KIMIA ANALISIS (3

SKS)

Disusun oleh :

YELMIDA A.

10/04/23 2

POKOK BAHASAN

• Analisa spektroskopi dan kromatografi • Spektrofotometri ultra violet-sinar

tampak (UV-VIS)• Spektrofotometri infra merah (IR)• Spektrofotometri Serapan Atom (AAS)• Kromatografi Gas (GC)• Kromatografi Cair Kinerja Tinggi (HPLC)

10/04/23 3

• Analisa spektroskopi ( interaksi radiasi-materi)

• Analisa kromatografi ( distribusi komponen dalam dua fasa : fasa diam dan fasa gerak)

POKOK BAHASAN I :

10/04/23 4

PENDAHULUAN• Spektroskopi• Spektrometri• Spektrometer• Spektrofotometri• spektrofotometer

Analisa spektroskopi

10/04/23 5

• Spektroskopi : ilmu yang mempelajari interaksi antara cahaya / radiasi dengan benda sebagai fungsi panjang gelombang

• Spektroskopi adalah istilah/nama yang digunakan untuk ilmu (secara teori) yang mempelajari tentang hubungan antara radiasi/energi/sinar (yang memiliki fungsi panjang gelombang, biasa disebut frekuensi) dengan benda.

• Gabungan respon frekuensi ini disebut sebagai spektrum.

10/04/23 6

• Awalnya spektroskopi hanya mengacu pada pen-dispersi-an cahaya tampak berdasarkan panjang gelombang (misalnya oleh prisma).

Selanjutnya konsep ini berkembang pada segala bentuk pengukuran kuantitatif sebagai fungsi dari panjang gelombang dan frekuensi, tidak hanya meliputi cahaya tampak.

10/04/23 7

• Spektrometri adalah tehnik yang digunakan untuk mengukur jumlah (konsentrasi) suatu zat berdasarkan spektroskopi

• Instrument yang digunakan : spektrometer.

• Spektroskopi mengacu pada bidang keilmuan, spektrometri adalah tehnik aplikasi berdasarkan spektroskopi, sedangkan spektrometer adalah alat/instrument yang digunakan dalam tehnik spektrometri

10/04/23 8

• Spektrofotometri : merupakan tehnik pengukuran jumlah / konsentrasi zat secara spektroskopi, tapi lebih spesifik untuk panjang gelombang UV (Ultraviolet) - dekat, visible, dan infra merah. Alat yang digunakan : spektrofotometer

Spektrofotometri : electromagnetik spectroscopy.

10/04/23 9

• Alat spektrofotometer termasuk ke dalam jenis fotometer, yaitu suatu alat untuk mengukur intensitas cahaya.

• Spektrofotometer dapat mengukur intensitas sebagai fungsi dari warna, atau secara lebih khusus, fungsi panjang gelombang.

10/04/23 10

Jenis spektroskopi dapat dibedakan menurut : – Bagian yang hendak dianalisis (spektroskopi

molekul, atom)

– Jenis interaksi radiasi-materi yang hendak dipantau (penyerapan, pancaran atau penyebaran)

– Daerah spektrum elektromagnet yang digunakan dalam analisis (UV=200 – 350 nm, Vis=350 – 900 nm, IR dan NMR)

10/04/23 11

1. AAS/AES = penyerapan/pancaran atom2. UV-Vis = penyerapan molekul3. Fluorometri = pancaran molekul4. IR (infra red) = mengukur penyerapan radiasi

pada frekuensi berbeda. Radiasi IR = 0.8 – 100 m.

– IR dekat = 0.8 – 2.5 m, – IR pertengahan = 2.5 – 15 m, – IR jauh = 15 – 100 m.

Jenis spektrofotometri

10/04/23 12

5. Spektrometri Massa (MS) = pemecahan molekul disebabkan oleh elektron berenergi tinggi pecahan molekul bermuatan

6. NMR (nuclear magnetic resonance) = sensitiviti magnet nukleus atom (spin nucleus) terhadap lingkungan molekul atau ion nya

7. ESR (electron spin resonance) = sama seperti NMR tetapi melibatkan elekron tunggal (spin elektron) dan ion logam dalam paramagnet

10/04/23 13

Landasan spektroskopi : Hukum Kirchoff (1859):

1. Bila suatu benda cair atau gas bertekanan tinggi dipijarkan, benda tadi akan memancarkan energi dengan spektrum pada semua panjang gelombang

2. Gas bertekanan rendah bila dipijarkan akan memancarkan energi hanya pada warna, atau panjang gelombang tertentu saja. Spektrum berupa garis-garis terang : garis pancaran atau garis emisi. Letak setiap garis atau panjang gelombang garis merupakan ciri dari gas yang memancarkannya.

SPEKTROSKOPI

10/04/23 14

3. Bila seberkas cahaya putih dilewatkan melalui gas yang dingin dan renggang (bertekanan rendah), gas tersebut akan menyerap cahaya pada warna atau panjang gelombang tertentu dan diperoleh spektrum kontinu yang disebut garis serapan atau garis absorpsi

10/04/23 15

Gambaran Hukum Kirchoff

10/04/23 16

• Spektroskopi : studi mengenai antaraksi cahaya / radiasi elektromagnetik dengan benda (atom dan molekul )

• Radiasi elektromagnetik “James Clark Maxwell” : cahaya secara fisis merupakan gelombang elektromagnetik, artinya mempunyai vektor listrik dan vektor magnetik yang keduanya saling tegak lurus dengan arah rambatan.

10/04/23 17

Gambaran berkas radiasi elektromagnetik

10/04/23 18

λ = panjang gelombang : jarak yang ditempuh oleh gelombang selama satu siklus

A = amplitudo gelombang : perpindahan maksimum dari poros horizontal

t = perioda : waktu untuk satu siklus sempurna v = frekwensi osilasi : jumlah siklus tiap detik

Satu siklus

A

λ

Diagram satu gelombang

10/04/23 19

Hubungan panjang gelombang (λ) dengan frekwensi (v) gelombang cahaya adalah :

c = kecepatan cahaya

(3,0 x 108m/s atau 3,0 x 1010 cm/s)

Hubungan frekwensi ( v ) dengan perioda ( t ) :

1

c .

10/04/23 20

Latihan 1

1. Hitung perioda dan frekwensi cahaya yang berpanjang gelombang 2 x 105 cm

2. Jika perioda gelombang cahaya 2 x10-17 s, berapakah panjang gelombang ini dalam satuan nanometer

3. Hitung perioda radiasi elektromagnet yang mempunyai λ = 4 x 103 cm

4. Berapa frekwensi cahaya hijau yang berpanjang gelombang 500 nm

10/04/23 21

• Cahaya juga dapat dianggap sebagai aliran paket energi atau partikel yang bergerak dengan kecepatan tinggi (3,0 x 1010 cm/s).

• Paket energi ini disebut : FOTON

• Frekwensi (v) teori gelombang dapat dihubungkan dengan energi foton (E) teori partikel, melalui persamaan PLANCK :

h = tetapan Planck : 6,63 x 10-34 Joule second

.h

10/04/23 22

• Bilangan gelombang ( v ), adalah ciri gelombang yang berbanding lurus dengan energi, didefinisikan sebagai : jumlah gelombang per sentimeter

1

10/04/23 23

Latihan 2

1. Cari energi foton yang sesuai dengan cahaya berfrekwensi 3,0 x 10 15 s-1

2. Cari frekwensi cahaya yang sesuai dengan foton berenergi 5,0 x 10 -12 J

3. Berapa besar energi foton yang mempunyai panjang gelombang 0,05 nm

4. Hitung energi foton yang mempunyai bilangan gelombang 2,5 x 10 -5 cm-1

10/04/23 24

Spektrum elektromagnetik

• Saat ini telah dikenal berbagai macam gelombang elektromagnetik dengan rentang panjang gelombang tertentu.

• Spektrum elektromagnetik merupakan kumpulan spektrum dari berbagai panjang gelombang dengan sifat-sifat yang berbeda-beda.

10/04/23 25

Tabel Spektrum elektromagnetik pada berbagai panjang gelombang

10/04/23 26

• Jika cahaya sinambung dilewatkan pada sebuah prisma, maka cahaya tersebut akan terdispersi

• Jika panjang gelombang terdispersi ini dilewatkan pada sel yang mengandung sampel atom/molekul, maka cahaya yang keluar tidak sinambung lagi.

• Beberapa gelombang cahaya berinteraksi dan diabsorbsi oleh atom/molekul dalam sel sample.

• Panjang gelombang yang hilang dapat dideteksi dengan menjatuhkan sinar yang keluar dari sel sample pada suatu plat fotografi atau alat pendeteksi lainnya.

• Prosedur ini disebut spektroskopi absorbsi

10/04/23 27

Sumber cahaya

Prisma

Sel sampel

Plat fotografi

Diagram spektroskopi absorbsi

Apa yang terjadi dengan gelombang cahaya yang hilang?

10/04/23 28

• Setiap atom dan molekul, berinteraksi dengan cahaya secara berlainan untuk mengabsorbsi panjang gelombang cahayanya sendiri yang khas.

• Akibatnya spektrum setiap jenis atom atau molekul akan berbeda.

• Menurut teori kwantum, energi yang dimiliki atom dan molekul harganya tertentu.

• Energi yang mungkin tersedia (yang diperbolehkan) disebut tingkat energi atom atau molekul.

• Suatu kuantum energi akan diabsorbsi, bila suatu atom atau molekul tereksitasi dari tingkat energi yang rendah ke tingkat energi yang lebih tinggi

10/04/23 29

Diagram energi suatu atom

• Tingkat energi terendah dari atom ditunjukkan oleh garis E1

• Jika suatu atom tereksitasi dari tingkat energi E1 ke E2 atau E3, maka energi dari atom tersebut akan bertambah

E

E1

E2

E3

E4

10/04/23 30

• Agar suatu atom dapat tereksitasi dari suatu level energi rendah ke level energi yang lebih tinggi maka atom harus mengabsorbsi sejumlah energi

• Energi yang diperlukan ini, disebut kuantum energi, dan transisi dari suatu tingkat energi ke tingkat energi lain dinyatakan dengan anak panah

E

E1

E2

E3

E4

10/04/23 31

• Spektrum absorbsi merupakan hasil suatu atom / molekul yang dieksitasikan ke tingkat energi yang lebih tinggi dengan mengabsorbsi suatu kuantum energi

• Persamaan yang menghubungkan energi absorbsi dengan panjang gelombang yang diabsorbsi :

E1

E2

hchc

EEE 1,212

10/04/23 32

1. Jika perbedaan energi antara E2 dan E1 sebesar 6.0 x 10-18 J , berapakah panjang gelombang cahaya dalam nm yang diperlukan untuk menimbulkan transisi ?

2. Diketahui suatu atom mengabsorbsi energi sebesar 5,0 x 10 -19 J. Dalam spektrum atom ini, pada bilangan gelombang manakah akan terjadi garis absorbsi ?

Latihan 3

10/04/23 33

Energi atom / molekul• Bentuk energi atom atau molekul dinyatakan

sebagai energi translasi, rotasi, getaran dan elektron

• Untuk tiap jenis energi ini terdapat tingkat energi

A. Energi translasi adalah energi kinetik atom atau molekul yang disebabkan oleh gerakan atom/molekul dalam ruang.

X

Y

Z Z’

Y’

X’

10/04/23 34

• Energi kinetik diberikan oleh persamaan :

• Hubungan energi kinetik translasi rata-rata Ek untuk suatu atom/molekul dengan suhu absolut T dinyatakan dengan :

• dimana k = suatu tetapan = 1,38 x 10-23J/ oK

2

2

1mvEk

kTEk 2

3

10/04/23 35

• Tingkat energi translasi terletak begitu berdekatan satu dengan yang lainnya sehingga dianggap sinambung dan hanya dibutuhkan energi sangat kecil

• Akibatnya, spektrum absorbsi yang disebabkan oleh transisi translasi tidak bisa teramati.

E= 0

E

E

sinambung

10/04/23 36

B. Energi rotasi molekul adalah energi kinetik molekul yang disebabkan rotasi atau perputaran pada sumbu yang melalui titik beratnya

• Energi rotasi tertentu harganya dan menimbulkan spektrum absorpsi dalam daerah gelombang mikro pada spektrum elektromagnet

10/04/23 37

C. Energi getaran molekul adalah energi kinetik dan energi potensial molekul yang disebabkan oleh gerakan getaran.

• Atom dalam suatu molekul dapat dianggap sebagai titik massa yang satu dengan yang lainnya terikat oleh ikatan yang berlaku seperti pegas

• Karena molekul tidak kaku, maka kelenturannya (flexibility) menyebabkan gerakan getaran

Gerakan molekul

10/04/23 38

• Jika suhu (T) naik maka jumlah energi getaran bertambah besar

• Diagram berikut menunjukkan perbedaan besarnya jarak perpindahan model bola dan pegas pada T1 dan T2. (T1 < T2 )

T1

T2Jarak merentang

10/04/23 39

• Energi getaran, tertentu harganya dan menimbulkan spektrum absorbsi dalam daerah inframerah pada spektrum elektromagnet

• Jarak relatif antara tingkat energi getaran bertambah dengan bertambahnya kekuatan ikatan kimia antara atom

10/04/23 40

D. Energi elektron adalah energi molekul dan atom yang disebabkan oleh energi potensial dan energi kinetik elektronnya.

• Energi kinetik elektron merupakan hasil gerakan elektron, sedang energi potensial timbul karena antaraksi elektron dengan inti dan elektron lainnya.

• Dalam atom/molekul banyak terdapat tingkat energi untuk elektron, yang dinyatakan dalam empat bilangan kuantum yakni : n, l, m dan s

• Bilangan kuantum n dan l , berperan dalam menentukan energi suatu elektron.

10/04/23 41

• Diagram tingkat energi elektron untuk n = 1

• Diagram tingkat energi elektron untuk n = 2

n=1 l = 0

1s

n= 2

n = 1 1s

2s

2p

E

10/04/23 42

• Energi elektron juga tertentu harganya dan menimbulkan spektrum absorbsi dalam daerah cahaya tampak (visible) dan daerah ultraviolet pada spektrum elektromagnet

• Tiap orbital dapat terisi maksimum dua elektron, dengan arah spin : + ½ dan - ½

• Contoh : atom yang mempunyai 4 elektron pada level energi terendah dan transisi yang dapat menimbulkan spektrum absorbsi :

1s

2s

2p

10/04/23 43

10/04/23 44

Analisa Kromatografi

• Kromatografi merupakan teknik pemisahan yang paling banyak digunakan

• Kromatografi adalah pemisahan suatu campuran senyawa-senyawa menjadi komponen-komponen yang terpisah.

• Pemisahan cuplikan menjadi komponen-komponen individual memudahkan untuk identifikasi (kualitatif) dan mengukur kadar (kuantitatif) dari bermacam-macam komponen cuplikan.

10/04/23 45

• Kromatografi pertamakali diperkenalkan oleh : Michael Tswett (Rusia) tahun 1906

• Berasal dari bahasa Yunani : kromatos = warnagraphos = menulis

• Proses kromatografi berdasarkan perbedaan distribusi senyawa penyusun campuran diantara dua fasa

• Satu fasa tetap tinggal pada sistem disebut : fasa diam (fasa stationer)

• Fasa lain memperkolasi melalui celah-celah fasa diam disebut : fasa gerak (fasa mobil)

10/04/23 46

• Gerakan fasa gerak menyebabkan perbedaan migrasi dari penyusun campuran

• Pemisahan dua senyawa dalam kolom kromatografi sederhana

a

b

seny. a danb

eluent,fasa gerak

eluat

(1) setelah penambahan sampel (2) setelah elusi

fasa diam

10/04/23 47

• Pemisahan hipotetik dari campuran tiga senyawa x, y, dan z dalam kolom.

• Pemisahan terjadi setingkat demi setingkat ketika fasa gerak mulai dialirkan (a), (b), (c) ,(d)

(a) (b) (c) (d)

x

y

z

Alir

an f

asa

gera

k

x,y,z

10/04/23 48

Sumbangan terhadap penyebaran molekul dalam kolom

1 2 3 4

5 6 7

8 910

1 2 3 4

5 6 7

8 910

x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

x x x x x x

1 2

5

(a) (b)

(c)

x x

5x x x

(d)

10/04/23 49

• Gambar (a), sampel baru diinjeksikan, molekul-molekul membentuk garis sempit diujung atas kolom.

• Gambar (b), penyebaran molekul mulai terjadi yang disebabkan oleh : diffusi Eddy

• Diffusi Eddy timbul karena perbedaan aliran fasa gerak dalam kolom, sehingga molekul cuplikan juga melewati jalan yang berbeda.

• Gambar (c) penyebaran molekul terjadi karena : perpindahan massa fasa gerak

• Gambar (d), fasa gerak di dalam pori-pori fasa diam, tidak bergerak. Molekul cuplikan masuk dan keluar dari pori fasa diam secara difusi.

10/04/23 50

• Terakhir, molekul berdiffusi ke dalam pori fasa diam, akan mempenetrasi fasa diam, atau terikat pada fasa diam dengan berbagai cara.

• Molekul yang lama mempenetrasi dalam fasa diam, akan kembali ke fasa gerak lebih lama.

• Molekul yang memerlukan sedikit waktu untuk penetrasi masuk dan keluar fasa diam, kembali ke fasa gerak lebih cepat dan kembali mengikuti aliran fasa gerak ke luar kolom

• Senyawa keluar kolom dideteksi oleh detektor, kadar / konsentrasinya dicatat sebagai fungsi dari waktu pemisahan

10/04/23 51

• Dari gambaran hipotetik diatas, terlihat bahwa ciri khas dari pemisahan dengan kromatografi adalah :– perbedaan migrasi dari berbagai senyawa dalam

cuplikan– penyebaran sepanjang kolom dari molekul

senyawa tertentu

• Perbedaan migrasi berhubungan dengan perbedaan kecepatan gerak dari senyawa-senyawa disepanjang kolom.

• Senyawa x bergerak lebih cepat dan keluar dari kolom paling awal.

• Senyawa z bergerak paling lambat dan meninggalkan kolom paling akhir

10/04/23 52

• Perbedaaan migrasi merupakan hasil distribusi keseimbangan dari komponen-komponen penyusun diantara dua fasa

• Distribusi molekul sampel antara dua fasa ditentukan oleh tetapan kesetimbangan, yang dikenal dengan koefisien distribusi atau koefisien partisi , K.

• Keseimbangan adalah proses dinamik, molekul keluar masuk dengan cepat diantara dua fasa, maka kadarnya mengikuti hukum distribusi :

Cs = kons.dalam fasa diam

Cm = kons.dalam fasa gerak m

s

C

C

10/04/23 53

• Harga K menunjukkan populasi relatif senyawa dalam dua fasa.

• Harga K besar, jika populasi dalam fasa diam lebih besar dari fasa gerak, dan molekul cuplikan akan lebih lama tinggal dalam fasa diam

• Migrasi suatu senyawa dipengaruhi oleh :– Susunan fasa diam– Fasa gerak– Suhu kolom

10/04/23 54

Kromatogram pemisahan hipotetik

x

y

z

wt

tR

• Waktu retensi, tR , diukur dari waktu injeksi cuplikan sampai waktu puncak maksimum meninggalkan kolom

• Semakin kecil lebar puncak, tW , semakin baik pemisahan

10/04/23 55

Kromatogram hipotetik diatas mempunyai empat ciri khas

1. Setiap senyawa meninggalkan kolom, puncak berbentuk lonceng atau kurva Gauss

2. Setiap puncak keluar kolom pada waktu tertentu, dapat digunakan untuk identifikasi senyawa

3. Semakin besar perbedaan waktu retensi, tR , antar puncak senyawa semakin mudah pemisahan senyawa-senyawa tersebut

4. Setiap puncak berciri khas lebar puncak, semakin kecil tW , semakin baik pemisahan

10/04/23 56

Klasifikasi Kromatografi

Pengelompokan kromatografi :

1. Berdasarkan fasa yang digunakan (fasa diam dan fasa gerak)

– Kromatografi gas– Kromatografi cair

2. Berdasarkan mekanisme yang menyebabkan distribusi fasa

10/04/23 57

Pengelompokan kromatografi berdasarkan mekanisme yang menyebabkan distribusi fasa

1. Kromatografi cairan-padatan atau kromatografi serapan.Ditemukan oleh Tswett dan dipopulerkan oleh Kuhn & Lederer (1931). Sebagai isi kolom, silika gel atau alumina, dengan ratio luas permukaan terhadap volume sangat besar

2. Kromatografi cairan-cairan atau kromatografi partisi.Dikenalkan oleh Martin & Synge (1941). Fasa diam lapisan tipis cairan yang melapisi permukaan padatan inert yang berpori-pori. Banyak kombinasi cairan yang dapat digunakan

10/04/23 58

3. Kromatografi gas-padatSebelum tahun 1800an digunakan untuk pemurnian gas

4. Kromatografi gas-cairanMetode pemisahan yang sangat efisien dan serba guna. Dapat memisahkan dengan cepat dan peka. Pertama kali diperkenalkan oleh James & Martin (1952), yang menyebabkan revolusi dalam kimia organik

5. Kromatografi kertasKromatografi cairan-cairan, dimana fasa diam adalah lapisan tipis air yang diserap dari lembab udara oleh kertas

10/04/23 59

6. Kromatografi Lapis TipisSama seperti kromatografi kertas, lempeng gelas atau aluminium yang dilapisi dengan lapisan tipis alumina, silika gel atau bahan serbuk lainnya, digunakan pengganti kertas. KLT selalu dijadikan pilihan pertama pada pemisahan dengan teknik kromatografi.

7. Kromatografi penukar ion.Bidang khusus krom. cairan-cairan, khusus untuk spesi ion. Digunakan resin sintetik dengan sifat penukar ionnya, untuk pemisahan logam dan asam amino

10/04/23 60

8. Permiasi Gel

Pemisahan dengan gel, yang terdiri dari modifikasi dekstran, yang mempunyai ikatan silang. Bahan ini dapat memisahkan molekul berdasarkan ukurannya

9. Elektroforesis

Kromatografi yang diberi media listrik disisinya dan tegak lurus aliran fasa gerak. Senyawa bermuatan positif menuju katoda dan anion ke anoda. Kecepatan gerak tergantung pada besarnya muatan.

10/04/23 61