, d pada jawaban yang saudara anggap paling benar.

1). Untuk spektrofotometer tipe spektrophotometer inframerah dipergunakan untuk mengukur: a. serapan radiasi inframerah, b. lampu anoda dengan spektrum garis, c. lampu katoda dengan spektrum gelombang, d. lampu anoda dengan spektrum gelombang.

2).  Spektrum inframerah untuk amina primer: a. ada 2 atom H pada atom N, b. ada 1 atom H pada atom N, c. ada 3 atom H pada atom N, d. ada 5 atom H pada atom N.

3).  Pada garis besarnya alat ini terdiri dari sumber cahaya, cermin difraksi, kuvet (sel) rangkap, pemenggal, kisi dan detector serta dengan apa : a. perekam, b. peredam, c. pemancar, d. tranmisi.

4).  Dalam daerah ini biasanya korelasi antara pita serapan dengan suatu

gugus fungsi spesifik sulit ditentukan dengan cermat, namun tiap senyawa organik mempunyai serapan yang khas sehingga daerah ini biasa disebut daerah : a. sidik jari (fingerprint region); b. badan, c. mata, d. jari.

5).  Bila suatu contoh zat menyerap foton-foton radiasi, maka sudah barang tentu jumlah foton berhasil melintasi contoh tersebut akan lebih rendah daripada jumlah foton mula-mula, dengan kata lain terjadi penurunan:  a. intensitas sinar, b. panjang gelombang, c. spektrum, d. sinar inframerah

 

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: