Spektrofotometri Infra Merah

SPEKTROFOTOMETRI INFRA MERAH
2008

I. Pendahuluan

Atom-atom di dalam suatu molekul tidak diam melainkan bervibrasi (bergetar). Energi dari kebanyakan vibrasi molekul berhubungan dengan daerah infra merah. Vibrasi molekul dapat dideteksi dan diukur pada spektrum infra merah. Bila radiasi infra merah dilewatkan melalui suatu cuplikan, maka molekul-molekulnya dapat menyerap (mengabsorbsi) energi dan terjadilah transisi diantara tingkat vibrasi dasar (ground state) dan tingkat vibrasi tereksitasi (excited state). Pengabsorbsian energi pada berbagai frekuensi dapat dideteksi oleh spektrometer infra merah, yang memplot jumlah radiasi infra merah yang diteruskan melalui cuplikan sebagai fungsi frekuensi (atau panjang gelombang) radiasi. Plot itu disebut spektrum infra merah yang akan memberikan informasi penting tentang gugus fungsional suatu molekul.
Maka di dalam makalah ini nanti akan dijelaskan lebih lanjut tentang pengertian infra merah, alat dan sistem kerja dan juga daerah-daerah sidik jari.

II. Pembahasan

2.1 Pengertian Spektrofotometri Inframerah
Spektrofotometri Infra Red atau Infra Merah 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. Radiasi elektromagnetik dikemukakan pertama kali oleh James Clark Maxwell, yang menyatakan bahwa cahaya secara fisis merupakan gelombang elektromagnetik, artinya mempunyai vektor listrik dan vektor magnetik yang keduanya saling tegak lurus dengan arah rambatan.

Saat ini telah dikenal berbagai macam gelombang elektromagnetik dengan rentang panjang gelombang tertentu. Spektrum elektromagnetik merupakan kumpulan spektrum dari berbagai panjang gelombang. Berdasarkan pembagian daerah panjang gelombang pada Tabel 1 dan Gambar 2, sinar infra merah dibagi atas tiga daerah, yaitu:
a. Daerah Infra Merah dekat.
b. Daerah Infra Merah pertengahan.
c. Daerah infra merah jauh.

Dari pembagian daerah spektrum elektromagnetik tersebut diatas, daerah panjang gelombang yang digunakan pada alat spektrofotometer infra merah adalah pada daerah infra merah pertengahan, yaitu pada panjang gelombang 2,5 – 50 µm atau pada bilangan gelombang 4.000 – 200 cm-1. Satuan yang sering digunakan dalam spektrofotometri infra merah adalah Bilangan Gelombang ( ϋ) atau disebut juga sebagai Kaiser.

2.2 Pembentukan Spektrofotometri Infra Merah
Anda mungkin tahu bahwa cahaya yang bisa kita lihat itu terdiri dari gelombang elektromagnetik dengan frekuensi yang berbeda-beda, setiap frekuensi tersebut bisa dilihat sebagai warna yang berbeda. Radiasi Infra-merah juga merupakan gelombang dengan frekuensi yang berkesinambungan, hanya saja mata kita tidak bisa melihat mereka. Jika anda menyinari sebuah senyawa organik dengan sinar infra-merah yang mempunyai frekuensi tertentu, anda akan mendapatkan bahwa beberapa frekuensi tersebut diserap oleh senyawa tersebut. Sebuah alat pendetektor yang diletakkan di sisi lain senyawa tersebut akan menunjukkan bahwa beberapa frekuensi melewati senyawa tesebut tanpa diserap sama sekali, tapi frekwensi lainnya banyak diserap. Berapa banyak frekuensi tertentu yang melewati senyawa tersebut diukur sebagai 'persentasi transmitasi' (percentage transmittance). Persentasi transmitasi dengan nilai 100 berarti semua frekuensi dapat melewati senyawa tersebut tanpa diserap sama sekali. Pada kenyataannya, itu tidak pernah terjadi, selalu akan ada penyerapan, walaupun kecil, mungkin transmitasi sebesar 95% adalah yang terbaik yang bisa anda peroleh. Transmitasi sebesar 5% mempunyai arti bahwa hampir semua frekuensi tersebut diserap oleh senyawa itu. Tingginya penyerapan seperti ini akan membuat kita mengerti tentang ikatan-ikatan yang ada dalam senyawa tersebut. Grafik di bawah ini menunjukkan bagaimana nilai persentasi transmitasi berubah jika frekuensi dari radiasi Infra-merah yang diberikan itu dirubah.

2.3 Macam-macam Vibrasi

a.Vibrasi Regangan (Streching)
Dalam vibrasi ini atom bergerak terus sepanjang ikatan yang menghubungkannya sehingga akan terjadi perubahan jarak antara keduanya, walaupun sudut ikatan tidak berubah. Vibrasi regangan ada dua macam, yaitu:
1. Regangan Simetri, unit struktur bergerak bersamaan dan searah dalam satu bidang datar.
2. Regangan Asimetri, unit struktur bergerak bersamaan dan tidak searah tetapi masih dalam satu bidang datar.

b. Vibrasi Bengkokan (Bending)
Jika sistim tiga atom merupakan bagian dari sebuah molekul yang lebih besar, maka dapat menimbulkan vibrasi bengkokan atau vibrasi deformasi yang mempengaruhi osilasi atom atau molekul secara keseluruhan. Vibrasi bengkokan ini terbagi menjadi empat jenis, yaitu :
1. Vibrasi Goyangan (Rocking), unit struktur bergerak mengayun asimetri tetapi masih dalam bidang datar.
2. Vibrasi Guntingan (Scissoring), unit struktur bergerak mengayun simetri dan masih dalam bidang datar.
3. Vibrasi Kibasan (Wagging), unit struktur bergerak mengibas keluar dari bidang datar.
4. Vibrasi Pelintiran (Twisting), unit struktur berputar mengelilingi ikatan yang menghubungkan dengan molekul induk dan berada di dalam bidang datar.

2.4 Alat dan Sistem Kerja

Spektrometer infra merah biasanya merupakan spektrometer berkas ganda dan terdiri dari 4 bagian utama yaitu sumber radiasi, daerah cuplikan, kisi difraksi (monokromator), dan detektor.

2.4.1 Sumber Radiasi
Radiasi infra merah biasanya dihasilkan oleh pemijar Nernst dan Globar. Pemijar Globar merupakan batangan silikon karbida yang dipanasi sekitar 1200°C, sehingga memancarkan radiasi kontinyu pada daerah 1-40 µm. Globar merupakan sumber radiasi yang sangat stabil. Pijar Nernst merupakan batang cekung dari sirkonium dan yttrium oksida yang dipanasi sekitar 1500°C dengan arus listrik. Sumber ini memancarkan radiasi antara 0,4-20 µm dan kurang stabil jika dibandingkan dengan Globar.

2.4.2 Monokromator
Monokromator ini terdiri dari sistem celah masuk dan celah keluar, alat pendespersi yang berupa kisi difraksi atau prisma, dan beberapa cermin untuk memantulkan dan memfokuskan sinar. Bahan yang digunakan untuk prisma adalah natrium klorida, kalium bromida, sesium bromida dan litium fluorida. Prisma natrium klorida paling banyak digunakan untuk monokromator infra merah, karena dispersinya tinggi untuk daerah antara 5,0-16 µm, tetapi dispersinya kurang baik untuk daerah antara 1,0-5,0 µm.

2.4.3 Detektor
Sebagian besar alat modern menggunakan detektor panas. Detektor fotolistrik tidak dapat digunakan untuk menggunakan infra merah karena energi foton infra merah tidak cukup besar untuk membebaskan elektron dari permukaan katoda suatu tabung foton. Detektor panas untuk mendeteksi infra merah yaitu termokopel, bolometer, dan sel Golay. Ketiga detektor ini bekerja berdasarkan efek pemanasan yang ditimbulkan oleh sinar infra merah.

2.4.4 Daerah Cuplikan
Daerah cuplikan infra merah dapat terdiri dari 3 jenis yaitu cuplikan yang berbentuk gas, cairan dan padatan. Gaya intermolekul berubah nyata dari bentuk padatan ke cairan ke gas dan spektrum infra merah biasanya menunjukkan pengaruh dari perbedaan ini dalam bentuk pergeseran frekuensi. Oleh karena itu, sangat penting untuk dicatat pada spektrum cara pengolahan cuplikan ynag dilakukan.

2.4.5 Sistem Kerja
Sinar dari sumber dibagi dalam 2 berkas yang sama, satu berkas melalui cuplikan dan satu berkas lainnya sebagai baku. Fungsi model berkas ganda adalah mengukur perbedaan intensitas antara 2 berkas pada setiap panjang gelombang. Kedua berkas itu dipantulkan pada ”chopper” yang berupa cermin berputar. Hal ini menyebabkan berkas cuplikan dan berkas baku dipantulkan secara bergantian ke kisi difraksi. Kisi difraksi berputar lambat, setiap frekuensi dikirim ke detektor yang mengubah energi panas menjadi energi listrik.
Jika pada suatu frekuensi cuplikan menyerap sinar maka detektor akan menerima intensitas berkas baku yang besar dan berkas cuplikan yang lemah secara bergantian. Hal ini menimbulkan arus listrik bolak-balik dalam detektor dan akan diperkuat oleh amplifier. Jika cuplikan tidak menyerap sinar, berarti intensitas berkas cuplikan sama dengan intensitas berkas baku dan hal ini tidak menimbulkan arus bolak-balik, tetapi arus searah. Amplifier dibuat hanya untuk arus bolak=balik.

Arus bolak-balik yang terjadi ini digunakan untuk menjalankan suatu motor yang dihubungkan dengan suatu alat penghalang berkas sinar yang disebut baji optik. Baji optik ini oleh motor dapat digerakkan turun naik ke dalam berkas baku sehingga akan mengurangi intensitasnya yang akan diteruskan ke detektor. Baji optik ini digerakkan sedemikian jauh ke dalam berkas baku sehingga intensitasnya dikurangi dengan jumlah yang sama banyaknya dengan jumlah pengurangan intensitas berkas cuplikan, jika cuplikan melakukan penyerapan. Gerakan baji ini dihubungkan secara mekanik dengan pena alat rekorder sehingga gerakan baji ini merupakan pita serapan pada spektrum tersebut.
Secara singkat sistem kerjanya seperti ini sebuah cuplikan ynag ditempatkan di dalam spektrofotometer infra merah dan dikenai radiasi infra merah yang berubah panjang gelombangnya secara berkesinambungan menyerap cahaya jika radiasi yang masuk bersesuaian dengan energi getaran molekul tertentu. Spektrofotometer infra merah memayar daerah rentangan dan lenturan molekul. Penyerapan radiasi dicatat dan menghasilkan sebuah spektrum infra merah. Hadirnya sebuah puncak serapan dalam daerah gugus fungsi sebuah spektrum infra merah hampir selalu merupakan petunjuk pasti bahwa beberapa gugus fungsi tertentu terdapat dalam senyawa cuplikan. Demikian pula, tidak adanya puncak dalam bagian tertentu dari daerah gugus fungsi sebuah spektrum infra merah biasanya berarti bahwa gugus tersebut yang menyerap pada daerah itu tidak ada.

2.5 Daerah-Daerah Sidik Jari

Spektrum infra merah mengandung banyak serapan yang berhubungan dengan sistem vibrasi yang berinteraksi dalam suatu molekul memberikan pita-pita serapan yang berkarakteristik dalam spektrumnya. Corak pita ini disebut sebagai daerah sidik jari.
2.5.1 Alkana
Pita yang nampak di dalam spektra infra merah alkana disebabkan oleh stecthing C-H di daerah 2850-3000 cm-1, scissoring CH2 dan CH3 di daerah 1450-1470 cm-1, rocking CH pada kurang lebih 1370-1380 cm-1, dan pita rocking pada 720-725 cm-1.
2.5.2 Alkena
Alkena biasanya mengabsorbsi di daerah 3050-3150 cm-1. bentuk C=C alkena terjadi di daerah 1645-1670 cm-1. Vibrasi bonding C-H di luar bidang terjadi di antara 650-1000 cm-1. Untuk alkena ujung vibrasi-vibrasi ini jelas sekali dan nampak diantara 890-990 cm-1.
2.5.3 Alkuna
Alkuna ujung memperlihatkan pita stretching C-H yang tajam pada 3300-3320 cm-1 dan bentuk bonding C-H yang jelas pada 600-700 cm-1. Streching C≡C pada alkuna ujung nampak pada 2100-2140 cm-1 dengan intensitas sedang. Untuk streching C≡C alkuna dalam berupa pita lemah yang terjadi pada 2200-2260 cm 1.
2.5.4 Alkil halida
Ciri absorbsi alkil halida adalah pita yang disebabkan oleh C-X. Posisi untuk pita-pita ini adalah 1000-1350 cm_1 untuk C-F,750-850 cm-1 untuk C-Cl, 500-680 cm-1 untuk C-Br, dan 200-500 cm-1 untuk C-I.
2.5.5 Alkohol dan Eter
Alkohol dan eter mempunyai ciri absorbsi infra merah karena streching C-O di daerah 1050-1200 cm-1. Dan streching O-H alkohol terjadi di daerah 3200-3600 cm-1. Sedangkan pada t-butil alkohol streching O-H sangat kuat yang berpusat pada 3360 cm-1.
2.4.6 Asam etanoat
Asam etanoat mempunyai struktur sebagai berikut:



Dari struktur diatas dapat diketahui bahwa senyawa tersebut terdiri dari ikatan-ikatan sebagai berikut:
Ikatan rangkap karbon-oksigen, C=O
Ikatan tunggal karbon-oksigen, C-O
Ikatan oksigen-hidrogen, O-H
Ikatan karbon-hidrogen, C-H
Ikatan tunggal carbon-carbon, C-C
Ikatan karbon-karbon mempunyai penyerapan cahaya yang terjadi pada gelombang dalam jangkauan yang luas didalam 'Area sidik jari' sehingga sangat sulit untuk membedakan spektrum infra-merahnya.
Ikatan tunggal karbon-oksigen juga mempunyai penyerapan dalam 'Area sidik jari', yang berkisar antara 1000 - 1300cm-1,tergantung pada molekul yang mempunyai ikatan tersebut. Ikatan-ikatan lainnya dalam asam etanoat ini dapat diketahui secara mudah dengan memperhatikan penyerapan di luar area sidik jari.
Ikatan C-H (dimana hidrogen tersebut menempel pada karbon yang mempunyai ikatan tunggal dengan unsur-unsur lainnya) menyerap sinar pada jangkauan sekitar 2853-2962 cm-1. Karena ikatan ini terdapat pada sebagian besar senyawa ornganik, maka ini sangatlah tidak bisa diandalkan. Ikatan rangkap antara karbon-oksigen, C=O, adalah salah satu penyerapan yang sangat berguna, yang bisa anda temukan pada daerah sekitar 1680-1750 cm-1. Posisinya sedikit terpengaruh oleh jenis senyawa yang mempunyai ikatan tersebut.
Ikatan lainnya yang sangat berguna adalah ikatan O-H. Ikatan ini menyerap sinar yang berbeda-beda, tergantung pada kondisi lingkungannya. Ikatan ini akan sangat mudah dikenali dalam sebuah asam karena akan menghasilkan lembah yang sangat luas pada daerah sekitar 2500-3300 cm-1.
Spektrum infra-merah untuk asam etanoat adalah sebagai berikut:

2.4.7 Propanon

Anda akan berpikir bahwa grafik ini sangat mirip dengan spektrum infra-merah etil etanolat dan ester. Karena tidak ada lembah yang disebabkan oleh ikatan O-H, dan karena adanya penyerapan tegas yang disebabkan oleh ikatan C=O pada daerah sekitar 1700cm-1. Golongan aldehid akan mempunyai spektrum infra-merah yang sama dengan golongan keton.
2.4.8 Asam 2-hidroksipropanoat (asam laktat)

Grafik ini sangat menarik, karena mempunyai dua macam ikatan O-H dimana yang satu terikat pada asam dan yang satunya lagi merupakan 'alkohol' yang terikat pada rantai golongan -COOH.
Ikatan O-H dalam golongan asam timbul pada daerah sekitar 2500-3300, sedangkan yang terikat pada rantai pada daerah sekitar 3230-3550cm-1. Bila digabungkan, akan menjadi lembah dengan jangkauan yang sangat besar meliputi daerah 2500-3550cm-1. Perhatikan juga bahwa keberadaan ikatan C=O yang kuat pada daerah sekitar 1730cm-1.

2.4.9 1-aminobutan

Amine primer ini mempunyai group -NH2 yang juga termasuk ikatan N-H. Penyerapan group ini timbul pada daerah sekitar 3100-3500cm-1.Dua lembah tersebut (ciri khas amine primer) bisa dilihat secara jelas pada spektrum sebelah kiri dari penyerapan oleh C-H.

III. Kesimpulan
1. Spektrum infra merah berguna untuk mendeteksi adanya gugus fungsi dalam senyawa organik.
2. Daerah di bawah frekuensi 650 cm-1 dinamakan infra merah jauh. Sedangkan daerah di atas frekuensi 4000 cm-1 dinamakan infra merah dekat.
3. Monokromator terdiri dari celah masuk dan celah keluar yang berupa kisi difraksi atau prisma.
4. Detektor panas digunakan untuk mendeteksi sinar infra merah..
5. Spektrum infra merah mengandung banyak serapan yang berhubungan dengan sistem vibrasi yang berinteraksi dalam suatu molekul memberikan pita-pita serapan yang berkarakteristik dalam spektrumnya. Corak pita ini disebut sebagai daerah sidik jari.

IV. Penutup

Demikian makalah yang dapat kami sampaikan tentunya banyak sekali kekurangan yang terdapat pada makalah kami, oleh karena itu kritik dan saran yang bersifat membangun sangat kami harapkan agar kami dapat belajar dari kekurangan kami.

Daftar Pustaka
http://persembahanku.wordpress.com/2007/06/26/spektrofotometri-infra-merah/
http://www.chem-is-try.org/index.php?sect=belajar&ext=analisis02_01
http://www.chem-is-try.org/index.php?sect=belajar&ext=analisis02_03

Stanley H. Pine, dkk. Kimia Organik 1. Edisi ke 4, ITB Bandung, Bandung 1988

Sudjadi, Penentuan Struktur Senyawa Organik. Ghalia Indonesia, Bandung 1983

Sumar Hendana, dkk. Kimia Analitik Instrumen. IKIP Semarang Press, Semarang 1994