Anggota Kelompok:

Dega Reksa Mulyana(1008963)

Dewi Candrawati (1006773)Eka Ad’hiya (1000311)

Pia Hanipah (1002459) Neni Rista Sembiring

(0900746)

Spektroskopi IR

Spektroskopi InframerahSpektroskopi inframerah 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.

Metode spektroskopi inframerah merupakan suatu metode yang meliputi :a) teknik serapan (absorption)b) teknik emisi (emission)c) teknik fluoresensi (fluorescence).

Komponen medan listrik yang banyak berperan dalam spektroskopi umumnya hanya komponen medan listrik seperti dalam fenomena transmisi, pemantulan, pembiasan, dan penyerapan

InframerahPada tahun 1800 penemuan infra merah ditemukan

pertama kali oleh William Herschel. Penelitian selanjutnya diteruskan oleh Young, Beer,

Lambert dan Julius melakukan berbagai penelitian dengan menggunakan spektroskopi inframerah.

William W. Coblentz pada tahun 1903 dan diperuntukkan pada awalnya untuk analisis polutan atmosfer pada daerah industri dan untuk analisis hidrokarbon C4 pada industri karet.Sekarang metode spektroskopi IR lebih banyak dipakai untuk identifikasi senyawa-senyawaorganic khususnya gugus fungsional.Level Energi IR 

Pada tahun 1892 Julius menemukan dan membuktikan adanya hubungan antara struktur molekul dengan inframerah dengan ditemukannya gugus metil dalam suatu molekul akan memberikan serapan karakteristik yang tidak dipengaruhi oleh susunan molekulnya.

Penyerapan gelombang elektromagnetik dapat menyebabkan terjadinya eksitasi tingkat-tingkat energi dalam molekul. Yakni : eksitasi elektronikvibrasi, atau rotasi.

Rumus yang digunakan untuk menghitung besarnya energi yang diserap oleh ikatan pada gugus fungsi adalah:

Keterangan :E = energi yang diseraph = tetapan Planck = 6,626 x 10-34 Joule.detv = frekuensiC = kecepatan cahaya = 2,998 x 108 m/detλ = panjang gelombangν = bilangan gelombang

Pada tahun 1903 pemanfaatan radiasi IR untuk analisis kimia diperkenalkanoleh William W. Coblentz dan diperuntukkan pada awalnya untuk analisis polutan atmosfer pada daerah industri dan untuk analisis hidrokarbon C4 pada industri karet.

Sekarang metode spektroskopi IR lebih banyak dipakai untuk identifikasi senyawa-senyawaorganic khususnya gugus fungsional

Level Energi IR

Berdasarkan pembagian daerah panjang gelombang, sinar inframerah dibagi atas tiga daerah yaitu:

Pada daerah inframerah pertengahan, daerah panjang gelombang tersebut yang digunakan pada alat spektroskopi inframerah karena cocok untuk perubahan energi vibrasi dalam molekul.

Pada daerah inframerah yang jauh, berguna untuk molekul yang mengandung atom berat, seperti senyawa anorganik tetapi lebih memerlukan teknik khusus percobaan.

Jenis Panjang gelombang

Interaksi Bilangan Gelombang

Inframerah dekat 0,75 - 2,5 µm

Interaksi Ikatan

13.000 - 4.000 cm-

1

Inframerah pertengahan

2,5 - 50 µm

Interaksi Ikatan

4.000 - 200 cm-1

Inframerah jauh 50 - 1.000 µm

Interaksi Ikatan

200 - 10 cm-1

Metode Spektroskopi inframerah ini dapat digunakan untuk mengidentifikasi suatu senyawa yang belum diketahui,karena spektrum yang dihasilkan spesifik untuk senyawa tersebut.

Metode ini banyak digunakan karena:a. Cepat dan relatif murahb. Dapat digunakan untuk mengidentifikasi

gugus fungsional dalam molekulc. Spektrum inframerah yang dihasilkan oleh

suatu senyawa adalah khas dan oleh karena itu dapat menyajikan sebuah fingerprint (sidik jari) untuk senyawa tersebut.

Tabel Serapan Gugus Fungsi

Prinsip dasarSpektrofotometri IR didasarkan pada interaksi antara vibrasi

atom2 yang berikatan atau gugus fungsi dalam molekul dengan mengadsorbsi radiasi gelombang elektromagnetik IR

Absorpsi terhadap radiasi inframerah dapat menyebabkan eksitasi energi vibrasi molekul ke tingkat energi vibrasi yang lebih tinggi dan besarnya absorpsi adalah terkuantitasi dan spesifik.

Vibrasi yang normal mempunyai frekuensi sama dengan frekuensi radiasi elektromagnetik yang diserap sehingga bersifat spesifik terhadap atom2 yang berikatan atau gugus fungsi tertentu.

Proses absorpsi (spektra IR) hanya dapat terjadi apabila terdapat perubahan baik nilai maupun arah dari momen dwikutub ikatan.

Vibrasi molekul dapat terjadi dengan dua mekanisme yang berbeda:

• Kuanta radiasi inframerah secara langsung mengeksitasi atom: absorpsi radiasi inframerah oleh atom menghasilkan spektrum inframerah.

• Kuanta radiasi tampak secara tidak langsung juga dapat menghasilkan vibrasi molekul, disebut dengan efek Raman.

SPEKTRA VIBRASI

Konsep dasar vibrasi atomTinjau ikatan kovalen sederhana dari dua atom sebagai

suatu pegas/per yang menghubungkan 2 atom dengan massa m1 dan m2.

Kekuatan tarik pegas dinyatakan sebagai konstanta gaya, k.MassForce constantMass

m1k m2

Gb. Penggambaran 2 atom yang berikatan sebagai bola dan pegas yang bergetar searah dengan ikatan/pegas

Jika system tersebut digetarkan (dengan ditarik searah ikatan kemudian dilepas), maka frekuensi (n) vibrasi yang terjadi dapat diterangkan dengan Hukum Hooke tentang getaran harmonic sederhana:

n = 1/2p (k/m)1/2 (1)di mana m adalah massa tereduksi kedua atom yang didefinisikan dengan persamaan berikut:

1/m = 1/m1 + 1/m2

(2)atau,

m = (m1m2)/(m1+m2)(3)

menurut teori kuantum vibrasi molekul tidak boleh terjadi dengan frekuensi yang sembarang dan energinya harus tertentu sesuai dengan bilangan kuantumnya (Ev):

Ev = (v + ½) hn(4)

Di mana v = 0, 1, 2, 3, …, dst dan h adalah konstanta Planck.

Sebagai contoh jika suatu molekul mengalami transisi energi vibrasi dari level terendah ground state (v = 0) ke transisi tingkat pertama (v = 1) dengan cara menyerap radiasi IR, maka frekuensi radiasi untuk transisi tersebut menurut prinsip Bohr adalah

hn = E1 – Eo (5)

dari persamaan (4) diperoleh Eo = ½ hn dan E1 = 3/2 hn, dengan demikian,

(E1 – Eo)/h = n(6)

Konsep dasar vibrasi atom (Lanjutan)

Dengan cara yang sama transisi energi vibrasi juga dapat terjadi dari tingkat energi terendah (v = 0) ke tingkat energi kedua(v = 2) dengan frekuensi sebesar 2n.

Sebagai perbandingan dalam bahasa musik dikenal istilah: n = frekuensi vibrasi dasar, sedangkan2n = frekuensi overtone

Transisi Energi Vibrasi

Contoh kasusEvaluasi frekuensi vibrasi untuk ikatan O-H menggunakan persamaan Hooke!Menurut persamaan IV.1, makan = ½ p (k/m)1/2 ; k = 7,7 x 105

= ½ p (7,7 x105)/(0,941 x 1,67.10-24); 1 sma = 1,67.10-24

= 1,11 x 1014 Hzataun = n/c; c : kecapatan cahaya = 3,0 x 1010 cm/detiksehinggan = (1,11 . 1014 / 3,0 x 1010) (Hz/(cm/detik)) = 3700 cm-1

Jadi menurut Hukum Hooke ikatan O-H akan bervibrasi dengan frekuensi 1,11 x 1014 getaran/detik, sehingga untuk transisi energi vibrasi diperlukan radiasi elektromagnetik dengan frekuensi 1,11 x 1014 getaran/detik atau radiasi inframerah dengan bilangan gelombang 3700 cm-1.Hasil eksperimen menunjukkan bahwa spektra vibrasi O-H alkohol teramati dengan absorpsi yang kuat dan karakteristik pada 3600 cm-1. Perbedaan ini terjadi OH alkohol tidak bebas tetapi terikat oleh gugus/atom lain.

Dengan cara yang sama kita dapat menghitung frekuensi vibrasi C-C, C=C, CC dan akan diperoleh frekuensi vibrasi masing-masing:C-C = 3,5 x 1013 Hz atau bilangan gelombang = 1100 cm-1

C=C = 4,9 x 1013 Hz atau bilangan gelombang = 1640 cm-1

CC = ……….. Hz atau bilangan gelombang = 2100 cm-1

Pasangan atom Konstanta kekuatan (k)

Massa tereduksi (m)

C – C C = CC CC – O C = OC – H O – H C – N N – HC N

4,5 x 105

9,6 x 105

15,6 x 105

5,0 x 105

12,1 x 105

5,1 x 105

7,7 x 105

5,8 x 105

6,4 x 105

17,7 x 105

666

6,856,85

0,9230,9416,46

0,9336,46

Tabel Konstanta kekuatan beberapa ikatan diatomik dan massa tereduksinya

Terlihat dengan jelas bahwa IR spektroskopi dapat mengidentifikasi kombinasi dua atom yang sama yang terikat dengan kekuatan ikatan berbeda yaitu ikatan tunggal, ikatan rangkap dua dan ikatan rangkap tiga.

Contoh kasus menghitung frekuensi vibrasi

Keterangan = bilangan gelombang (cm-1)M i = massa atom i (g)K = konstanta gaya ikatan (dyne.cm-1):

m1 m2

f

Faktor- Faktor yang Mempengaruhi Bilangan Gelombang

Syarat-syarat terjadinya serapan IR

Molekul yang tidak menyerap IR: H-H, Cl-Cl

Perubahan momen dipol

Faktor-faktor yang mempengaruhi energi getaran: kekuatan gaya ikatan (k) dan massa atom-atom

•jenis ikatan•polaritas

ikatan

Syarat-syarat terjadinya serapan IR

FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI BIL. GELOMBANG(Massa atom dan gaya ikatan)

• Perubahan massa atom-atom yang ada dalam ikatan bukan saja mempengaruhi massa tereduksinya (), tetapi juga gaya ikatan.

• Gaya ikatan juga tergantung kepada jenis ikatan (tunggal < rangkap dua…)

Gugus Gaya Bilanganfungsi (amu) ikatan gelombang

C-H 0.92 500 3000N -H 0.93 600 3300O-H 0.94 700 3500C-C 6.00 425 1100C=C 6.00 960 1650C=O 6.86 1200 1725CC 6.00 1600 2100CN 6.46 2100 2350

FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI BIL. GELOMBANG(Gaya ikatan)

Semakin tinggi orde ikatan frekuensi getar semakin besar untuk relatif sama

Gaya IkatanGaya IkatanJenis IkatanJenis Ikatan Polaritas IkatanPolaritas Ikatan

Gugus Gaya Bilanganfungsi (amu) ikatan gelombangC-C 6.00 425 1100C=C 6.00 960 1650C=O 6.86 1200 1725CC 6.00 1600 2100CN 6.46 2100 2350

Untuk jenis ikatan yang sama, semakin polar ikatan semakin besar frekuensi getarnya

Gugus Gaya Bilanganfungsi (amu) ikatan gelombangC-H 0.92 500 3000N -H 0.93 600 3300O-H 0.94 700 3500

Jenis Vibrasi Molekul

Ada dua jenis vibrasi yaitu:1. Vibrasi ulur (Stretching Vibration), yaitu

vibrasi yang mengakibatkan perubahan panjang ikatan suatu ikatan

2. Vibrasi tekuk (Bending Vibrations), yaitu vibrasi yang mengakibatkan perubahan sudut ikatan antara dua ikatan

1. Vibrasi UlurPada umumnya vibrasi ulur memerlukan energi

yang lebih tinggi dan dinyatakan dengan simbol nu, n,

diikuti dengan gugus kimia yang mengalami vibrasi (ditulis

dalam tanda kurung)

Misalnya n(C=O) = 1.600 cm-1 :vibrasi stretching dasar dari gugus karbonil

teramati pada bilangan gelombang 1.600 cm-1

Vibrasi ulur dibagi menjadi :a. Stretching terisolasi (misal ikatan O-H) b. Stretching berpasangan (missal gugus metilen). Untuk stretching berpasangan dibedakan lagi menjadi berpasangan simetris dan non-simetris

Frekuensi asimetris > frekuensi simetris Frekuensi ulur > frekuensi tekuk Seringkali terjadi overtune(kelipatan frekuensi)

2. Vibrasi tekuk itu sendiri dibagi lagi menjadi empat:a. Scissoringb. Rockingc. Waggingd. Twisting

Jumlah jenis vibrasi normal, diperlukan 3 koordinat untuk menentukan satu posisi dalam ruang.

Untuk N titik (atau N atom) dihasilkan 3N derajat kebebasan. Pergerakan molekul melibatkan : translasi, rotasi, dan vibrasi.

Vibrasi untuk Molekul tak linier adalah1. Perlu 3 derajat kebebasan untuk translasi2. Perlu 3 derajat kebebasan untuk rotasi

Jadi tersisa (3N – 6) kemungkinan jenis vibrasiVibrasi untuk Molekul linier

1. Perlu 3 derajat kebebasan untuk translasi2. Perlu 2 derajat kebebasan untuk rotasi (rotasi

pada sumbu ikatan tak mungkin)Jadi tersisa (3N – 5) kemungkinan jenis vibrasi

Contoh : Tentukan vibrasi untuk molekul CO2

Jawab: karena CO2 termasuk molekul linier maka

vibrasi molekul CO2 :

3N – 5 = 3 (3)- 5 = 4

Maka vibrasi untuk molekul CO2 adalah 4 jenis

Vibrasi yang digunakan untuk identifikasi adalah vibrasi tekuk, khususnya vibrasi rocking (goyangan), yaitu yang berada di daerah bilangan gelombang 2000 – 400 cm-1.

Karena di daerah antara 4000 – 2000 cm-1 merupakan daerah yang khusus yang berguna untuk identifkasi gugus fungsional.Daerah ini menunjukkan absorbsi yang disebabkan oleh vibrasi regangan.

Sedangkan daerah antara 2000 – 400 cm-1 seringkali sangat rumit, karena vibrasi regangan maupun bengkokan mengakibatkan absorbsi pada daerah tersebut. Dalam daerah 2000 – 400 cm-1 tiap senyawa organik mempunyai absorbsi yang unik, sehingga daerah tersebut sering juga disebut sebagai daerah sidik jari (fingerprint region).

Meskipun pada daerah 4000 – 2000 cm-1 menunjukkan absorbsi yang sama, pada daerah 2000 – 400 cm-1 juga harus menunjukkan pola yang sama sehingga dapat disimpulkan bahwa dua senyawa adalah sama.

Untuk menghasilkan spektrum inframerah, radiasi yang mengandung semua frekuensi di wilayah IR dilewatkan melalui sampel. Maka molekul-molekulnya dapat menyerap (mengabsorpsi) energi sehingga terjadi transisi antara tingkat vibrasi dasar (ground state) dan tingkat vibrasi tereksitasi (exited state).

Pengabsorpsian energi pada berbagai frekuensi dapat dideteksi oleh Spektrofotometer Infra Merah, yang memplot jumlah radiasi infra merah yang diteruskan melalui suatu cuplikan sebagai fungsi frekuensi atau panjang gelombang radiasi. Plot tersebut disebut spektrum infra merah, yang akan memberikan informasi penting tentang gugus fungsional suatu molekul.

Vibrasi molekul hanya akan terjadi bila suatu molekul terdiri dari dua atom atau lebih. Untuk dapat menyerap radiasi infra merah (aktif inframerah),vibrasi molekul harus menghasilkan perubahan momen

dwikutub.

Prinsip Kerja

Spektroskopi inframerah sangat berguna untuk analisis kualitatif (identifikasi) dari senyawa organik karena spektrum yang unik yang dihasilkan oleh setiap organik zat dengan puncak struktural yang sesuai dengan fitur yang berbeda.

Selain itu, masing-masing kelompok fungsional menyerap sinar inframerah pada frekuensi yang unik.

Sebagai contoh, sebuah gugus karbonil, C = O, selalu menyerap sinar inframerah pada 1670-1780 cm-1, yang menyebabkan ikatan karbonil untuk meregangkan.

Penafsiran Spektrum Inframerah

Syarat-syarat tertentu yang harus dipenuhi sebagai upaya untuk

menafsirkan suatu spektrum adalah :1. Spektrum harus terselesaikan dan intensitas cukup

memadai2. Spektrum diperoleh dari senyawa murni3. Spektrofotometer harus dikalibrasi sehingga pita

yang teramati sesuai dengan frekuensi atau panjang gelombangnya. Kalibrasi dapat dilakukan dengan menggunakan standar yang dapat diandalkan, seperti polistirena film.

4. Metode persiapan sampel harus ditentukan. Jika dalam bentuk larutan, maka konsentrasi larutan dan ketebalan sel harus ditunjukkan

INSTRUMENTASI SPEKTROMETER IR Pada dasarnya instrumentasi IR tidak jauh

berbeda dengan instrumentasi spektrofotometer UV-visible.

Peralatan spektrometer IR biasanya mempunyai dua berkas sinar (double beam) yang masing-masing melewati sel/ bahan sample dan sel/bahan referensi. Secara lengkap skema bagian-bagian instrumentasi spectrometer IR diberikan pada gambar berikut

InstrumentrasiA. Sumber inframerah

Sumber yang umum digunakan adalah merupakan batang yang dipanaskan oleh listrik yang berupa :

“Nernst glower” (campuran oksida dari Zr, Y, Er, dsb).

“Globar” (silikon karbida) Berbagai bahan keramik

B. Tempat sampel

Tempat sampel atau sel tergantung dari jenis sampel. Untuk sampel berbentuk gas digunakan sel gas dengaan lebar

sel atau panjang berkas radiasi 40 mm. Hal ini dimungkinkan untuk menaikkan sensitivitas karena adanya cermin yang dapat memantulkan berkas radiasi berulang kali melalui sampel.

Untuk sampel yang berbentuk cairan umumnya mempunyai panjang berkas radiasi kurang dari 1 mm biasanya dibuat lapisan tipis (film) diantara dua keeping senyawa yang transparan terhadap radiasi infra merah.

Untuk sampel padat mempunyai panjang berkas radiasi kurang dari 1 mm. Pelet KBr dibuat dengan menggerus sampel dan Kristal KBr (0,1 – 2,0 % berdasarkan berat) sehingga merata, kemudian ditekan (sekitar 8 ton) sampai diperoleh pellet atau pil tipis.

C. Monokromator

Ada 3 jenis monokromator, yaitu:

Prisma: penguraian sinar didasarkan pada perbedaan indeksnya di udara dan di dalam prisma, sehingga sinar diteruskan sesuai dengan panjang gelombang masing-masing.

Difraksi Grating: Penguraian sinar didasarkan pada grating (permukaan benda seperti gergaji), grating dapat diputar dengan sudut tertentu, sehingga diperoleh sinar dengan l seperti yang diinginkan.

Filter biasa dgunakan untuk tujuan analisis kuantitatif

D. Detektor

Detektor thermocouple terdiri dari dua kawat halus yang terbuat dari logam seperti platina (Pt) dan perak (Ag) atau antimony (Sb) dan bismuth (Bi). Energi radiasi infra merah akan menyebabkan terjadinya pemanasan pada salah satu kawat dan panasnya ini sebanding dengan perbedaan gaya gerak listrik yang dihasilkan dari kedua kawat.

Detektor bolometer merupakan semacam thermometer resistans yang terbuat dari kawat platina atau nikel. Dalam hal ini akibat pemanasan akan terjadi perubahan tahanan pada bolometer sehingga signal menjadi tidak seimbang. Signal yang tidak seimbang ini kemudian diperkuat sehingga dapat dicatat atau direkam

5. Rekorder

Signal yang dihasilkan dari detector kemudian direkam sebagai spectrum infra merah yang berbentuk puncak-puncak serapan. Spektrum infra merah ini menunjukkan hubungan antara absorban dan frekuensi atau bilangan gelombang atau panjang gelombang. Sebagai absis adalah frekuensi (cm-1) atau panjang gelombang (mm) atau bilangan gelombang (cm-1), dan sebagai ordinat adalah transmitan (%) atau absorban.

Persiapan SampelAda berbagai tehnik untuk persiapan sampel,

bergantung pada bentukfisik sampel yang akan dianalisis.

A. PadatJika zat yang akan dianalisis berbentuk padat, maka ada dua metode untuk persiapan sampel ini, yaitu melibatkan penggunaan 1. Nujol mull 2. Pelet KBr.

1. Nujol MullCara persiapan sampel dengan menggunakan Nujol Mull yaitu:

Sampel digerus dengan mortar dan pestle agar diperoleh bubuk yang halus. Dalam jumlah yang sedikit bubuk tersebut dicampur dengan Nujol agar terbentuk pasta, kemudian beberapa tetes pasta ini ditempatkan antara dua plat NaCl (plat ini tidak mengabsorbsi inframerah pada wilayah tersebut). Kemudian plat ditempatkan dalam tempat sampel pada alat spektroskopi inframerah untuk dianalisis.

2. Pelet KBrSedikit sampel padat (kira-kira 1 - 2 mg), kemudian ditambahkan bubuk KBr murni (kira-kira 200 mg) dan diaduk hingga rata. Campuran ini kemudian ditempatkan dalam cetakan dan ditekan dengan menggunakan alat tekanan mekanik. Tekanan ini dipertahankan beberapa menit, kemudian sampel (pelet KBr yang terbentuk) diambil dan kemudian ditempatkan dalam tempat sampel pada alat spektroskopi inframerah untuk dianalisis.

B. CairanBentuk ini adalah paling sederhana dan metode yang paling umum pada persiapan sampel. Setetes sampel ditempatkan antara dua plat KBr atau plat NaCl untuk membuat film tipis. Kemudian plat ditempatkan dalam tempat sampel alat spektroskopi inframerah untuk dianalisis.

C. GasUntuk menghasilkan sebuah spektrum inframerah pada gas, dibutuhkan sebuah sel silinder/tabung gas dengan jendela pada setiap akhir pada sebuah material yang tidak aktif inframerah seperti KBr, NaCl atau CaF2. Sel biasanya mempunyai inlet dan outlet dengan keran untuk mengaktifkan sel agar memudahkan pengisian dengan gas yang akan dianalisis

Penggunaan dan AplikasiSpektroskopi inframerah biasanya digunakan untuk penelitian

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

Alat spektroskopi inframerah cukup kecil dan mudah dibawa kemana-mana dan kapanpun dapat digunakan.

Dengan meningkatnya teknologi komputer memberikan hasil yang lebih baik.

Spektroskopi inframerah mempunyai ketepatan yang tinggi pada aplikasi kimia organik dan anorganik.

Spektroskopi inframerah juga sukses kegunaannya dalam semikonduktor mikroelektronikcontoh, spektroskopi inframerah dapat digunakan untu semikonduktor seperti silikon, gallium arsenida, gallium nitrida, zinc selenida, silikon amorp, silikon nitrida, dan sebagainya.

Keunggulan Spektrofotometer Ftir

Secara keseluruhan, analisis menggunakan Spektrofotometer FTIR memiliki dua kelebihan utama dibandingkan metoda konvensional lainnya, yaitu:

Dapat digunakan pada semua frekwensi dari sumber cahaya secara simultan sehingga analisis dapat dilakukan lebih cepat daripada menggunakan cara sekuensial atau scanning.

Sensitifitas dari metoda Spektrofotometri FTIR lebih besar daripada cara dispersi, sebab radiasi yang masuk ke sistim detektor lebih banyak karena tanpa harus melalui celah (slitless).