- Information
- AI Chat
Instrumen-UV-VIS - Dr. Dra. Retno Arianingrum, M.Si
Kimia (001)
Universitas Negeri Yogyakarta
Preview text
HANDOUT
SPEKTROSKOPI ULTRA VIOLET DAN SINAR TAMPAK
(SPEKTROSKOPI UV – VIS)
Oleh: Susila Kristianingrum susila@uny.ac
Pada bab ini akan dipelajari interaksi cahaya dengan materi, instrumentasi, spektra ultra violet dan sinar tampak (UV-Vis) dan analisis kualitatif dan kuantitatifnya. Banyak kata-kata baru yang akan ditemukan, oleh karena itu pelajarilah dengan seksama. Pembahasan pada bab ini akan mendasari pembahasan tentang topik-topik spektroskopi yang akan dibahas pada bab-bab berikutnya. A. Interaksi cahaya dengan materi Spektrum elektromagnetik Cahaya elektromagnetik dapat dipertimbangkan sebagai bentuk energi cahaya sebagai transfer gelombang. Bentuk sederhana dari cahaya elektromagnetik dapat dilihat dalam Gambar 2 berikut.
Gambar 2. Gerakan gelombang cahaya elektromagnetik
Panjang gelombang () merupakan jarak antara dua gunung/ lembah yang berdampingan dari gelombang itu. Banyaknya gelombang lengkap yang melewati suatu fisik yang diam persatuan waktu diberi istilah frekuensi (v). Hubungan antara panjang gelombang dan frekuensi adalah
= c / v dengan adalah panjang gelombang (cm), v adalah frekuensi (dt-1 atau hertz, Hz),
c adalah kecepatan cahaya (3 x 10 10 cm dt-1). Bilangan gelombang merupakan kebalikan dari panjang gelombang, dinyatakan sebagai (cm-1) yaitu = 1/ Panjang gelombang cahaya elektromagnetik bervariasi dari beberapa Å sampai beberapa meter. Unit-unit yang digunakan untuk melukiskan panjang gelombang adalah sebagai berikut : Å = Angstrom = 10-10 meter = 10-8 cm = 10-4 mikrometer nm = nanometer = 10-9 meter = 10 angstrom = 10-3 mikrometer μm = mikrometer = 10-6 meter = 10 4 angstrom Untuk radiasi UV dan tampak (visible) digunakan satuan angstrom dan nanometer. Sedangkan mikrometer digunakan untuk daerah IR (infra merah). Hubungan antara energi dan panjang gelombang () dituliskan sebagai : E = h c / Dengan E = energi cahaya (erg), h = konstanta Planck(6,62 x 10-27 erg det), v = frekuensi (dt-1) herzt (Hz), c = kecepatan cahaya (3 x 10 10 cm dt-1), dan = panjang gelombang (cm). Spektrum elektromagnetik menyeluruh dikelompokkan seperti Gambar 3.
Gambar 3. Spektrum elektromagnetik
Hukum Dasar Spektroskopi Absorpsi Jika suatu berkas cahaya melewati suatu medium homogen, sebagian dari cahaya datang (Po) diabsorpsi sebanyak (Pa), sebagian dapat diabaikan dipantulkan (Pr), sedangkan sisanya ditransmisikan (Pt) dengan efek intensitas murni sebesar : Po = Pa + Pt + Pr Dengan Po = intensitas cahaya masuk, Pa = intensitas cahaya diabsorpsi, Pr = intensitas cahaya dipantulkan, Pt = intensitas cahaya ditransmisikan. Pada prakteknya, nilai Pr adalah kecil ( - 4 %), sehingga untuk tujuan praktis : Po = Pa + Pt Lambert (1760), Beer (1852) dan Bouger menunjukkan hubungan berikut : T = Pt/ Po = 10-abc dengan b = jarak tempuh optik, c = konsentrasi.
Log (T) = Log [Pt] = - abc dengan a = tetapan absorptivitas, T = transmitansi. [Po]
Log [1] = Log [Pt] = abc = A dengan A = absorbansi. [T] [Po] -log T = abc = A = bc
Hukum di atas dapat ditinjau sebagai berikut : a) Jika suatu berkas cahaya monokromatis yang sejajar jatuh pada medium pengabsorpsi pada sudut tegak lurus setiap lapisan yang sangat kecil akan menurunkan intensitas berkas (gambar 1) b) Jika suatu cahaya monokromatis mengenai suatu medium yang transparan, laju pengurangan intensitas dengan ketebalan medium tertentu sebanding dengan intensitas cahaya. c) Intensitas berkas cahaya monokromatis berkurang secara eksponensial bila konsentrasi zat pengabsorpsi bertambah. Hal diatas menunjukkan persamaan mendasar untuk spektroskopi absorpsi, dan dikenal sebagai hukum Lambert Beer atau hukum Beer Bouger. Satuan untuk b (cm), c (mol/ L), a = absorptivitas molar adalah absorpsi larutan yang diukur dengan ketebalan 1 cm dan konsentrasi 1 mol/ L. Absorptivitas molar juga dikenal sebagai Koefisien ekstingsi molar ().
Jika hukum Beer diikuti maka kita akan memperoleh garis lurus (Gambar 4) dan pada sisi lain kita tidak mendapatkan garis lurus, misalnya pada reaksi berikut : 2 CrO4-2 + 2 H+ Cr 2 O-7 + H 2 O ( max 375 nm ) (max 350 nm, 450 nm) Dalam larutan encer, hukum tidak mengikuti seperti pada larutan pekat. Demikian juga HCl 4 M untuk reaksi berikut : 4 Cl- + Co(H 2 O)4+2 CoCl4-2 + 4 H 2 O Pada kedua contoh diatas, hukum Beer dapat berlaku bila berkas monokromatis yang digunakan. Sinar polikromatis menyebabkan makin melebarnya pita radiasi sehingga terjadi penyimpangan. Penyimpangan akan jelas pada konsentrasi lebih besar pada kurva absorbansi terhadap konsentrasi. Kurva akan mulai melengkung pada daerah konsentrasi tinggi. Penyimpangan negatif dari hukum Beer menyebabkan kesalahan relatif yang makin membesar dari konsentrasi sebenarnya.
Zat-zat pengabsorpsi Pengukuran absorbansi atau transmitansi dalam spektroskopi UV – Vis digunakan untuk analisa kualitatif dan kuantitatif spesies kimia. Absorbansi spesies ini berlangsung dalam dua tahap, yang pertama yaitu :
M + h M*, merupakan eksitasi spesies akibat absorpsi foton (h) dengan waktu hidup terbatas (10-8 - 10-9 detik).
Tabel 2. Absorpsi Kromofor dan Senyawa Aromatik Kromofor/senyawa mak (nm) max Transisi
Alkena 177 1,3 x 10 4 *
Alkina 178 - 225 10 x 103 - 150 *
Karbonil 186 - 280 1,0 x 10 3 – 16 n * atau n * Karboksil 204 41 *
Amida 214 60 n *
Azo 339 5 n *
Nitro 280 22 n *
Nitrat 270 2 n *
Olefin 184 12 Delokalisasi n* Triolefin 250 1,0 x 10 4 Delokalisasi n* Diolefin 217 - Delokalisasi n* Keton 282 2,1 x 10 4 n *
Keton (tidak jenuh) 278 27 n *
Keton (jenuh0 324 30 n *
H2O 167 24 n *
Metanol 184 1,48 x 10 3 n * Metilklorida 173 1,5 x 10 n *
Dimetileter 184 200 n *
Metilamin 215 2,5 x 10 3 n *
Benzen 204 9 x 10 2 *
Toluen 207 7 x 10 3 *
Fenol 211 6,2 x 10 3 *
Anilin 230 8,6 x 10 3 *
Naftalen 286 9,3 x 10 3 *
Stiren 244 1,2 x 10 4 *
b) Transisi yang meliputi elektron d dan f. unsur-unsur blok d mengabsorpsi pada daerah UV-Vis. Terjadinya transisis logam golongan f disebabkan karena elektron pada orbital f. unsur-unsur transisi dalam, mempunyai puncak yang sempit karena interaksi elektron 4f ataupun 5f (lantanida dan aktanida). Pita yang sempit teramati karena efek screening (pelindung) orbital untuk transisi 3d dan 4d mempunyai pita yang lebar dan terdeteksi dalam daerah tampak, puncak absorbsi dipengaruhi oleh liingkungan yang mengeklilinginya. Besarnya splitting (Δ) oleh ligan dapat disusun dalam suatu deret spektrokimia berikut = I- < Br- < Cl- < F- < OH- < Oksalat- < H 2 O < SCN- < NH 3 < en < NO 2 < CN-. Deret ini berguna untuk meramalkan posisi puncak absorbsi untuk berbagai kompleks dengan ligan diatas. c) Spektrum absorbsi transfer muatan. Spektrum absorpsi merupakan cara yang peka untuk menentukan spesies absorpsi. Kompleks yang memiliki muatan misalnya : [Fe(SCN) 6 ]3+, [Fe2+ Fe3+ (CN)6+] mengabsorpsi pada h yang lebih panjang, karena bertambahnya transfer elektron memerlukan energi radiasi yang lebih kecil.
B. Instrumentasi Spektroskopi UV-Vis Pada bagian A telah dirinci mekanisme absorpsi cahaya oleh materi. Sebagian materi melakukan absorpsi pada daerah sinar UV ( 200-400 nm) dan lainnya pada
daerah tampak/ visibel ( 400-750 nm). Pada bagian ini akan dibahas jenis instrumen untuk pengukuran absorpsi, prinsip kerja dan fungsi-fungsi dari komponen- komponennya.
Tabung Nessler Persyaratan larutan yang harus dipenuhi untuk absorpsi sinar tampak adalah larutan harus berwarna. Oleh karena itu metode spektroskopi sinar tampak disebut juga metode kolorimetri dan alatnya disebit kolorimeter. Tabung Nessler merupakan kolorimeter yang paling sederhana. Metode kolorimeter didasarkan pada keadaan dimana perubahan warna larutan tergantung pada konsentrasi komponen pembentuk larutan. Oleh karena itu aspek kuantitatif merupakan tujuan pengukuran dengan metode kolorimetri. Larutan cuplikan yang tidak berwarna dibuat berwarna dengan suatu pereaksi yang dapat
- Power switch/ Zero Control, berfungsi untuk menghidupkan alat (yang ditunjukkan oleh nyala lampu Pilot Lamp) dan pengatur posisi jarum penunjuk (meter) pada angka 0,00 % T pada saat Sampel Compartment kosong dan ditutup.
- Transmittance/ Absorbance Control, berfungsi untuk mengatur posisi jarum meter pada angka 100%T pada saat kuvet yang berisi larutan blangko berada dalam Sampel Compartment dan ditutup.
- Sampel Compartment berfungsi untuk menempatkan larutan dalam kuvet pada saat pengukuran. Selama pembacaan, Sampel Compartment harus dalam keadaan tertutup.
- Wavelength Control berfungsi untuk mengatur panjang gelombang ( yang dikehendaki yang terbaca melalui jendela sebelahnya.
- Pilot Lamp (nyala) berfungsi untuk mengetahui kesiapan instrumen.
- Meter berfungsi untuk membaca posisi jarum penunjuk absorbansi dan atau transmitansi. Larutan yang mengarbsopsi sinar tampak (sinar putih) adalah larutan yang berwarna. Warna larutan tersebut (yang kelihatan) adalah komplemen dari warna sinar tampak yang diabsorpsinya. Pada setiap pengukuran % T atau A digunakan 2 tabung kuvet, yaitu kuvet cuplikan yang berisi larutan analit x yang dicari atau larutan standar dan kuvet blangko yang berisi larutan blangko. Larutan blangko terdiri atas pelarut sama dengan pelarut yang dipakai untuk membuat larutan cuplikan analit x, atau terdiri atas pelarut ditambah segala macam pereaksi yang sama seperti yang digunakan dalm larutan cuplikan, tetapi tidak mengandung zat analit x sendiri. Kuvet cuplikan dan kuvet blangko harus “matched” atau harus saling berpadanan. Artinya harus sejauh mungkin identik satu sama lain, mengenai jenis bahan kaca yang dipakai untuk membuatnya, tebal kaca dinding kuvet dan diameter dalam kuvet. Apabila kedua kuvet itu tidak saling berpadanan, maka dicari kuvet-kuvet yang memberikan nilai % T yang sama (atau hampir sama). Cara Operasi Spectronic 20 a. Hidupkan instrumen dengan memutar kearah putaran jarum jam tombol Power Switch dan biarkan hangat kira-kira 15 menit. b. Pilih panjang gelombang yang dikehendaki dengan tombol Wafelength Control.
c. Kosongkan Sampel Compartment, tutup, dan atur harga tranmitansi menjadi 0,00 % T dengan tombol Power Switch. d. Pasang kuvet yang berisi larutan blanko ke dalam Sampel Compartment dan tutup. Atur harga transmitansi menjadi 100 % T dengan tombol Transmitance/ Absorbance Control. e. Ganti kuvet yang berisi larutan blangko dengan kuvet larutan standar/ sampel dan pasang ke dalam Sampel Compartment dan tutup. Baca harga transmitansinya pada skala Meter. Ulangi langkah d dan e untuk larutan yang lain. Spektrofotometer Spektrofotometer adalah alat yang terdiri dari spektrofotometer dengan fotometer. Spektrofotometer menghasilkan sinar dari spektrum dengan panjang gelombang tertentu dan fotometer adalah alat pengukur intensitas cahaya yang ditransmisikan atau diabsorpsi. Kelebihan Spektrofotometer dibandingkan fotometer adalah panjang gelombang dari sinar putih lebih terseleksi, diperoleh dengan alat pengurai seperti prisma, grating atau celah optis. Suatu Spektrofotometer tersusun dari sumber spektrum tampak yang kontinyu, monokromator, sel pengabsorpsi untuk larutan sampel atau blangko dan suatu alat untuk mengukur perbedaan absorpsi antara sampel dan blangko ataupun perbandingan. Berikut ini ditunjukkan diagram blok sistem optis, dan fotosel spektronic 20 (Gambar 6 dan 7) yang merupakan spektrofotometer berkas tunggal. Bagian optis
Bagian listrik
Gambar 6. Diagram blok yang menunjukkan komponen sebuah spektrofotometer berkas tunggal.
Sumber Monokromator Sampel Detektor
Piranti baca
Pengganda
Hukum Beer A = bc menunjukkan bahwa perubahan konsentrasi akan mengubah absorbansi pada tiap dengan suatu faktor yang konstan. Sebaliknya terdapat pada Gambar10, bentuk kurva itu tidak tergantung pada konsentrasi bila ordinatnya adalah log A, sehingga : Log A = log ( bc) = log + log b + log c. Konsentrasi ditambahkan bukan dikalikan, oleh karena itu konsentrasi yang meningkat akan menghasilkan suatu perutambahan yang konstan pada log A pada tiap panjang gelombang. Kurva untuk konsentrasi lebih tinggi digeser ke atas, dapat diimpitkan dengan kurva dibawahnya dengan vertikal. Beberapa contoh spektra ultra violet adalah sebagai berikut (Gambar 11,12, dan 13).
D. Analisis kualitatif dan kuantitatif Spektrum absorpsi suatu senyawa ditetapkan dengan spektrofotometer dapat dianggap sebagai identifikasi yang lebih obyektif dan handal. Spektrum ini dapat digunakan untuk karakterisasi. Spektrum absorbsi tergantung tidak hanya pada sifat dasar kimia dari senyawa tersebut, melainkan juga faktor-faktor lain. Perubahan pelarut sering menghasilkan geseran pita serapan. Bentuk pita dan munculnya struktur dapat saja bergantung pada karakteristik alat seperti alat daya pisah monokromator, perolehan penguat (amplifier gain), dan laju perekam. Telah banyak spektra ribuan senyawa dan bahan yang dapat direkam, namun mencari spektra yang sesuai untuk pembanding sangatlah sulit. Sejumlah besar data empiris dalam literatur yang menunjukkan efek subtituen terhadap panjang gelombang pita serapan dalam spektra molekul induk juga telah ditemukan. Koreksi spektra struktur baik dalam daerah UV-Vis sangat berguna dalam identifikasi senyawa yang belum diketahui.
Penentuan Struktur Senyawa Organik Tak Diketahui Penentuan struktur senyawa organik, identik dengan penyatuan kembali potongan-potongan gambar yang berasal dari satu gambar, sehingga akhirnya diperoleh gambaran utuh dari gambar sesungguhnya. Berbagai teknik kimia dan instrumen diberikan untuk meyatukan potongan- potongan ini. Tak ada teknik tunggal yang dapat memberikan gambaran lengkap suatu senyawa, namun tiap-tiap teknik itu melengkapi yang lain, hingga memberikan sumbangan terhadap gambaran keseluruhan. Oleh karena itu tidak akan bisa diharapkan, spektrum ultraviolet saja untuk memperlihatkan struktur molekul secara lengkap. Peranan penting spektrum ultraviolet ialah mengidentifikasikan jenis kromofor dan memperkirakan adanya dari dalam molekul tak diketahui. Dengan bantuan aturan berikut akan dapat dihitung panjag gelombang maksimum. ATURAN 1, Panjang gelombang maksimum a). Jika spektrum senyawa yang diberikan memperlihatkan satu pita serapan dengan intensitas sangat rendah ( = 10 – 100) di daerah 280-350 nm dan tidak ada pita serapan lain diatas 200 nm, maka senyawa itu dapat diharapkan mengandung
c).
, diena siklis : sikloheksadiena, siklohepta 1, 3 diena dan lain- lain
d). , semi siklis diena, satu ikatan ganda membentuk sebagian cincin lingkar dan ikatan ganda lain di luar lingkar. Bila hanya satu dari kedua karbon –hibrid sp 2 ikatan ganda tersebut membentuk cincin, ikatan ganda semacam ini dinamakan ikatan ganda eksosiklis. e). , Diena homoanular adalah diena dimana kedua ikatan ganda itu terkonyugasi pada satu lingkar yang sama. Contoh,3- sikloheksadiena. Ingat bahwa kedua ikatan ganda itu adalah eksosiklis terhadap lingkar B. f). , Diena heteroanular adalah sistem terkonyugasi dimana kedua ikatan ganda dimiliki oleh lingkar yang berbeda. Kedua ikatan ganda ini saling eksosiklis sesamanya. Satu diantaranya ekso terhadap lingkar A dan yang satu lagi terhadap lingkar B.
Perhatikan lebih jauh pemakaian aturan dalam Tabel 3 untuk beberapa senyawa diketahui dan dibandingkan harga panjang gelombang maksimum secara percobaan.
Kromofor digambar dengan garis tebal
heteroanular induk 214 nm ikatan ganda luar lingkar 1 x (5) 5 subtituen- R, 4 x 5 20 maks. Perhitungan 239 nm maks Percobaan 241 nm..
homoanular induk 253 nm ikatan ganda luar lingkar 2 x 5, 10 subtituen- R 4 x 5 20 maks. Perhitungan 283 nm maks. Percobaan 282 nm.
homoanular induk 214 nm subtituen (2) 24 ikatan ganda luar lingkar 5 maks. Perhitungan 243 nm maks. Percobaan 234 nm.
ATURAN 4, Untuk sistem konyugasi panjang seperti yang terdapat dalam pigmen karotenoid, Fieser dan Kuhn telah mengajukan persamaan untuk menghitung panjang gelombang maksimum dan absorptivitas maksimum serapan ultra violet Soal : Asam sorbat (a) menyerap radiasi pada 261 nm dengan ε = 25, tetapi asam 2-
furoat (b) mempunyai serapan lemah pada 254 nm ( = 11). Terangkanlah!
maks (dalam heksan) = 114 + 5 M + n(48,0 – 1,7n) –16,5 R endo - 10 R endo ... (1-1) maks (dalam heksan) = 11,7 x 10 4 n ...(1-2) Persamaan (1-1) dan (1-2) ini dapat digunakan untuk beberapa senyawa ;
ATURAN 5,
Poli-ina, semua senyawaan yaang mengandung lebih dari dua ikatan- ganda tiga terkonyugasi, mempunyai spektra yang sama dengan gambar 1 Spektrum poli- ina selalu mempunyai sederetan puncak-puncak kuat ( maks = 10 5 ) pada daerah sekitar 2 cm-1. Pola khas seperti ini, mengisyaratkan senyawaan sebagai suatu kromofor poli- ina.
ATURAN 6.
Absorpsi maksimum senyawa karbonil. Pada senyawa karbonil tak jenuh- α, β seperti krotonaldehid hanya terjadi transisi n π* (puncak lemah pada 326 nm) dan π π* (puncak kuat pada 218 nm; ε maks = 18) diatas daerah 200 nm. Pita serapan dalam senyawa karbonil ini juga mengalami pergeseran karena subtitusi proton-proton pada karbon karbonil oleh gugus fungsi. Dengan bantuan Tabel 4 dapat diperkirakan harga pita serapan transisi π π* di dalam sejumlah senyawaan karbonil. Harga-harga ε transisi ini biasanya diatas 10.
Tabel 4. Modifikasi aturan Woodward untuk memudahkan perhitungan serapan maksimum ultra lembayung dari turunan-turunan enon ( larutan etanol ).
Enon induk (asiklik atau cincin lebih besar dari 5) 215 nm Enon – siklis – lingkar 5 - Aldehid –aldehid - Perpanjangan konyugasi (untuk tiap ena) + Komponen homoanular + Ikatan ganda eksosiklik + Subtituen – subtituen, Alkil α + β + γ dan lebih tinggi + Hidroksil α + β + γ + Alkoksil α + β + γ dan lebih tinggi + δ + Asetoksil α, β, atau δ + Dialkilamino β + Khlorin α + β + Tioalkil β + Bromin α + β +
Harga-harga panjang gelombang maksimum transisi π π* dan n π* dalam senyawa-senyawaan karbonil tergantung baik pada kepolaran pelarut maupun pada sifat subtituen pada karbon kromofor. Pada perhitungan serapan maksimum dari tabel 1. perlu diingat bahwa harga perhitungan dan harga (percobaan) hanya bisa diharapkan jika pelarut yang digunakan dalam percobaan adalah alkohol. Untuk pelarut-pelarut lain, harus digunakan faktor koreksi yang diberikan dalam Tabel 5. Kromofor dasar yang mengandung satu >C=O (-on) sebagai, β α > C = C – C = O Dimana suatu enon. Jika satu gugus karbonil terkonyugasi dengan dua ikatan ganda (- diena) seperti,
Instrumen-UV-VIS - Dr. Dra. Retno Arianingrum, M.Si
Course: Kimia (001)
University: Universitas Negeri Yogyakarta
- Discover more from:
