22. SPEKTROMETER MASSA

http://ebenbohr.wordpress.com/22-spektrometer-massa/

Spektrometer massa

Halaman ini menjelaskan bagaimana spektrum massa dibentuk dengan menggunakan spektrometer massa.

Bagaimana spektrometer massa bekerja

Prinsip dasar

Apabila ada sebuah benda sedang bergerak lurus dan diberikan gaya luar ke arah samping maka benda itu tidak akan bergerak lurus, melainkan ia akan bergerak membelok ke arah samping karena adanya gaya luar tersebut.

Misalkan anda sedang menghadapi sebuah bola meriam yang sedang melewati anda dan anda mau membelokkannya pada saat tepat lewat di depan anda. Dan alat yang anda punya hanyalah sebuah selang penyemprot air yang dihubungkan dengan sebuah pompa jet. Sejujurnya, apa yang anda lakukan .itu tidak akan berpengaruh banyak. Karena bola meriam itu sangat berat dan ia tidak akan membelok dari jalur lurusnya.

Tapi coba kita pikir lagi, anda mencoba membelokan sebuah bola tenis yang sedang bergerak dengan kecepatan yang sama dengan bola meriam tersebut dengan menggunakan selang penyemprot air yang sama. Karena bola tenis ini sangat ringan, maka ia akan membelok dengan amat sangat.

Berapa besar penyimpangan yang akan terjadi karena gaya luar itu, tergantung pada massa benda tersebut (dalam hal ini bola). Apabila kecepatan bola dan besarnya gaya luar itu diketahui、anda bisa menghitung massa bola tersebut jika sudah diketahui bagaimana pola pembelokan yang terjadi pada bola tersebut. Semakin kecil pembelokan yang terjadi, berarti semakin berat massa bola tersebut.(Perhitungan yang sebenarnya tidaklah terlalu sulit) Prinsip diatas tersebut dapat juga diterapkan pada benda atau partikel seukuran atom.

Garis besar tentang apa yang terjadi dalam alat spektrometer massa

Atom dapat dibelokkan dalam sebuah medan magnet (dengan anggapan atom tersebut diubah menjadi ion terlebih dahulu). Karena partikel-partikel bermuatan listrik dibelokkan dalam medan magnet dan partikel-partikel yang tidak bermuatan (netral) tidak dibelokkan.

Urutannya adalah sebagai berikut:

Tahap pertama : Ionisasi

Atom di-ionisasi dengan ‘mengambil’ satu atau lebih elektron dari atom tersebut supaya terbentuk ion positif. Ini juga berlaku untuk unsur-unsur yang biasanya membentuk ion-ion negatif (sebagai contoh, klor) atau unsur-unsur yang tidak pernah membentuk ion (sebagai contoh, argon). spektrometer massa ini selalu bekerja hanya dengan ion positif.

Tahap kedua : Percepatan

Ion-ion tersebut dipercepat supaya semuanya mempunyai energi kinetik yang sama.

Tahap ketiga : Pembelokan

Ion-ion tersebut dibelokkan dengan menggunakan medan magnet, pembelokan yang terjadi tergantung pada massa ion tersebut. Semakin ringan massanya, akan semakin dibelokan. Besarnya pembelokannya juga tergantung pada besar muatan positif ion tersebut. Dengan kata lain, semakin banyak elektron yang ‘diambil’ pada tahap 1, semakin besar muatan ion tersebut, pembelokan yang terjadi akan semakin besar.

Tahap keempat : Pendeteksian

Sinar-sinar ion yang melintas dalam mesin tersebut dideteksi dengan secara elektrik.

Diagram lengkap dari spektrometer massa:

Penjelasan tentang apa yang terjadi

Keadaan hampa udara

Penting bagi ion-ion yang telah dibuat dalam ruang ionisasi untuk dapat bergerak lurus dalam mesin tanpa bertabrakan dengan molekul2 udara.

Ionisasi

Sampel yang berbentuk gas (vaporised sample) masuk ke dalam ruang ionisasi. Kumparan metal yang dipanaskan dengan menggunakan listrik ‘melepaskan’ elektron-elektron yang ada pada sampel dan elektron-elektron lepas itu menempel pada perangkap elektron (electron trap) yang mempunyai muatan positif.

Partikel-partikel dalam sample tersebut (atom atau molekul) dihantam oleh banyak sekali elektron-elektron, dan beberapa dari tumbukan tersebut mempunyai energi cukup untuk melepaskan satu atau lebih elektron dari sample tersebut sehingga sample tersebut menjadi ion positif.

Kebanyakan ion-ion positif yang terbentuk itu mempunyai muatan +1 karena akan jauh lebih sulit untuk memindahkan elektron lagi dari sample yang sudah menjadi ion positif.

Ion-ion positif yang terbentuk ini ‘diajak keluar’ dan masuk ke bagian mesin yang merupakan sebuah lempengan metal yang bermuatan positif (Ion repellel).

Tambahan: Seperti yang anda akan lihat sebentar lagi, seluruh ruang ionisasi ini dilakukan dengan menggunakan tegangan listrik positif yang besar (10.000 V). Ketika kita berbicara tentang kedua lempengan bermuatan positif, berarti lempengan tersebut mempunyai muatan lebih dari 10.000 V.

Percepatan

Ion-ion positif yang ditolak dari ruang ionisasi yang sangat positif itu akan melewati 3 celah, dimana celah terakhir itu bermuatan 0 V. Celah yang berada di tengah mempunyai voltase menengah. Semua ion-ion tersebut dipercepat sampai menjadi sinar yang sangat terfokus.

Pembelokkan

Ion yang berbeda-beda akan dibelokkan secara berbeda pula oleh medan magnet. Besarnya pembelokan yang dialami oleh sebuah ion tergantung pada:

* Massa ion tersebut.Ion-ion yang bermassa ringan akan dibelokkan lebih daripada ion-ion yang bermassa berat.

* Muatan ion.Ion yang mempunyai muatan +2 (atau lebih) akan dibelokkan lebih daripada ion-ion yang bermuatan +1.

Dua faktor diatas digabungkan ke dalam Perbandingan Massa/Muatan. Perbandingan ini mempunyai simbol m/z (atau m/e)

Sebagai contoh: Apabila sebuah ion mempunyai massa 28 dan bermuatan +1, maka perbandingan massa/muatan ion tersebut adalah 28. Ion yang mempunyai massa 56 dan bermuatan +2 juga mempunyai perbandingan massa/muatan yang sama yaitu 28.

Pada gambar diatas, sinar A mengalami pembelokkan yang paling besar, yang berarti sinar tersebut terdiri dari ion-ion yang mempunyai perbandingan massa/muatan yang terkecil. Sedangkan sinar C mengalami pembelokkan yang paling kecil, berarti ia terdiri dari ion-ion yang mempunyai perbandingan massa/muatan yang paling besar.

Akan jauh lebih mudah untuk membahas masalah ini jika kita menganggap bahwa muatan semua ion adalah +1. Hampir semua ion-ion yang lewat dalam spektrometer massa ini bermuatan +1, sehingga besarnya perbandingan massa/muatannya akan sama dengan massa ion tersebut.

Tambahan: Anda juga harus mengerti bahwa kemungkinan adanya ion bermuatan +2(atau lebih), tetapi kebanyakan soal-soal akan memberikan spektrum massa dimana ion-ion nya hanya bermuatan +1. Kecuali bila ada petunjuk dalam soal tersebut, anda bisa menganggap bahwa ion yang sedang dibicarakan dalam soal tersebut adalah bermuatan +1

Jadi dengam menganggap semua ion bermuatan +1, maka sinar A terdiri dari ion yang paling ringan, selanjutnya sinar B dan yang terdiri dari ion yang paling berat adalah sinar C. Ion-ion yang ringan akan lebih dibelokkan daripada ion yang berat.

Pendeteksian

Pada gambar diatas, hanya sinar B yang bisa terus melaju sampai ke pendetektor ion. Ion-ion lainnya bertubrukan dengan dinding dimana ion-ion akan menerima elektron dan dinetralisasi. Pada akhirnya, ion-ion yang telah menjadi netral tersebut akan dipisahkan dari spektrometer massa oleh pompa vakum.

Ketika sebuah ion menubruk kotak logam, maka ion tersebut akan dinetralisasi oleh elektron yang pindah dari logam ke ion (gambar kanan). Hal ini akan menimbulkan ruang antara elektron-elektron yang ada dalam logam tersebut, dan elektron-elektron yang berada dalam kabel akan mengisi ruang tersebut.

Aliran elektron di dalam kabel itu dideteksi sebagai arus listrik yang bisa diperkuat dan dicatat. Semakin banyak ion yang datang, semakin besat arus listrik yang timbul.

Mendeteksi ion-ion lainnya.

Bagaimana ion-ion lainnya dapat dideteksi – padahal sinar A dan sinar B sudah tidak ada lagi dalam mesin?

Ingat bahwa sinar A dibelokkan paling besar, berarti ia mempunyai nilai m/z yang paling kecil(ion yang paling ringan bila bermuatan +1) Untuk membuat sinar ini sampai ke detektor ion, anda perlu membelokkan sinar tersebut dengan menggunakan medan magnet yang lebih kecil(gaya luar yang lebih kecil).

Untuk membuat ion-ion yang mempunyai nilai m/z yang besar(ion yang berat bila bermuatan +1) sampai ke detektor ion, maka anda perlu membelokkannya dengan menggunakan medan magnet yang lebih besar.

Dengan merubah besarnya medan magnet yang digunakan, maka anda bisa membawa semua sinar yang ada secara bergantian ke detektor ion, dimana disana ion-ion tersebut akan menimbulkan arus listrik dimana besarnya berbanding lurus dengan jumlah ion yang datang. Massa dari semua ion yang dideteksi itu tergantung pada besarnya medan magnet yang digunakan untuk membawa sinar tersebut ke detektor ion. Mesin ini dapat disesuaikan untuk mencatat arus listrik (yang merupakan jumlah ion-ion) dengan m/z secara langsung. Massa tersebut diukur dengan menggunakan skala 12C.

Tambahan: Skala 12C adalah skala dimana isotop 12C mempunyai berat tepat 12 unit.

Bagaimana bentuk output dari spektrometer massa

Hasil dari pencatat diagram disederhanakan menjadi ‘diagram garis’. Ini menunjukkan arus listrik yang timbul oleh beragam ion yang mempunyai perbandingan m/z masing2.

Diagram garis Molybdenum (Mo) adalah sebagai berikut:

Garis tegak lurus itu menunjukkan besarnya arus listrik yang diterima oleh alat pencatat arus yang berarti banyaknya ion datang ke detektor. Seperti yang anda bisa lihat dari diagram diatas, ion yang paling banyak adalah ion yang mempunyai perbandingan m/z 98. Ion-ion lainnya mempunyai perbandingan m/z 92,94,95,96,97 dan 100.

Ini berarti molybdenum mempunyai 7 macam isotop. Dengan menganggap bahwa semua ion tersebut bermuatan +1 maka berarti massa dari ketujuh isotop tersebut adalah 92,94,95,96,97 ,98 dan 100.

Tambahan: Bila ada ion bermuatan +2 , maka anda akan tahu karena semua garis yang ada pada diagram diatas akan mempunyai garis lain dengan besar 1/2 dari nilai m/z (karena, sebagai contoh, 98/2=49). Garis-garis itu akan jauh lebih sedikit daripada garis ion +1 karena kemungkinan terbentuknya ion +2 adalah jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan kemungkinan terbentuknya ion +1.Gunakan fasilitas pencarian kata dibawah ini untuk mencari kata di chem-is-try.org

Spektrum Massa Unsur-unsur

Artikel ini akan membahas informasi yang dapat anda peroleh dari spektrum massa sebuah unsur. Artikel ini menunjukkan bagaimana anda dapat menemukan massa dan jumlah relatif berbagai isotop dari sebuah unsur dan menggunakan informasi tersebut untuk menghitung massa atom relatif sebuah unsur.

Terlebih lagi, artikel ini juga akan membahas permasalahan yang disebabkan oleh unsur yang memiliki molekul diatomik seperti klorin (Cl2).

Spektrum Massa Unsur Monoatomik

Unsur monoatomik meliputi semua unsur kecuali unsur- unsur seperti klorin, Cl2, yang merupakan molekul yang memiliki jumlah atom lebih dari satu.

Spektrum Massa Boron

Jumlah Jenis Isotop

Kedua puncak pada spektrum massa diatas menunjukkan keberadaan 2 jenis isotop dari unsur boron dengan massa isotop relatif 10 dan 11 dalam skala atom 12C.

Catatan: Isotop – isotop merupakan atom – atom yang berasal dari unsur yang sama. Mereka memiliki jumlah proton yang sama, namun memiliki massa yang berbeda yang disebabkan oleh perbedaan jumlah netron.

Dalam artikel ini, kami memakai dasar asumsi bahwa semua ion yang terdata memiliki muatan 1+. Dengan demikian, massa/rasio muatan (m/z) akan secara langsung memberikan massa isotop.

Skala atom 12C adalah skala yang memiliki basis bahwa massa dari atom 12C adalah 12

Jumlah Isotop

Perbandingan besaran puncak-puncak dalam grafik di atas akan dapat secara langsung menunjukkan jumlah relatif isotop – isotop. Puncak tertinggi seringkali diberi nilai 100 – namun anda dapat menggunakan bentuk ukuran (skala) lainnya.

Anda dapat menemukan jumlah relatif dari isotop-isotop dengan mengukur panjangnya garis dalam diagram.

Dalam kasus ini, kedua isotop dengan jumlah relatifnya adalah:

boron-10 23boron-11 100

Memahami Massa Atom Relatif

Massa atom relatif dari sebuah unsur memiliki simbol Ar dan memiliki definisi:

Massa atom relatif sebuah unsur merupakan berat rata-rata dari massa isotop -isotop unsur tersebut secara relatif terhadap 1/12 massa carbon 12C.

Kata “Berat rata-rata” dalam definisi di atas menandakan ketidakseragaman dalam jumlah berbagai isotop sebuah unsur. Contoh di bawah ini akan mengklarifikasi pernyataan ini.

Katakanlah anda memilikli 123 atom Boron yang tipikal. 23 darinya adalah 10B dan 100 sisanya adalah 11B

Massa totalnya adalah (23 x 10) + (100 x 11) = 1330

Massa rata-rata dari 123 atom-atom ini adalah 1330/123 = 10.8

Jadi, 10.8 merupakan massa atom relatif dari unsur boron. Penghitungan rata-rata secara simplistik dari 10 dan 11 tentunya akan menghasilkan 10.5. Namun jawaban Anda yang menunjukkan angka 10.8 mengindikasikan dominasi isotop unsur boron yang lebih berat (boron-11) yang menyebabkan berat rata- rata unsur boron mendekati massa isotop boron-11.

Massa Spektrum Zirconium

Jumlah Jenis Isotop

Kelima puncak pada grafik spektrum massa diatas menunjukkan adanya 5 jenis isotop dari unsur zirconium dengan massa relatif isotop 90, 91, 92, 94, dan 96 dalam skala atom 12C.

Jumlah isotop

Dalam kasus ini, jumlah relatif isotop-isotop tersebut ditunjukkan dalam bentuk persentase. Sebagaimana telah disebutkan di atas bahwa anda dapat menemukan jumlah relatif isotop-isotop tersebut dengan mengukur panjangnya garis-garis yang terdapat dalam diagram.

Kelima isotop tersebut dengan persentase jumlah relatifnya:

zirconium-90 51.5zirconium-91 11.2zirconium-92 17.1zirconium-94 17.4zirconium-96 2.8

Memahami Massa Atom Relatif

Katakanlah anda memiliki 100 atom zirconium. 51.5 diantaranya merupakan 90Zr, 11.2 merupakan 91Zr, dan seterusnya.

Catatan: apabila anda merasa keberatan dengan angka pecahan seperti 51.5 atom 90Zr dan 11.2 atom 91Zr, umpamakanlah anda memiliki 1000 atom zirconium dan bukan 100. Dengan demikian, anda akan memiliki 515 atom 90Zr, 112 atom 91Zr, dan seterusnya.

Massa Total dari 100 atom tersebut adalah:

(51.5 x 90) + (11.2 x 91) + (17.1 x 92) + (17.4 x 94) + (2.8 x 96) = 9131.8 Massa rata-rata dari 100 atom tersebut adalah 9131.8/100 = 91.3

Jadi, 91.3 adalah massa atom relatif zirconium

Spektrum Massa Klorin

Klorin merupakan unsur yang memiliki jumlah atom lebih dari satu dalam tiap molekulnya. Mari kita amati spektrum massanya untuk melihat bentuk permasalahan yang timbul.

Klorin memiliki dua jenis isotop, 35Cl dan 37Cl, dengan perkiraanperbandingan 3 atom 35Cl dan 1 atom 37Cl. Anda mungkin memperkirakan bahwa spektrum massanya akan terlihat seperti di bawah ini:

Anda Salah !!

Permasalahannya terletak pada klorin yang merupakan molekul dan bukan atom secara individu. Ketika klorin melewati suatu proses ionisasi, sebuah elektron akan terlepas dan menyebabkan klorin menjadi molekul ion, Cl2

+. Ion-ion ini tidaklah stabil dan sebagian darinya akan membentuk atom klorin dan ion Cl+. Proses inilah yang dikenal dengan proses fragmentasi:

Bila atom klorin yang terbentuk tidak terionisasi, atom klorin tersebut akan terhilang dalam mesin karena tidak mengalami percepatan maupun tumbukan.

Ion-ion Cl akan melewati mesin dan menghasilkan garis 35 dan 37, bergantung pada isotop yang ada dan anda akan mendapatkan grafik seperti di atas. Masalahnya, anda juga akan mendapatkan garis-garis yang disebabkan oleh terdeteksinya molekul-molekul ion klorin Cl2

+ yang tidak mengalami proses fragmentasi.

Kita coba untuk menghitung kemungkinan kombinasi dari atom klorin-35 dan klorin-37 pada sebuah ion Cl2

+.

Kombinasi antara klorin-35 dan klorin-37 dalam ion Cl2+ dapat berupa:

kedua atom adalah 35Cl, kedua atom adalah 37Cl, atau satu dari setiap jenis. Sehingga total massa dari ion Cl2

+:

35 + 35 = 7035 + 37 = 7237 + 37 = 74

Akibatnya, anda dapat melihat adanya garis-garis di sekitar m/z = 70 seperti di bawah ini:

Garis-garis ini akan melengkapi garis-garis di m/z = 35 dan 37. Tinggi relatif dari ketiga garis m/z = 70, 72, dan 74 ini memiliki rasio 9:6:1. Namun demikian, Anda tidak dapat melakukan perbandingan antara tinggi relatif garis-garis yang terdapat pada 35/37 dan garis-garis yang terdapat pada 70/72/74. Hal tersebut akan bergantung pada proporsi dari ion molekul Cl2

+ yang mengalami proses fragmentasi. Anda perlu mengetahui bahwa skala sumbu vertikal dari kedua grafik tidaklah sama.

Secara keseluruhan spektrum massa akan terlihat seperti ini :

Sumber Spektrum Massa: NIST Chemistry WebBook. NIST (National Institute of Standard and Technology) adalah institut nasional Amerika Serikat dalam standard dan teknologi.Gunakan fasilitas pencarian kata dibawah ini untuk mencari kata di chem-is-try.org

Pola Fragmentasi Pada Spektra Massa Senyawa OrganikHalaman ini melihat bagaimana pola fragmentasi dibentuk ketika molekul organik dimasukkan ke dalam spektrometer massa, dan bagaimana anda mendapatkan informasi dari suatu spektrum massa.

Asal-usul pola fragmentasi

Pembentukan ion molekuler

Ketika sampel organik yang teruapkan melewati kamar ionisasi spektrometer massa, uap akan ditembak oleh berkas elektron. Elektron-elektron ini mempunyai energi yang cukup untuk mengeluarkan sebuah elektron dari molekul organik untuk membentuk ion positif. Ion ini disebut ion molekuler – kadang disebut juga ion induk.Ion molekuler disimbolkan dengan M+ atau – titik pada versi yang kedua menunjukkan fakta bahwa pada ion tersebut terdapat elektron tunggal tak berpasangan. Merupakan setengah dari pasangan elektron dalam keadaan normal – setengah yang lain dihilangkan pada proses ionisasi.Fragmentasi

Ion-ion molekuler tidak stabil secara energetika, dan beberapa diantaranya akan terpecah menjadi bagian-bagian yang lebih kecil. Contoh paling sederhana adalah sebuah ion molekuler pecah menjadi dua bagian – satu bagian ion positif, dan bagian lain berupa radikal bebas tak bermuatan.

Catatan: radikal bebas adalah atom atau kumpulan atom yang mengandung elektron tunggal tak berpasangan.

Radikal bebas tak bermuatan tidak akan menghasilkan garis pada spektrum massa. Hanya partikel-partikel bermuatan yang akan dipercepat, dibelokkan, dan dideteksi oleh spektrometer massa. Partikel tak bermuatan ini akan dengan mudah hilang dalam mesin – akhirnya, terbuang ke pompa vakum.Ion, X+, akan berjalan melalui spektrometer massa seperti ion positif yang lain – dan akan menghasilkan sebuah garis pada diagram.

Semua daftar fragmentasi dari ion molekuler awal adalah mungkin – dan artinya anda akan mendapatkan seluruh garis pada spektrum massa. Sebagai contoh, spektrum massa pentana terlihat seperti ini:

Adalah penting untuk memahami bahwa pola garis pada spektrum massa senyawa organik menceritakan sesuatu yang sedikit berbeda dari pola garis pada spektrum massa unsur. Untuk unsur, tiap garis menunjukkan isotop yang berbeda dari unsur tersebut. Untuk senyawa, tiap garis menunjukkan fragmen/pecahan yang berbeda yang dihasilkan ketika ion molekuler pecah.Puncak ion molekuler dan puncak dasarPada diagram spektrum massa pentana, garis yang dihasilkan oleh ion paling berat yang melewati mesin (pada m/z = 72) adalah garis untuk ion molekuler.Garis paling tinggi pada diagram (dalam contoh ini pada m/z = 43) disebut puncak dasar.Biasanya diberi tinggi 100, dan tinggi yang lainnya dihitung relatif terhadap puncak dasar. Puncak dasar adalah puncak yang paling tinggi karena menunjukkan ion fragmen yang paling banyak terbentuk – selain itu karena ada beberapa cara dimana ia dapat dihasilkan selama fragmentasi dari ion induk, atau karena ia merupakan ion yang stabil.Menggunakan pola fragmentasi

Bagian ini akan mengabaikan pengetahuan yang dapat anda peroleh dari ion molekuler. Itu dibahas dalam tiga bagian lain yang anda dapatkan pada menu spektrometri massa. Anda akan menemukan link pada akhir halaman.

Mengamati ion yang menghasilkan garis

Ini biasanya merupakan sesuatu yang paling sederhana yang ditanyakan kepada anda.

Spektrum massa pentana

Marilah kita lihat spektrum massa pentana:

Apakah yang menyebabkan garis pada m/z = 57?

Berapa banyak atom karbon yang ada dalam ion ini? Tidak mungkin 5 karena 5 x 12 = 60. Bagaimana dengan 4? 4 x 12 = 48. Sisa 9 untuk mencapai 57. Bagaimana dengan C4H9

+?

C4H9+ dapat dituliskan [CH3CH2CH2CH2]+, dan ini dapat dihasilkan

melalui fragmentasi berikut:

Radikal metil yang dihasilkan akan dengan mudah hilang dalam mesin.

Garis pada m/z = 43 dapat dikerjakan dengan cara yang sama. Jika anda mengutak-atik angkanya, anda akan menemukan bahwa ini berhubungan dengan pemecahan yang menghasilkan ion 3-karbon:

Garis pada m/z = 29 adalah khas untuk ion etil, [CH3CH2]+:

Garis lain pada spektrum massa lebih sulit untuk diterangkan. Sebagai contoh, garis dengan nilai m/z lebih kecil 1 atau 2 dari garis-garis yang mudah, sering disebabkan oleh hilangnya satu atau lebih atom hidrogen selama proses fragmentasi. Anda sangat tidak menyukai jika diminta untuk menjelaskannya tetapi ini merupakan contoh yang paling mudah dimengerti dalam ujian level A.

Spektrum massa pentan-3-on

Sekarang puncak dasar ( puncak paling tinggi – dan juga ion fragmen paling umum) adalah pada m/z = 57. Tetapi ini bukan dihasilkan oleh ion yang sama seperti puncak dengan nilai m/z yang sama pada pentana.

Jika anda ingat, puncak m/z = 57 dalam pentana dihasilkan oleh [CH3CH2CH2CH2]+. Jika anda melihat struktur pentan-3-on, tidak mungkin mendapatkan fragmen yang sama.

Cari dengan cara memotong molekul sedikit demi sedikit sampai mendapatkan 57. Dengan sedikit kesabaran, anda akhirnya akan mendapatkan [CH3CH2CO]+ – yang dihasilkan dari fragmentasi ini:

Anda akan mendapatkan hasil yang sama, dimanapun anda memecah ion molekuler, di sisi kiri maupun kanan gugus CO.

Puncak m/z = 29 dihasilkan oleh ion etil – yang sekali lagi dapat dibentuk dengan memecah ion molekuler pada bagian lain gugus CO.

Tinggi puncak dan stabilitas ion

Ion yang lebih stabil akan lebih disukai pembentukannya. Makin banyak ion yang terbentuk, makin tinggi puncaknya. Kita akan melihat dua contoh yang umum untuk hal ini.

Contoh yang melibatkan karbokation (ion karbonium)Meringkas kesimpulan paling penting dari halaman karbokation:

Urutan stabilitas karbokation

primer < sekunder < tersier

Menerapkan logika ini untuk pola fragmentasi, artinya bahwa pemecahan yang menghasilkan karbokation sekunder akan lebih berhasil dibanding primer. Pemecahan yang menghasilkan karbokation tersier akan lebih disukai lagi.Sekarang lihatlah pada spektrum massa 2-metilbutana. 2-metilbutana adalah isomer dari pentana – isomer adalah molekul dengan rumus molekul sama, tetapi berbeda dalam pengaturan susunan atom-atomnya.

Pertama lihatlah pada puncak yang sangat kuat pada m/z = 43. Ini disebabkan oleh ion yang berbeda, tak ada hubungannya dengan puncak dalam spektrum massa pentana. Puncak ini dalam 2-metilbutana disebabkan oleh:

Ion yang terbentuk adalah karbokation sekunder – mempunyai dua gugus alkil yang menempel pada karbon yang bermuatan positif. Ini relatif stabil.

Puncak pada m/z = 57 lebih tinggi daripada garis yang ada pada pentana. Sekali lagi karbokation dibentuk – sekarang, dengan:

Anda akan mendapatkan ion yang sama, tentu, jika tangan kiri gugus CH3 pecah tanpa bagian bawah seperti yang kita gambarkan.

Dua spektra berikut, mungkin merupakan contoh paling menarik dari stabilitas karbokation sekunder.

Contoh yang melibatkan ion asilium, [RCO]+

Ion dengan muatan positif pada karbon dari gugus karbonil, C=O, juga relatif stabil. Ini terlihat sangat jelas dalam spektra massa keton seperti pentan-3-on.

Puncak dasar, pada m/z=57, disebabkan oleh ion [CH3CH2CO]+. Kita telah membicarakannya pada fragmentasi yang menghasilkan ini.Menggunakan spektra massa untuk membedakan antar senyawaAndaikan anda diminta untuk menunjukkan cara membedakan antara pentan-2-on dan pentan-3-on menggunakan spektra massanya.

pentan-2-on CH3COCH2CH2CH3

pentan-3-on CH3CH2COCH2CH3

Masing-masing akan terpecah untuk menghasilkan ion dengan muatan positif pada gugus CO.

Pada kasus pentan-2-on, ada dua ion yang berbeda:

[CH3CO]+

[COCH2CH2CH3]+

Yang akan memberikan garis yang kuat pada m/z = 43 dan 71.

Dengan pentan-3-on, anda hanya akan mendapatkan satu ion yang sejenis:

[CH3CH2CO]+

Anda akan mendapatkan garis yang kuat pada 57.

Anda tak perlu khawatir dengan garis-garis lain pada spektra – garis 43, 57, dan 71 memberikan anda banyak perbedaan diantara keduanya. Garis 43 dan 71 tidak ada pada spektrum pentan-3-on, dan garis 57 tidak ada pada spektrum pentan-2-on.Kedua spektra terlihat seperti ini:

Pencocokan komputer terhadap spektra massa

Seperti yang anda lihat, spektrum massa senyawa organik, bahkan yang sangat mirip pun, akan berbeda karena fragmentasi yang berbeda dapat terjadi. Tersedia bagi anda basis data spektra massa, beberapa spektrum yang tak diketahui dapat dianalisis dengan komputer dan dicocokkan dengan basis data.

Gunakan fasilitas pencarian kata dibawah ini untuk mencari kata di chem-is-try.org

Spektra Massa – Puncak Ion Molekuler (M+)Halaman ini menjelaskan

bagaimana menentukan massa rumus relatif (massa molekul relatif) suatu senyawa organik dari spektrum massanya. Halaman ini juga menunjukkan bagaimana spektrum massa resolusi tinggi dapat dipakai untuk menentukan rumus molekul suatu senyawa.

Menggunakan spektrum massa untuk menentukan massa rumus relatif

Pembentukan ion molekuler

Ketika sampel organik yang teruapkan melewati kamar ionisasi spektrometer massa, uap akan ditembak oleh berkas elektron. Elektron-elektron ini mempunyai energi yang cukup untuk mengeluarkan sebuah elektron dari molekul organik untuk membentuk ion positif. Ion ini disebut ion molekuler.Ion molekuler disimbolkan dengan M+ atau – titik pada versi yang kedua menunjukkan fakta bahwa pada ion terdapat elektron tunggal tak berpasangan. Merupakan setengah dari pasangan elektron dalam keadaan normal – setengah yang lain dihilangkan pada proses ionisasi.Ion molekuler cenderung tidak stabil dan pecah menjadi fragmen-fragmen yang lebih kecil. Fragmen-fragmen ini menghasilkan diagram garis. Fragmentasi tidak relevan dibahas di halaman ini – kita lebih memfokuskan pada ion molekuler.Menggunakan ion molekuler untuk menentukan massa rumus relatifPada spektrum massa, ion paling berat (ion dengan nilai m/z paling besar) akan dianggap sebagai ion molekuler. Beberapa senyawa mempunyai spektra massa yang tidak mengandung puncak ion molekuler, karena semua ion molekuler pecah menjadi fragmen-fragmen.

Sebagai contoh, pada spektrum massa pentana, ion paling berat mempunyai m/z 72.

Karena nilai m/z terbesar adalah 72, itu menunjukkan ion terbesar yang melewati spektrometer massa – dan anda dapat menganggap itu sebagai

ion molekuler. Karena itu, massa rumus relatif senyawa tersebut adalah 72.Menentukan massa rumus relatif (massa molekul relatif) dari spektrum massa adalah mudah. Carilah puncak dengan nilai m/z tertinggi, nilai itu merupakan massa rumus relatif senyawa.Dengan demikian, ada kerumitan yang muncul karena kemungkinan ada isotop yang berbeda (misal pada karbon, klorin, atau bromin) pada ion molekuler. Kasus ini dibahas di halaman terpisah.Menggunakan spektrum massa untuk menentukan rumus molekulSejauh ini kita telah melihat nilai m/z pada spektrum massa sebagai angka keseluruhan, tetapi mungkin juga untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat dengan menggunakan spektrometer massa resolusi tinggi. Anda dapat menggunakannya untuk informasi yang lebih akurat tentang massa ion molekuler untuk mengetahui rumus molekul suatu senyawa.

Massa-massa isotop yang akurat

Untuk fungsi perhitungan normal, anda cenderung untuk menggunakan massa isotop relatif. Sebagai contoh, anda terbiasa dengan angka-angka:

1H 112C 1214N 1416O 16

Untuk 4 angka desimal, dengan demikian, ini adalah massa isotop relatifnya:

1H 1.007812C 12.000014N 14.003116O 15.9949

Nilai karbon adalah 12.0000, tentu, karena semua massa unsur lain dihitung terhadap skala karbon-12 yang didasarkan pada isotop karbon-12 yang mempunyai massa tepat 12.

Menggunakan nilai yang akurat ini untuk menentukan rumus molekul

Dua senyawa organik sederhana mempunyai massa rumus relatif 44 – propena, C3H8, dan etanal, CH3CHO. Dengan spektrometer massa resolusi tinggi, anda dapat dengan mudah menentukan senyawa yang manakah yang anda miliki.

Pada spektrometer massa resolusi tinggi, puncak ion molekuler untuk dua

senyawa memberikan nilai m/z sebagai berikut:

C3H8 44.0624CH3CHO 44.0261

Anda dapat dengan mudah mengecek dengan menambahkan angka-angka dari tabel massa isotop relatif yang akurat di atas.

Pertanyaan yang mungkin di ujian

Suatu gas diketahui hanya mengandung unsur-unsur dari daftar berikut:

1H 1.007812C 12.000014N 14.003116O 15.9949

Pada spektrometer massa resolusi tinggi gas tersebut mempunyai puncak ion molekuler pada m/z = 28.0312. Gas apakah itu?

Setelah sedikit berhitung, anda akan mendapatkan 3 gas yang memiliki massa rumus relatif mendekati 28 dan yang mengandung unsur-unsur dari daftar. Yaitu N2, CO dan C2H4.

Perhitungan massa rumus relatifnya secara akurat diperoleh:

N2 28.0062CO 27.9949C2H4 28.0312

Jelas gas itu adalah C2H4.

Gunakan fasilitas pencarian kata dibawah ini untuk mencari kata di chem-is-try.org

Spektra Massa – Puncak M+1Halaman ini menjelaskan bagaimana puncak M+1 pada spektrum massa dapat digunakan untuk memperkirakan banyaknya atom karbon dalam suatu senyawa organik.Apakah yang menyebabkan puncak M+1?Apakah puncak M+1 itu?

Jika anda mempunyai spektrum massa yang lengkap (bukan yang disederhanakan), anda akan menemukan garis kecil sebesar 1 unit m/z di sebelah kanan puncak utama ion molekuler. Puncak kecil ini disebut puncak M+1.

Dalam soal untuk tingkat ini (tingkat A di Inggris atau yang sederajat), puncak M+1 sering dihilangkan untuk menghindari kebingungan – terutama jika anda diminta untuk menentukan massa rumus relatif suatu senyawa dari puncak ion molekuler.

Isotop karbon-13

Puncak M+1 disebabkan oleh adanya isotop 13C dalam molekul. 13C adalah isotop karbon yang stabil – jangan keliru dengan isotop 14C yang merupakan radioaktif. Karbon-13 menyusun 1,11% dari seluruh atom karbon.

Jika anda mempunyai senyawa sederhana seperti metana, CH4, kira-kira 1 dalam tiap 100 molekul ini akan mengandung karbon-13 di samping karbon-12 yang sudah umum. Artinya dalam tiap 100 molekul metana terdapat 1 molekul yang mempunyai massa 17 (13+4) bukan 16 (12+4).

Spektrum massa akan mempunyai garis yang menunjukkan ion molekuler [13CH4]+ dan [12CH4]+.

Garis pada m/z = 17 akan lebih kecil daripada garis pada m/z = 16 karena isotop karbon-13 lebih jarang diperoleh. Secara statistik anda akan memperoleh perbandingan 1 ion yang lebih berat untuk tiap 99 ion yang lebih ringan. Itulah mengapa puncak M+1 lebih kecil daripada puncak M+.

Menggunakan puncak M+1

Apakah yang terjadi jika terdapat lebih dari 1 atom karbon dalam suatu senyawa?

Bayangkan suatu senyawa mengandung 2 atom karbon. Pada keduanya,

kira-kira 1 dalam 100 kesempatan terdapat 13C.

Karena itu 2 dalam 100 kesempatan dari molekul secara keseluruhan mengandung satu atom 13C bukan atom 12C atom – sisanya, 98 dalam 100 peluang dari kedua atom adalah 12C.

Itu artinya bahwa perbandingan tinggi puncak M+1 terhadap puncak M+ kira-kira 2 : 98. Ini cukup jelas, puncak M+1 kira-kira 2 % dari tinggi puncak M+.Menggunakan tinggi puncak relatif untuk memprediksi banyaknya atom karbonJika ada sejumlah kecil atom karbon

Jika anda menghitung tinggi puncak M+1 sebagai persentase tinggi puncak dari puncak M+, itu dapat memberikan anda banyaknya atom karbon dalam suatu senyawa.

Kita telah melihat bahwa suatu senyawa dengan 2 karbon akan mempunyai puncak M+1 kira-kira 2 % dari tinggi puncak M+.

Dengan cara yang sama, anda dapat menunjukkan bahwa suatu senyawa dengan 3 karbon akan mempunyai puncak M+1 kira-kira 3 % dari tinggi puncak M+.

Dengan jumlah atom karbon yang lebih besar

Perkiraan yang kita buat tidak akan dapat dipakai untuk lebih dari 2 atau 3 karbon. Bagian atom karbon yang berupa 13C bukanlah 1 % tapi 1,11 %. Dan perkiraan bahwa rasio 2 : 98 adalah sekitar 2% tidak berlaku ketika jumlah yang kecil ini meningkat.

Perhatikan sebuah molekul dengan 5 karbon di dalamnya. Anda akan mendapatkan bahwa 5,55 (5×1,11) molekul mengandung 1 13C untuk tiap 94,45 (100 – 5,55) yang hanya mengandung atom 12C. Jika anda mengubah tinggi puncak M+1 sebagai persentase dari puncak M+, anda mendapatkan jawaban 5,9 % (5,55/94,45 x 100). Itu cukup mendekati 6 % yang memungkinkan munculnya kesalahan, anda akan beranggapan ada 6

atom karbon.

Jika lebih dari 3 atom karbon, anda jangan yakin dengan perkiraan bahwa tinggi puncak M+1 sebagai persentase dari tinggi puncak M+ yang menunjukkan banyaknya karbon – anda perlu melakukan beberapa penjumlahan kecil yang agak rumit!

Gunakan fasilitas pencarian kata dibawah ini untuk mencari kata di chem-is-try.org

Spektra Massa – Puncak M+2Halaman ini menjelaskan bagaimana puncak M+2 pada suatu spektrum massa muncul dengan adanya atom klorin dan bromin dalam suatu senyawa organik. Halaman ini juga menjelaskan sedikit tentang adanya puncak M+4 pada senyawa yang mengandung dua atom klorin.Pengaruh atom klorin dan bromin pada spektrum massa senyawa organikSenyawa yang mengandung atom klorin

Satu atom klorin dalam suatu senyawa

Puncak ion molekuler (M+ dan M+2) masing-masing mengandung satu atom klorin – tetapi klorin dapat berupa dua isotop klorin, 35Cl dan 37Cl.Ion molekuler yang mengandung isotop 35Cl mempunyai massa rumus relatif 78. Sedangkan yang mengandung 37Cl mempunyai massa rumus relatif 80 – oleh karena itu ada dua garis pada m/z = 78 dan m/z = 80.

Perhatikan bahwa perbandingan tinggi puncaknya 3 : 1. Hal itu menunjukkan fakta bahwa klorin mengandung isotop 35Cl 3 kali lebih banyak daripada isotop 37Cl. Itu artinya bahwa akan ada 3 kali lebih banyak molekul yang mengandung isotop yang lebih ringan daripada yang lebih berat.

Jadi . . . jika anda melihat pada daerah ion molekuler, dan menemukan

dua puncak terpisah sejauh 2 unit m/z dan perbandingan tinggi puncaknya 3 : 1, itu menunjukkkan pada anda bahwa molekul tersebut mengandung 1 atom klorin.

Anda dapat juga melihat pola yang sama pada spektrum massa di atas yaitu pada m/z = 63 dan m/z = 65. Pola itu disebabkan oleh ion fragmen yang juga mengandung satu atom klorin – yang dapat berupa 35Cl atau 37Cl. Fragmentasi yang menghasilkan ion itu adalah:

Dua atom klorin dalam suatu senyawa

Garis-garis pada daerah ion molekuler (pada m/z 98, 100, dan 102) muncul karena adanya berbagai kombinasi isotop klorin yang mungkin. Karbon dan hidrogen menambah 28 – jadi berbagai ion molekuler yang mungkin adalah:

28 + 35 + 35 = 9828 + 35 + 37 = 100

28 + 37 + 37 = 102

Jika anda memahami matematika, anda dapat menunjukkkan bahwa peluang dari penyusunan ini muncul dengan perbandingan 9:6:1 – dan ini adalah perbandingan tinggi puncak. Jika anda tidak mengetahui benar matematika, cukup mengetahui perbandingan ini saja!

Jadi . . . jika anda mempunyai 3 garis pada daerah ion molekuler ( M+, M+2, dan M+4) dengan jarak masing-masing 2 unit m/z, dan dengan perbandingan tinggi puncak 9:6:1, maka senyawa tersebut mengandung 2 atom klorin.

Senyawa yang mengandung atom bromin

Bromin mempunyai dua isotop, 79Br dan 81Br dengan perkiraan perbandingan 1 : 1 (50,5 : 49,5 jika anda ingin lebih rumit!). Itu artinya bahwa suatu senyawa yang mengandung 1 atom bromin akan mempunyai dua puncak dalam daerah ion molekuler, tergantung pada isotop bromin mana yang terdapat pada ion molekuler.

Tidak seperti senyawa yang mengandung klorin, di sini dua puncak akan mempunyai tinggi yang hampir sama.

Karbon dan hidrogen akan menambah 29. Oleh karena itu nilai m/z puncak M+ dan M+2 adalah:

29 + 79 = 10829 + 81 = 110

Jadi . . . jika anda mempunyai dua garis pada daerah ion molekuler dengan jarak 2 unit m/z dan dengan tinggi yang hampir sama, itu menunjukkan keberadaan atom bromin dalam suatu molekul.

Gunakan fasilitas pencarian kata dibawah ini untuk mencari kata di chem-is-try.org