Spektroskopi inframerah

Spektroskopi 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.

Dasar Teori

Metode spektroskopi inframerah merupakan suatu metode yang meliputi teknik serapan (absorption), teknik emisi (emission), teknik fluoresensi (fluorescence). Komponen medan listrik yang banyak berperan dalam spektroskopi umumnya hanya komponen medan listrik seperti dalam fenomena transmisi, pemantulan, pembiasan, dan penyerapan. Penemuan infra merah ditemukan pertama kali oleh William Herschel pada tahun 1800. Penelitian selanjutnya diteruskan oleh Young, Beer, Lambert dan Julius melakukan berbagai penelitian dengan menggunakan spektroskopi inframerah. 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. Dapat berupa eksitasi elektronik, vibrasi, atau rotasi. Rumus yang digunakan untuk menghitung besarnya energi yang diserap oleh ikatan pada gugus fungsi adalah:

E = h.ν = h.C /λ = h.C / v
E = energi yang diserap
h = tetapan Planck = 6,626 x 10^-34 Joule.det
v = frekuensi
C = kecepatan cahaya = 2,998 x 10⁸ m/det
λ = panjang gelombang
ν = bilangan gelombang

Berdasarkan pembagian daerah panjang gelombang (Tabel 1), sinar inframerah dibagi atas tiga daerah yaitu:

a. Daerah infra merah dekat
b. Daerah infra merah pertengahan
c. Daerah infra merah jauh

Tabel 1. Daerah panjang gelombang

Jenis	Panjang gelombang	Interaksi	Bilangan gelombang
Sinar gamma	< 10 nm	Emisi Inti
sinar-X	0,01 - 100 A	Ionisasi Atomik
Ultra ungu (UV) jauh	10-200 nm	Transisi Elektronik
Ultra ungu (UV) dekat	200-400 nm	Transisi Elektronik
sinar tampak (spektrum optik)	400-750 nm	Transisi Elektronik	25.000 - 13.000 cm^-1
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
Gelombang mikro	0,1 - 100 cm	serapan inti	10 - 0,01 cm^-1
Gelombang radio	1 - 1.000 meter	Serapan Inti

Dari pembagian daerah spektrum elektromagnetik tersebut di atas, daerah panjang gelombang yang digunakan pada alat spektroskopi inframerah adalah pada daerah inframerah pertengahan, yaitu pada panjang gelombang 2,5 – 50 µm atau pada bilangan gelombang 4.000 – 200 cm^-1 . Daerah tersebut adalah cocok untuk perubahan energi vibrasi dalam molekul. Daerah inframerah yang jauh (400-10cm^-1, berguna untuk molekul yang mengandung atom berat, seperti senyawa anorganik tetapi lebih memerlukan teknik khusus percobaan.

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 murah
b. Dapat digunakan untuk mengidentifikasi gugus fungsional dalam molekul (Tabel 2)
c. Spektrum inframerah yang dihasilkan oleh suatu senyawa adalah khas dan oleh karena itu dapat menyajikan sebuah fingerprint (sidik jari) untuk senyawa tersebut.

Tabel 2. Serapan Khas Beberapa Gugus fungsi

Gugus	Jenis Senyawa	Daerah Serapan (cm^-1)
C-H	alkana	2850-2960, 1350-1470
C-H	alkena	3020-3080, 675-870
C-H	aromatik	3000-3100, 675-870
C-H	alkuna	3300
C=C	alkena	1640-1680
C=C	aromatik (cincin)	1500-1600
C-O	alkohol, eter, asam karboksilat, ester	1080-1300
C=O	aldehida, keton, asam karboksilat, ester	1690-1760
O-H	alkohol, fenol(monomer)	3610-3640
O-H	alkohol, fenol (ikatan H)	2000-3600 (lebar)
O-H	asam karboksilat	3000-3600 (lebar)
N-H	amina	3310-3500
C-N	amina	1180-1360
-NO₂	nitro	1515-1560, 1345-1385

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

Vibrasi tekuk itu sendiri dibagi lagi menjadi empat:

1. Scissoring
2. Rocking
3. Wagging
4. Twisting

Symmetrical stretching	Antisymmetrical stretching	Scissoring	Rocking	Wagging	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 adalah

1. Perlu 3 derajat kebebasan untuk translasi
2. Perlu 3 derajat kebebasan untuk rotasi

Jadi tersisa (3N – 6) kemungkinan jenis vibrasi

Vibrasi untuk Molekul linier

1. Perlu 3 derajat kebebasan untuk translasi
2. 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 adalah 3 (3)- 5 = 4 jenis vibrasi

Penggunaan dan Aplikasi

Spektroskopi 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 mikroelektronik^[1]: untuk contoh, spektroskopi inframerah dapat digunakan untu semikonduktor seperti silikon, gallium arsenida, gallium nitrida, zinc selenida, silikon amorp, silikon nitrida, dan sebagainya.

Efek isotop

Isotop yang berbeda memberikan bilangan gelombang yang berbeda pada spektroskopi inframerah. Seperti contoh frekuensi regangan O-O memberikan nilai 832 dan 788 cm ^-1 untuk ν(¹⁶O-¹⁶O) dan ν(¹⁸O-¹⁸O) melalui hubungan O-O sebagai sebuah spring, bilangan gelombang,ν dapat dihitung:

\nu ={\frac {1}{2\pi }}{\sqrt {\frac {k}{\mu }}}

dimana k nilai konstan untuk ikatan, dan μ massa tereduksi untuk sistem A-B

\mu ={\frac {m_{A}m_{B}}{m_{A}+m_{B}}}

( $m_{i}$ massa dari atom $i$ ).

Massa reduksi untuk ¹⁶O-¹⁶O dan ¹⁸O-¹⁸O dapat diperkirakan antara 8 dan 9. Sehingga

{\frac {\nu _{^{16}O}}{\nu _{^{18}O}}}={\sqrt {\frac {9}{8}}}\approx {\frac {832}{788}}.

Daerah Identifikasi

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.

Persiapan Sampel

Ada berbagai tehnik untuk persiapan sampel, bergantung pada bentuk fisik sampel yang akan dianalisis.

A. Padat

Jika zat yang akan dianalisis berbentuk padat, maka ada dua metode untuk persiapan sampel ini, yaitu melibatkan penggunaan Nujol mull atau pelet KBr.

- 1. Nujol Mull

Cara 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 sodium klorida(NaCl) (plat ini tidak mengabsorbsi inframerah pada wilayah tersebut). Kemudian plat ditempatkan dalam tempat sampel pada alat spektroskopi inframerah untuk dianalisis.

- 2. Pelet KBr

Sedikit 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. Cairan

Bentuk 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. Gas

Untuk menghasilkan sebuah spektrum inframerah pada gas, dibutuhkan sebuah sel silinder 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.^[2]

Penafsiran Spektrum Inframerah

Untuk penafsiran spektrum inframerah tidak ada aturan kaku. Namun syarat-syarat tertentu yang harus dipenuhi sebagai upaya untuk menafsirkan suatu spektrum adalah

1. Spektrum harus terselesaikan dan intensitas cukup memadai
2. Spektrum diperoleh dari senyawa murni
3. Spektrofotometer harus dikalibrasi sehingga pita yang teramati sesuai dengan frekuensi atau panjang gelombangnya. Kalibrasi dapat dilakukan dengan menggunakan standar yang dapat diandalkan, seperti polystyrene film.
4. Metode persiapan sampel harus ditentukan. Jika dalam bentuk larutan, maka konsentrasi larutan dan ketebalan sel harus ditunjukkan.^[3]

lihat juga

Pustaka

^ Lau, W.S. (1999). karakterisasi inframerah untuk mikroelektronik. World Scientific.
^ Silverstein, R.M. (1991). spectrometric identification of organic compound. John wiley & Sons, Inc.
^ Silverstein, R.M. (1991). spectrometric identification of organic compound. John wiley & Sons, Inc.

Pranala luar

A useful gif animation of different vibrational modes: here
Infrared spectroscopy for organic chemists
Organic compounds spectrum database
Spektrofotometri infra merah: [1]
Metoda spektroskopik: [2]
Spektroskopi: [3]
Spektroskopi infra merah: [4]
Basic infrared spectroscopy: [5]
Infra Red: [6]

[1] Lau, W.S. (1999). karakterisasi inframerah untuk mikroelektronik. World Scientific.

[2] Silverstein, R.M. (1991). spectrometric identification of organic compound. John wiley & Sons, Inc.

[3] Silverstein, R.M. (1991). spectrometric identification of organic compound. John wiley & Sons, Inc.

[1]

[2]

[3]