Inframerah-new.docx

FTIR

Healthy Kainama

INFRAMERAH (IR)

Pendahuluan Setiap senyawa yang memiliki ikatan kovalen (senyawa organik dan anorganik) akan meyerap berbagai radiasi gelombang elektromagnetik dalam daerah spektrum inframerah. Daerah spektrum inframerah terletak pada panjang gelombang yang lebih panjang bila dibandingkan daerah sinar tampak (400 nm – 800 nm; 1nm = 109nm), tetapi terletak pada panjang gelombang yang lebih pendek daripada gelombang mikro (> 1nm) Tabel 1.1 Tipe energi transisi dalam setiap daerah spektrum elektromagnetik No 1

Daerah Spekrtum Sinar X

Transisi energy Pemecahan ikatan

2

Ultraviolet/tampak

Elektronik

3

Inframerah

Vibrasi

4

Gelombang mikro

Rotasi

5

Frekwensi radio

Rotasi inti (resonansi magnetik inti Rotasi elektron (resonansi putaran elektron)

Seperti halnya dengan bentuk penyerapan energi yang lain maka molekul akan tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi bila menyerap radiasi infra merah. Penyerapan radiasi inframerah merupakan proses kuantisasi. Hanya frekwensi (energi) tertentu dari radiasi inframerah akan diserap oleh molekul. Penyerapan radiasi inframerah sesuai dengan perubahan energi dari 2 – 10 Kkal/mol. Radiasi dalam kisaran energi ini sesuai dengan kisaran frekwensi vibrasi rentangan (streching) dan vibrasi bengkokan (bending) dari ikatan kovalen dalam berbagai molekul. Dalam proses penyerapan energi maka energi yang diserap akan menaikkan amplitudo gerakan vibrasi ikatan dalam molekul. Namun demikian, tidak semua ikatan dalam molekul akan menyerap energi inframerah walaupun frekwensi radiasi tetap sesuai dengan gerakan ikatan. Hanya ikatan yang mempunyai momen dipol dapat menyerap radiasi inframerah. Karena setiap tipe ikatan yang berbeda akan mempunyai sifat frekwensi yang berbeda dan tipe ikatan yang sama dalam dua senyawa yang berbeda terletak dalam lingkungan yang agak berbeda, maka tidak ada dua molekul yang berbeda strukturnya akan memiliki bentuk serapan inframerah atau spektrum inframerah yang tepat sama. Kegunaan:

1

FTIR

Healthy Kainama

1. Pelacakan bentuk sidik jari (finger printing); membandingkan spektrum inframerah dua senyawa. Jika puncak spektrum inframerah dua senyawa tepat sama maka dalam banyak hal kedua senyawa tersebut identik. 2. Memberikan keterangan tentang molekul. Serapan setiap tipe ikatan ( N–H, C–H, O–H, C–X, C=O, C–O, C–C, C=C, C=N) hanya diperoleh dalam bagian-bagian tertentu dari daerah vibrasi inframerah.

▪ Ragam Vibrasi Rentangan dan Bengkokan Gerakan vibrasi dalam molekul yang aktif inframerah yaitu yang menyebabkan ragam rentangan dan bengkokan Frekwensi radiasi inframerah kurang dari 100 cm-1 diserap dan dikonversi oleh molekul organik menjadi energi vibrasi molekular. Penyerapan ini terkuantisasi tetapi vibrasi spektra muncul sebagai pita-pita daripada garis karena perubahan energi vibrasi tunggal disertai oleh sejumlah energi rotasional. Pita-pita vibrasi-rotasi partikel terjadi antara 4000 dan 400 cm-1. Frekwensi atau panjang gelombang serapan tergantung pada massa atom relatif. Konstanta gaya ikatan dan geometri atom-atom. Posisi pita dalam IR ditunjukkan dengan bilangan gelombang () dalam cm-1. Intensitas pita dinyatakan sebagai transmitans (T) atau absorbans (A). Transimitans merupakan perbandingan radiasi energi yang tertransmisi oleh sample menjadi energi radiasi pada sampel. A adalah logaritma; A = log 1/T. Ahli kimia organik biasanya melaporkan intensitas sebagai bagian yang semikuantitatif; s = kuat, m = medium, w = lemah).

Gambar 1. Intesitas peak 1-heksanol

Vibrasi molekular memiliki tipe streching (rentangan) dan bending (bengkokan). Vibrasi streching adalah gerakan berirama sepanjang sumbu seperti jarak antar molekul yang naik turun. Vibrasi bending menunjukkan perubahan sudut ikatan antara ikatan – 2

FTIR

Healthy Kainama

ikatan yang umumnya atau gerakan kumpulan atom-atom yang terkait dengan molekul yang tidak bergerak. Seperti; twisting, roking dan vibrasi torsional yang menyebabkan perubahan sudut ikatan

+

+

+

wagging

Rocking

Symetric streching Antisymetric streching

-

Twisting

Scissoring

In-plane bending

out-plane bending

Vibrasi molecular dapat terjadi melalui dua mekanisme yang berbeda. 

Radiasi IR terkuantisasi dapat mengeksitasi atom dan menyebabkan vibrasi – serapan radiasi IR meningkat dan menghasilkan spektrum IR



Cahaya tampak yang terkuantisasi dapat menghasilkan hasil yang sama yaitu efek Raman.

Kebanyakan molekul organik menghasilkan spektra vibrasi. Secara sederhana ditunjukkan vibrasi ikatan kovalen molekul diatomik

▪ Ikatan Hidrogen Ikatan hidrogen dapat terjadi dalam berbagai sistem yang mengandung gugus donor proton (X –H) dan akseptor proton (Y:) jika orbital s suatu proton mengalami 3

FTIR

Healthy Kainama

overlaping secara efektif dengan orbital p atau  suatu gugus akseptor proton. Atom X dan Y: bersifat elektronegatifitas dan Y dengan pasangan elektron bebas.Gugus donor proton yang umum dalam molekul organik adalah –C=O, –OH, –NH3, dan –ONH2 sedangkan gugus akseptor proton yang umum adalah O, N, dan X. Gugus tak jenuh C=C merupakan akseptor proton. Ikatan hidrogen yang kuat maksimum ketika gugus donor proton dan pasangan elektron bebas berada linear pada sumbu. Kekuatan ikatan menurun

dengan dengan

meningkatnya jarak ikatan X dan Y. Ikatan hidrogen mengubah konstanta gaya kedua gugus selanjutnya frekwensi streching dan bending keduanya berubah. Pita untuk X–H stretc pada frekwensi rendah ( besar) dengan intensitas meningkat dan pita lebar. Frekwensi streching gugus akseptor seperti pada C=O menjadi berkurang daripada gugus donor proton. Vibrasi H–X bending bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek ketika terjadi ikatan; pergeseran ini kurang tegas daripada frekwensi streching. Spektrofotometer IR double-beam modern mengandung lima bagian yang prinsip: sumber (radiasi), area sampling, fotometer, monokromator dan detektor. Cahaya dari sumber dilewatkan melalui cuplikan, dipecah menjadi frekwensi-frekswensi indinvidu dalam monokromator dan intensitas relatif dari frekwensi individu diukur oleh detektor. Sumber cahaya; umum digunakan adalah batangan yang dipanaskan oleh listrik berupa: Nerst filamen (campuran oksida dari Zr,Y,Er dll), dan globar (silikon karbida). Monokromator; Monokromator yang digunakan berupa prisma dan grating. Prisma yang digunakan adalah NaCl (transparan dibawah 625 cm-1, halida logam lain untuk frekwensi rendah seperti CsI atau campuran ThBr dan ThI dikenal dengan KRS-5. Peranan prisma dan grating adalah dalam meresolusi spektrum dan dapat dibuat dari berbagai bahan. Tabel 3 Hubungan antara bahan prisma dan dan daerah jangkauan frekwensi Bahan prisma

Daerah frekwensi (cm-1)

Daerah panjang gelombang ( )

Gelas

>3500

Quarts

>2680

2,86

CaF2

5000-1300

2,0 – 7,7

SiF

5000-1700

2,0 – 5,7

NaCl

5000-650

2,0 – 15,4

KBr (CsBr)

1100-285

9,0 – 35

CsI

1000-200

9,0 – 50

< 3,5

4

FTIR

Healthy Kainama

Pada umumnya grating memberikan daya pisah yang lebih baik daripada prisma frekwensi tinggi. Kelemahan NaCl adalah bersifat higroskopis hingga cermin-cermin perlu dilindungi dari kondensasi uap. Detektor; yang digunakan adalah detektor thermopile dengan dasar kerja: hubungan ujung kepala dan ekor dua kawat yang berbeda menyebabkan arus mengalir dalam kawat. Arus berbading lurus dengan intensitas radiasi yang jatuh pada thermophile.

Motor (G) Amplifier (F)

Rekorder(J) Wage (H) Detektor

Celah (E) Sumber cahaya (A) Chopper (C ) Cuplikan Monokromator (grating) (D)

Berkas sinar (B)

Gambar 2 Diagram spektrometer inframerah

Diagram alat spektrometer inframerah double beam (Gambar 1) dan cara penanganan yang sederhana sebagai berikut: sinar dari sumber cahaya (A) dipecah menjadi dua berkas cahaya yang sama, salah satu (B) dilewatkan melalui cuplikan (berkas cahaya cuplikan, yang lain berkelakuan sebagai cahaya referensi. Fungsi dari double beam adalah mengukur perbedaan insentitas antara dua berkas cahaya pada setiap panjang gelombang. Dua cahaya kemudian dipantulkan ke chopper (C) yang terdiri dari cermin yang dapat berputar, chopper yang berputar (10 kali perdetik) dapat menyebabkan berkas cahaya cuplikan dan referensi dipantulkan bergantian ke grating monokromator (D). Grating berputar perlahan-lahan dan mengirimkan frekwensi-frekwensi individu ke detektor termophile (E) yang mengubah energi (panas) menjadi energi listrik. Bila cuplikan yang telah menyerap sinar dari frekwensi tertentu maka detektor akan menerima bergantian dari chopper berkas sinar yang kuat (berkas sinar referensi) dan berkas sinar yang lemah (berkas sinar cuplikan). Hal ini akan memberikan arus bolak-balik yang

5

FTIR

Healthy Kainama

mengalir dari detektor dan amplifier (F), amplifier dibuat hanya untuk memperkuat arus bolak-balik. Amplifier dihubungkan dengan motor (G) yang mendorong cermin wedge (H) ke berkas sinar referensi hingga detektor menerima sinar dengan intensitas yang sama. Intensitas pita serapan dalam spketrum IR adalah kuat (s), medium (m), lemah (w )atau tak menentu (v). Absorbansi suatu cuplikan pada frekwensi tertentu adalah A = log (Io / I) dengan Io dan I adalah intensitas cahaya sebelum dan sesudah mengadakan interaksi dengan cuplikan. Transmitansi; T = I /Io Hubungan antara absorbansi dengan transmitansi: A = log (1 / T). Jenis-jenis cuplikan: gas, cairan, padatan (pelet KBr, mull, film/lapisan tipis) dan larutan (karbon tetraklorida, karbondisulfida, kloroform). Tabel 4. Serapan karakteristik IR beberapa Gugus Fungsional Intensitas Gugus Fungsional Frekwensi (cm-1) serapan Alkana,gugus alkil m-s 2850 - 2960 C H Alkena m 3020 - 3100 C H C

C

1650 - 1670

m

3300

s

2100 - 2260

m

C H C

C

C

Cl

C C

Br I

600 - 800 500 - 600

s

500

s

s

Alkohol O C

H O

3400 - 3460 1050 - 1150

s, lebar s

3030

m

1600,1500

s

3310 - 3500

m

1030,1230

m

1670 - 1780

s

Amina H

C N Senyawa karbonil C

Alkil halida

Intensitas Frekwensi (cm-1) serapan

Aromatik

N

Alkuna C H C C

Gugus Fungsional

O

Asam karboksilat O

H

2500 - 3100

s, sangat lebar

2210 - 2260

m

1540

s

Nitril C

N

Senyawa nitro NO2

Aplikasi IR 1.Dalam Bidang Kimia 

Analisis kuantitatif khususnya untuk analisis gugus fungsional dan bersama – sama alat spektroskopi lainnya untuk menentukan struktur senyawa baru.



Analisis kuantitatif dengan IR meliputi jenis sampel yang cukup luas, misalnya ketidak jenuhan asam lemak dalam minyak atau lemak, kandungan minyak bumi dalam air atau tanah dan lain-lain

6

FTIR

Healthy Kainama



Secara teoritis penggunaan FTIR untuk menguji sifat paramagnetik suatu senyawa dan penentuan energi vibrasi dan rotasi suatu molekul. Sebagai contoh: hasil isomerisasi alkileugenol (AE) menjadi alkilisoeugenol (AIE). Keduanya dibedakan dari hilangnya serapan C = C terminal (1637,5 cm-1) pada AE dan munculnya serapan pada 958 cm-1 sebagai ciri vibtrasi lengkung H – C = C trans

Gambar

Gambar

Spektrum Alkileugenol

Spektrum Alkilisoeugenol

7

FTIR

3.

Healthy Kainama

Lingkungan

FTIR dapat digunakan untuk mendeteksi cemaran udara 4.

Dalam industri cat

Untuk identifikasi kandungan air dan jenisnya dalam cat dasar dari suatu permukaan logam. Dengan menggunakan teknik specular reflectance. Adanya serapan tajam pada spektrum di atas di daerah 3700 cm1, menunjukkan adanya air kristal yang terperangkap dalam cat dasar 5.

Dalam Bidang Pertanian

Analisis kandungan air, lemak dan protein dalam suatu produk makanan dapat ditentukan dengan cepat menggunakan FTIR

Perkembangan menarik lain dalam IR adalahlkannya teknik spektroskopi IR dekat (NIR). Pada NIR spektrum senyawa menunjukkan kombinasi antara senyawa overtone , vibrasi fundamental dan rotasi. Pita kombinasi ini umumnya spesifik untuk komponen daripada jenis ikatan kimia, sehingga memungkinkan untuk analisis suatu campuran kompleks

Gambar Spektrum NIR sampel daging Populenya teknik NIR dikalangan industri terutama karena sampel dapat diukur dalam keadaan padat dengan cara pantulan dan dapat dilakukan dengan mudah. Berbeda dengan IR yang lazim, dalm NIR jendela sel dibuat dari quartz sehingga tahan terhadap pelarut khususnya air dan goresan. Aplikasi industrinya sangat luas diantaranya petrokimia (minyak bumi), kimia ( polimer), farmasi ( larutan obat), kedokteran ( lemak dan iar tubuh ), makanan ( lemak, protein dan air) dan pertanian (tanah dan gandum).

8

FTIR

Healthy Kainama

Interpretasi Spektrum FTIR

Gambar 3. Spektrum IR Toluena

Gambar 2 Benzaldehida Gambar 4. Spektrum IR benzaldehida

Gambar 5. Spektrum IR Benzofenon

9

FTIR

Healthy Kainama

10

FTIR

Healthy Kainama

Latihan 1. Untuk spektrum IR berikut, tunjukkan pita serapan dan gugus fungsional masingmasing

I

II

III

IV

11

FTIR

Healthy Kainama

V

VI

VII

12

FTIR

Healthy Kainama

2. Dua macam komponen penyusun minyak sereh mempunyai rumus molekul sama. Spektrum IR untuk komponen A (C10H12O) mempunyai pita serapan kuat pada1720ncm-1 dan lemah pada 1460 cm-1 disamping daerah pita C –H lemah di dekat 3500 cm-1,2800 dan 2700 cm-1. Komponen B mempunyai serapan kuat di dekat 3500 cm-1 dan serapan lemah pada 3050 dan 1640 cm-1. Senyawa A dapat direduksi menjadi senyawa B. Tunjukkan masing-masing gugus fungsional pada senyawa A dan B.

13

FTIR

Healthy Kainama

14