TEORI

Spektroskopi Atomik dan Molekuler

1. Spektroskopi Atomik1.1. Pengertian

Spektroskopi atom adalah penentuan komposisi unsur dengan spektrum elektromagnetik atau massa.Studi tentang spektrum elektromagnetik disebut Spektroskopi Atom optik. Elektron ada di tingkat energi dalam atom. Tingkat ini telah didefinisikan dengan baik energi dan elektron yang bergerak antara mereka harus menyerap atau memancarkan energi sama dengan perbedaan antara mereka.

1.2. Jenis-Jenis Metodea. AAS adalah teknik untuk menentukan konsentrasi logam tertentu elemen dalam

sampel. Teknik ini dapat digunakan untuk menganalisis konsentrasi lebih dari 70 jenis logam yang berbeda dalam suatu larutan. Teknik ini memanfaatkan spektrometri penyerapan untuk menilai konsentrasi dari analit dalam sampel. Ini karena itu sangat bergantung pada hukum Beer-Lambert .

b. AES adalah metode analisis kimia yang menggunakan intensitas cahaya yang dipancarkan dari api, plasma ,busur, atau percikan pada panjang gelombang tertentu untuk menentukan jumlah suatu unsur dalam sampel. Panjang gelombang dari garis spektral atom memberikan identitas elemen sedangkan intensitas cahaya yang dipancarkan sebanding dengan jumlah atom unsur.

c. AFS adalah jenis spektroskopi elektromagnetik yang menganalisis fluoresensi dari sampel. Ini melibatkan menggunakan berkas cahaya, biasanya sinar ultraviolet , bahwa eksitasi elektron pada molekul senyawa tertentu dan menyebabkan mereka memancarkan cahaya dari energi yang lebih rendah, biasanya, tetapi tidak harus, cahaya tampak.

1.3. Instrumentasia. Sumber cahayab. Sistem optikc. Atomizerd. Monokromatore. Detektor

1.4. PengaplikasianPengukuran spektroskopi sifatnya melengkapi pengukuran difraksi, hal ini

dikarenakan spektroskopi hanya mengukur local order sementara difraksi long range order. Penerapannya bisa pada penentuan bilangan koordinasi dan situs simetri, mendeteksi variasi pada local order, adanya pengotor dan kristal tidak sempurna, material amorf seperti gelas dan gel.

2. Spektroskopi Molekuler2.1. Pengertian

Ilmu yang mempelajari interaksi antara gelombang elektromagnetik dengan materi. Metode spektroskopi digunakan untuk menentukan, mengkonfirmasi struktur molekul, dan untuk mengetahui kemurnian suatu senyawa.

2.2. Jenis-Jenis Metodea. IR merupakan suatu metode yang mengamati interaksi molekul dengan radiasi

elektromagnetik yang berada pada daerah panjang gelombang 0.75 – 1.000 µm atau pada bilangan gelombang 13.000 – 10 cm-1. Umumnya digunakan dalam penelitian dan industri.

b. FTIR sama dengan Spektrometer IR dispersi, yang membedakannya adalah pengembangan pada sistim optiknya sebelum berkas sinar infra merah melewati.

2.3. Instrumentasia. Sumber radiasib. Detektorc. Monokromator

2.4. PengaplikasianSpektroskopi inframerah biasanya digunakan untuk penelitian dan digunakan

dalam industri yang sederhana dengan teknik yang sederhana dan untuk mengontrol kualitas.

Jawaban Pertanyaan

1. Jelaskan pengertian spektroskopi? Tuliskan aplikasi umum dari teknik spektroskopi.Jawab:

Pengertian spektroskopi adalah ilmu yang mempelajari materi dan atributnya berdasarkan cahaya, suara atau partikel yang dipancarkan, diserap atau dipantulkan oleh materi tersebut. Spektroskopi juga dapat didefinisikan sebagai ilmu yang mempelajari interaksi antara cahaya dan materi. Dalam catatan sejarah, spektroskopi mengacu kepada cabang ilmu dimana "cahaya tampak" digunakan dalam teori-teori struktur materi serta analisis kualitatif dan kuantitatif. Spektroskopi umumnya digunakan dalam kimia fisik dan kimia analisis untuk mengidentifikasi suatu substansi melalui spektrum yang dipancarkan atau yang diserap. Alat untuk merekam spektrum disebut spektrometer. Spektroskopi juga digunakan secara intensif dalam astronomi dan penginderaan jarak jauh. Kebanyakan teleskop-teleskop besar mempunyai spektrograf yang digunakan untuk mengukur komposisi kimia dan atribut fisik lainnya dari suatu objek astronomi atau untuk mengukur kecepatan objek astronomi.

Aplikasi umum dari teknik spektroskopi ialah pengukuran spektroskopi sifatnya melengkapi pengukuran difraksi, hal ini dikarenakan spektroskopi hanya mengukur local order sementara difraksi long range order. Penerapannya bisa pada penentuan bilangan koordinasi dan situs simetri, mendeteksi variasi pada local order, adanya pengotor dan kristal tidak sempurna, material amorf seperti gelas dan gel.

2. Jelaskan perbedaan spektroskopi atomik dan molekuler? Tuliskan jenis-jenis, metode dan aplikasinya spektroskopi atomik? Jelaskan secara singkat.Jawab :

Tabel 1. Perbedaan Instrumentasi Spektroskopi Atomik dan Molekuler

Atomik Molekuler

Sumber Radiasi

Hallow Cathode Lamp (HCL)- Lampu hidrogen & deuterium

- Lampu filamen tungsten (nernst glower, globar source)

Jenis Sinar

Sinar Katoda Sinar IR

Detektor

Berfungsi menentukan intensitas proton dari garis analitik yang keluar dari

monokromator

Berfungsi mengubah energi cahaya menjadi sinyal listrik. Detektor yang digunakan umumnya detektor panas.

Atomisasi

Memeerlukan atomisasi, karena sampel yang diperlukan dalam

bentuk molekul

Tidak memerlukan atomisasi, karena sampel yang dibutuhkan sudah dalam

bentuk molekul

Fotometer

Tidak digunakanDigunakan sebagai tempat pemantulan

berkas antara sampel dan referensi.

Monokromator

Hanya kisi difraksi untuk memisahkan radiasi menjadi panjang

gelombang komponennya.

Kisi difraksi dan prisma. Fungsinya untuk memndispersikan sinar yang

masuk menjadi komponen monokromatik.

Jenis-Jenis Metodea. AAS adalah teknik untuk menentukan konsentrasi logam tertentu elemen dalam

sampel. Teknik ini dapat digunakan untuk menganalisis konsentrasi lebih dari 70 jenis logam yang berbeda dalam suatu larutan. Teknik ini memanfaatkan spektrometri penyerapan untuk menilai konsentrasi dari analit dalam sampel. Ini karena itu sangat bergantung pada hukum Beer-Lambert .Pengaplikasian digunakan pada metode analisis untuk penentuan unsur-unsur logam dan metalloid.

b. AES adalah metode analisis kimia yang menggunakan intensitas cahaya yang dipancarkan dari api, plasma ,busur, atau percikan pada panjang gelombang tertentu untuk menentukan jumlah suatu unsur dalam sampel. Panjang gelombang

dari garis spektral atom memberikan identitas elemen sedangkan intensitas cahaya yang dipancarkan sebanding dengan jumlah atom unsur.Pengaplikasian dalam lingkungan, teknik AES banuak digunakan untuk menentukan konsentrasi pencemar logam berat.

c. AFS adalah jenis spektroskopi elektromagnetik yang menganalisis fluoresensi dari sampel. Ini melibatkan menggunakan berkas cahaya, biasanya sinar ultraviolet , bahwa eksitasi elektron pada molekul senyawa tertentu dan menyebabkan mereka memancarkan cahaya dari energi yang lebih rendah, biasanya, tetapi tidak harus, cahaya tampak.Pengaplikasian berguna untuk mempelajari struktur elektronik atom dan melakukan pengukuran kuantitatif. Selain itu, AFS juga digunakan dalam bidang biokimia, medis dan menganalisis senyawa organik.

3. Tuliskan Hukum Beer-Lambert? Apa kegunaan dari hukum tersebut dalam bidang spektrosopi?Jawab :

Banyaknya sinar radiasi yang diabsorbsi oleh suatu larutan analit dapat dihubungkan dengan konsentrasi analit tersebut. Hubungan ini dapat dijelaskan dengan menggunakan Hukum Lambert-Beer. Pada tahun 1729 Bouguer dan tahun 1760 Lambert menyatakan bahwa apabila energi elektomagnetik diabsorbsi oleh suatu larutan maka kekuatan energi yang akan ditransmisikan kembali akan menurun secara geometri (secara eksponensial) dengan jarak atau panjang yang ditempuh oleh gelombang tersebut.

Dari pernyataan lambert dan Bouguer maka kita dapat menghitung besarnya transmitansi (T) sinar yang telah melewati larutan tersebut dengan persamaan seperti ini :

T= II 0

=10−kb……………………………….(1)

Dengan memberikan logaritma maka akan diperoleh:

log T=log1

10=−kb………………………..(2)

Dimana k adalah konstanta. Pada tahun 1852 beer dan bernard secara terpisah menyatakan hukum yang hampir sama namun kali ini nilai T dipengaruhi oleh konsentrasi analit yang ada di dalam larutan.

T= II 0

=10−k 'c………………………………..(3)

Dengan memberikan logaritma, maka akan doperoleh:

log T=log1

10=−k ' c…………………………(4)

Dimana k adalah konstanta yang baru. Dengan menggabungkan persamaan (2) dan (4) akan diperoleh persamaan sebagai berikut:

T= II 0

=10−abc…………………………………(5)

Dengan memberikan logaritma akan diperoleh

log T=logII0

=−abc…………………………..(6)

Lebih baik lagi jika kita menghilangkan tanda negatif yang ada disebelah kanan dan kita akan mendapatkan persamaan baru yang disebut sebagai absorbansi (A)

A=−log T=logII 0

=abc……………………..(7)

Dengan a adalah gabungan konstanta k dan k’ disebabkan transmitansi T dinyatakan dalam persen (%T) = I/I0 x 100% maka persamaan diatas bisa berubah menjadi

A=log100%T

=log100−log %T ………………….(8)

A=2−log% T…………………………………..(9)biasanya dinyatakan dalam satuan cm, sedangkan a dalam satuan g/liter, a biasanya disebut sebagai absortivitas dan nilainya bergantung pada panjang gelombang dan jenis zat. Hasil kali antara absortivitas dengan berat molekul zat terlarut akan menghasilkan absortivitas motor, e sehingga rumus diatas dapat ditulis sebgai berikut:

A=εbc……………………………………………(10)Atau

A=abc…………………………………………..(11)dengan a = L/cm.g dan ε= L/acm.mol. Kedua rumus diatas menjadi dasar perhitungan untuk analisa yang berbasis spektrometri, dan biasanya di sebut sebagai hukum Lambert-Beer atau ada kalanya hanya disebut sebagai hukum beer. Dengan ,I = intensitas sumber sinar,I0 = intensitas sinar yang diteruskan, ε= absortivitas molar, a = absortivitas, b = panjang medium, c = konsentrasi atom-atom yang menyerap sinar, A = absorbans. Bila A=0 artinya reaksi diteruskan 100%, bila A=1 artinya radiasi diteruskan 10%.

Persamaan diatas identik dengan persamaan matematika y = mx dimana m atau gradien menunjukkan ab, y sama dengan absorbansi dan x adalah konsentrasi. Pada dasarnya panjang tagung untuk menempatkan larutan yang dipakai dalam analisi ini adalah 1 cm sehingga dengan mengukur nilai A pada konsentrasi analait yang berbeda kita bisa mendapatkan absortivitas analit.

4. Jelaskan pengertian translasi, rotasi, vibrasi? Bagaimana untuk monoatomik, diatomik, dan poliatomik, adakah perbedaan? Jelaskan kenapa gugus fungsi yang berbeda akan memberikan serapan yang berbeda?Jawab :

Gerak Translasi, Stokey (2000) mendifinisikan gerak translasi adalah gerak pusat massa dari satu tempat ke tempat yang lain. Dengan demikian gerak translasi pada skala atomik merupakan gerak yang terjadi pada atom atau molekul yang menyebabkan atom atau molekul tersebut berpindah tempat . Lebih jelasnya perhatikan gerak trnslasi pada molekul H2O di bawah ini:

Gambar 1. Gerak tranlasi H2O

Menurut Abdurrouf(2001), tingkat energi yang berlainan dengan kelima sumber yang dipaparkan di atas bersifat diskrit, kecuali yang bersumber dari gerak translasi. Sedangkan keempat sumber selain translasi tingkat energi harus ditangani secara diskrit kecuali pada temperatur tinggi. Dengan demikian perhitungan tingkat energi pada gerak translasi pada atom atau melokul dapat dilakukan dengan pendekatan klasik (sebagai energi kitentik) sebagai berikut:

Etrans=12

m v2

dengan m adalah massa molekul dan v adalah kecepatan molekul.

Gerak Rotasi, menurut Hidayat (2003), Rotasi merupakan perputaran molekul yang selang energinya sangat kecil sekitar 10-3 eV. Spektrumnya di daerah gelombang mikro dengan panjang gelombang berkisar antara 0,1 mm- 1 cm). Hal ini diperjelas oleh Kusminarto (1993) yang menyatakan bahwa disamping mengalami gerak translasi, molekul melakuakan rotasi terhadap sumber massanya.

Gambar 2. Gerak rotasi H2O

Untuk menyederhanakan analisa, pada pembahasan ini ditinjau molekul dwi atom (walaupun secara garis besar juga berlaku untuk molekul komplek).Tingkat energi molekul terendah timbul dari rotasi di sekitar pusat massanya (Hidayat,2011) .

Momen inersia I=m1r 12+m2 r2

2

Karena m1r 12=m2r2

2 maka I=m1 m2

m1+m2

(r12+r2

2)

Diketahui momentum sudut L pada gerak rotasi dirumuskan L=Iω

Karena L terkuantisasi (L=ħ√l(l+1))

yang mana l=bilangan kuantum rotasional=0,1,2,3,4 ,…….

Sehingga energi molekul yang berotasipun terkuantisasi dengan perumusan sebagai berikut:

Er=12

I ω2= l2

2 I sehingga Er=

l(l+1)ħ2

2 I=

l(l+1)h2

2 μr02

Gerak Vibrasi menurut Hidayat (2003), gerak vibrasi pada molekul adalah getaran molekul yang selang energinya lebih besar 0,1 eV dengan spekrumnya di daerah infra merah (λ berkisar 1 µm−0,1 cm¿.

Gambar 3. Gerak vibrasi H2O

Untuk menyederhanakan masalah ditinjau molekul paling sederhana yaitu molekul dwiatom.

Gambar 4. Gerak vibrasi dari dua sistem

Kusminarto (1993) memaparkan, jarak inti atom dalam molekul dianggap tetap. Bentuk energi potensial molekul mengisyaratkan bahwa inti-inti atom penyusun molekul melakukan gerak osilasi relative. Di sekitar jarak kesetimbangannya ro, bentuk energi

potensial dapat didekati dengan bentuk fungsi parabola E=12

k ¿sehingga gerak osilasi

relatifnya merupakan osilasi sederhana dengan frekuensi sudut f =√ kμ

dengan µ adalah

massa tereduksi molekul . Sehingga energi vibrasi molekul dwiatom adalah:

E vib=(v+ 12 )hf v=0,1,2 , …….

dengan

v adalah bilangan bulat

h adalah tetapan Planck dan

f adalah frekuensi getaran.

Aturan seleksi untuk transisi dwikutub listrik aras (tingkatan energi-red) vibrasi adalah Δv=± 1. Ini berarti bahwa transisi hanya terjadi antara aras yang bersebelahan sehingga diserap atau dipancarkan dalam suatu transisi adalah sama yaitu:

vo=f

2 π

Hal ini sesuai dengan apa yang dijelaskan oleh Hidayat (2003), molekul akan bergetar bila energinya cukup untuk bereksitasi. Sehingga energi molekul karena rotasi dan vibrasi dapat dinyatkan sebagai persamaan:

E=Erot+ Evib=l(l+1)ħ2

2 I+(v+ 1

2 )hf

Hanya beberapa unsur non logam yang partikelnya berupa Molekul ( contoh hidrogen H2 fosforus P4 ; belerang S8 ). Molekul yang terdiri atas 2 atom disebut Molekul Diatomik ( contoh molekul hidrogen, nitrogen ). Sedangkan molekul yang terdiri atas lebih dari 2 atom disebut molekul poliatomik ( contoh molekul fosforus, belerang ). Isotop yang berbeda memberikan bilangan gelombang yang berbeda pada spektroskopi inframerah. Otomatis energi dalam penyerapan akan berbeda juga. Semakin besar sebuah gugus fungsional semakin besar energi serapan yang terjadi.

5. Apa perbedaan dan persamaan IR dan FTIR? Jelaskan pendapat saudara? Bagaimana konsep instrument ini dapat bekerja dan digunakan untuk analisis? Berikan contoh penggunaan alat ini untuk elusidasi struktur.Jawab :Perbedaan IR dan FTIR

Spektroskopi FTIR sama degan spektroskopi IR yang membedakannya adalah pengembangan pada sistem optiknya sebelum berkas sinar inframerah melewati sampel. Sistem optik spektroskopi IR dilengkapi dengan cermin diam. Dengan demikian radiasi inframerah akan menimbulkan perbedaan jarak yang ditempuh menuju cermin bergerak dan cermin yang diam. Pada sistem optik fourier transform infared digunakan radiasi laser yang berfungsi sebagai radiasi yang diinterferensikan dengan radiasi inframerah agar sinyal radiasi inframerah yang diterima oleh detektor secara utuh dan lebih baik.Persamaan IR dan FTIR

Spektroskopi FTIR sama degan spektroskopi IR pada dasarnya adalah sama dari prinsip dan mekanisme intrumentasinya. Keduanya memerlukan sinar radiasi berupa gelombang inframerah. Instrumentasinya sama-sama memerlukan detektor untuk menerjemahkan gelombang setelah didispersi. Selain itu monokromator keduanya berupa kisi difraksi dan prisma untuk mendispersikan sinar yang masuk menjadi komponen monokromatik.

Sistim optik Spektrofotometer FTIR seperti pada gambar dibawah ini dilengkapi dengan cermin yang bergerak tegak lurus dan cermin yang diam. Dengan demikian radiasi infra merah akan menimbulkan perbedaan jarak yang ditempuh menuju cermin yang bergerak ( M ) dan jarak cermin yang diam ( F ). Perbedaan jarak tempuh radiasi tersebut adalah 2 yang selanjutnya disebut sebagai retardasi ( δ ). Hubungan antara intensitas radiasi IR yang diterima detektor terhadap retardasi disebut sebagai interferogram. Sedangkan sistim optik dari Spektrofotometer IR yang didasarkan atas bekerjanya interferometer disebut sebagai sistim optik Fourier Transform Infra Red.

Pada sistim optik FTIR digunakan radiasi LASER (Light Amplification by Stimulated Emmission of Radiation) yang berfungsi sebagai radiasi yang diinterferensikan dengan radiasi infra merah agar sinyal radiasi infra merah yang diterima oleh detektor secara utuh dan lebih baik. Detektor yang digunakan dalam Spektrofotometer FTIR adalah TGS (Tetra Glycerine Sulphate) atau MCT (Mercury Cadmium Telluride). Detektor MCT lebih banyak digunakan karena memiliki beberapa kelebihan dibandingkan detektor TGS, yaitu memberikan respon yang lebih baik pada frekwensi modulasi tinggi, lebih sensitif, lebih cepat, tidak dipengaruhi oleh temperatur, sangat selektif terhadap energi vibrasi yang diterima dari radiasi infra merah.

6. Spektrum elektromagnetik mencakup frekuensi, panjang gelombang dan energi yang besae (melebar). Teknik spektroskopi dikembangkan berdasarkan pemanfaatan range frekuensi tertentu yang berbeda-beda. Pada frekuensi rendah, panjang gelombang besar diperoleh energi yang kecil, < 1 J mol -1 tetapi cukup untuk

Gambar 6. Skema Spektroskopi FTIR

108 1010 1012

102 104 106

ESRMicrowave Infrared Visible Ultraviolet X-Ray

Frekuensi (Hz)Energi kJ mol-1

Tra

nsis

i sp

in in

ti

Tra

nsis

i sp

in e

lekt

ron

Rot

asi

mol

eku

ler

Vib

rasi

mol

eku

ler

T r a n s i s i e l e k t r o n i k

Kul

it va

lens

i

d –

d da

n f

– f

Kul

it ba

gian

da

lam

Fe

no

men

a T

erl

ibat

Te

knik

S

pek

tro

sko

pi

menyebabkan pembalikan spin baik inti atau elektron dengan pemberian medan magnet. Gambarkan atau tuliskan fenomena yang terlibat dan teknik spektroskopi yang dapat digunakan. Jawab:

Kesimpulan

1. Metoda spektroskopi merupakan alat utama pada kimia modern untuk identifikasi struktur molekul dengan menggunakan cahaya.

2. Sistem pengukur radiasi selalu terdiri atas detektor dan peralatan penunjang  yang biasanya merupakan rangkaian elektronik, salah satu peralatan penunjang yang dimaksud adalah spektroskopi.

3. Salah satu aplikasi yang paling banyak dari penggunaan spektroskopi  adalah untuk menganalisis jenis dan kadar unsur yang terkandung di dalam suatu bahan.

Daftar PustakaBlanchard, A Arthur.1986. Synthetic Inorganic Chemisrty, New York: John and Willey SonsDay, R.A dan A.L. Underwood. 2002. Analisis Kimia Kuantitatif. Jakarta: ErlanggaEarnshaw, A. 1997. Chemistry of The Element 2nd Edition. New York: ElsevierHendayana, Sumar, dkk. 1994. Kimia Analitik Instrumen. Semarang : IKIP Press.Silverstein. 2002. Identification of Organic Compund, 3rd Edition. New York: John Wiley & Sons Ltd.