Prinsip

 

Banyak inti (atau lebih tepat, inti dengan paling tidak jumlah proton atau neutronnya ganjil) dapat dianggap sebagai magnet kecil. Inti seperti proton (¹H atau H-1) dan inti karbon-13 (¹³C atau C-13; kelimpahan alaminya sekitar 1%). Karbon -12 (¹²C), yang dijadikan standar penentuan massa, tidak bersifat magnet.

Bila sampel yang mengandung ¹H atau ¹³C (bahkan semua senyawa organik) ditempatkan dalam medan magnet, akan timbul interaksi antara medan magnet luar tadi dengan magnet kecil (inti). Karena ada interaksi ini, magnet kecil akan terbagi atas dua tingkat energi (tingkat yang sedikit agak lebih stabil (+) dan keadaan yang kurang stabel (-)) yang energinya berbeda. Karena dunia inti adalah dunia mikroskopik, energi yang berkaitan dengan inti ini terkuantisasi, artinya tidak kontinyu. Perbedaan energi antara dua keadaan diberikan oleh persamaan.

H kuat medan magnet luar (yakni magnet spektrometer), h tetapan Planck, γ tetapn khas bagi jenis inti tertentu, disebut dengan rasio giromagnetik dan untuk proton nilainya 2,6752 x 10⁸ kg^-1 s A (A= amper)??

Bila sampel disinari dengan gelombang elektromagnetik ν yang berkaitan dengan perbedaan energi E, yakni,

inti dalam keadaan (+) mengabsorbsi energi ini dan tereksitasi ke tingkat energi (-). Proses mengeksitasi inti

dalam medan magnetik akan mengabsorbsi energi (resonansi) disebut nuclear magnetic resonance (NMR)??

Frekuensi gelombang elektromagnetik yang diabsorbsi diungkapkan sebagai fungsi H.

Bila kekuatan medan magnet luar, yakni magnet spektrometer, adalah 2,3490 T(tesla; 1 T = 23490 Gauss), ν yang diamati sekitar 1 x 10⁸ Hz = 100 MHz??ilai frekuensi ini di daerah gelombang mikro.

Seacara prinsip, frekuensi gelombang elektromagnetik yang diserap ditentukan oleh kekuatan magnet dan jenis inti yang diamati. Namun, perubahan kecil dalam frekuensi diinduksi oleh perbedaan lingkungan kimia tempat inti tersebut berada. Perubahan ini disebut pergeseran kimia.

Dalam spektroskopi ¹H NMR, pergeseran kimia diungkapkan sebagai nilai relatif terhadap frekuensi absorpsi (0 Hz) tetrametilsilan standar (TMS) (CH₃)₄Si??ergeseran kimia tiga jenis proton dalam etanol CH₃CH₂OH adalah sekitar 105??25 dan 490 Hz bila direkam dengan spektrometer dengan magnet 2 1140 T (90 MHz) (Gambar 13.6(a))??arena frekuensi absorpsi proton adalah 0,9 x 10⁸Hz (90 MHz), pergeseran kimia yang terlibat hanya bervariasi sangat kecil.

Gambar 13.6 1H spektra NMR etanol CH3CH2OH (a) spektrum resolusi rendah,

(b) resolusi tinggi. Garis bertangga adalah integral intensitas absorpsi.

Frekuensi resonansi (frekuensi absorpsi) proton (atau inti lain) sebanding dengan kekuatan magnet spektrometer. Perbandingan data spektrum akan sukar bila spektrum yang didapat dengan magnet berbeda kekuatannya. Untuk mencegah kesukaran ini, skala δ, yang tidak bergantung pada kekuatan medan magnet, dikenalkan. Nilai δ didefinisikan sebagai berikut.

ν perbedaan frekuensi resonansi (dalam Hz) inti yang diselidiki dari frekuensi standar TMS (dalam banyak kasus) dan ν frek uensi (dalam Hz) proton ditentukan oleh spektrometer yang sama. Anda harus sadar bahwa Hz yang muncul di pembilang dan penyebut persamaan di atas dan oleh karena itu saling meniadakan. Karena nilai ν/ν sedemikian kecil, nilainya dikalikan dengan 10⁶. Jadi nilai δ diungkapkan dalam satuan ppm.

Untuk sebagian besar senyawa, nilai δ proton dalam rentang 0-10 ppm. Nilai δ tiga puncak etanol di Gambar 13. 6 adalah 1,15; 3,6 dan 5,4??

Penemuan pergeseran kimia memberikan berbagai kemajuan dalam kimia. Sejak itu spektroskopi NMR telah menjadi alat yang paling efektif untuk menentukan struktur semua jenis senyawa. Pergeseran kimia dapat dianggap sebagai ciri bagian tertentu struktur. Misalnya, pergeseran kimia proton dalam gugus metil sekitar 1 ppm apappun struktur bagian lainnya. Lebih lanjut, seperti yang ditunjukkan di Gambar 13.6, dalam hal spektra ¹H NMR, intensitas sinyal terintegrasi sebanding dengan jumlah inti yang relevan dengan sinyalnya. Hal ini akan sangat membantu dalam penentuan struktur senyawa organik.

Kopiling spin-spin

Bahkan bila pergeseran kimia adalah satu-satunya informasi yang dihasilkan oleh spektroskopi NMR, nilai informasi dalam penentuan struktural senyawa organik sangat besar maknanya. Selain itu, spektroskopi NMR dapat memberikan informasi tambahan, yakni informasi yang terkait dengan kopling spin-spin.

Sebagaimana sudah Anda pelajari, tingkat energi inti (yakni, proton) terbelah menjadi keadaan berenergi tinggi dan rendah. Selain itu, tingkat-tingkat energi ini membelah lebih lanjut karena interaksi dengan inti tetangganya (inti-inti adalah magnet-magnet sangat kecil juga). Pembelahan ini sangat kecil tetapi akan memiliki akibat yang penting, yakni, pembelahannya tidak dipengaruhi oleh kekuatan medan magnet spektrometer. Pembelahannya hanya bergantung pada interaksi inti-inti.

Bila spektrum ¹H NMR etanol diukur dengan kondi si lebih baik (uakni resolusi lebih baik), sinyal CH₃- dan CH₂- tebelah menjadi multiplet (Gambar 13.6(b)). Pembelahan ini karena adanya kopling spin-spin antar proton. Spektra yang menunjukkan pembelahan kopling spin-spin ini disebut spektra resolusi tinggi. Sedang spektra yang tidak menunjukkan pembelahan ini disebut spektra resolusi rendah.

•    Pertanyaan dan jawaban mengenai Spektroskopi NMR

1. Apa yang dimaksud dengan magnet kecil?

Jawab : yang dimaksud adalah inti (atau lebih tepat, inti dengan paling tidak jumlah proton atau neutronnya ganjil)

2. Bagaimana terjadinya interaksi medan magnet?

Jawab : Bila sampel yang mengandung ¹H atau ¹³C (bahkan semua senyawa organik) ditempatkan dalam medan magnet, akan timbul interaksi antara medan magnet luar tadi dengan magnet keci.

3. Jelaskan Teori Spektroskopi NMR secara prinsip!

Jawab : Seacara prinsip, frekuensi gelombang elektromagnetik yang diserap ditentukan oleh kekuatan magnet dan jenis inti yang diamati. Namun, perubahan kecil dalam frekuensi diinduksi oleh perbedaan lingkungan kimia tempat inti tersebut berada. Perubahan ini disebut pergeseran kimia.

4. Apa kegunaan dari teori Spektroskopi NMR?

Jawab : Dapat mengetahui nilai informasi dalam penentuan struktural senyawa organik sangat besar maknanya. Selain itu, spektroskopi NMR dapat memberikan informasi tambahan, yakni informasi yang terkait dengan kopling spin-spin.

5. Gambarkan sketsa spektra ¹H NMR resolusi rendah dengan grafik batang!

(a) etil asetat CH₃COOCH₂CH₃, (b) isopropil asetat CH₃COOCH(CH₃)2

Jawab : Lihat Gambar berikut, angka di samping angka dalam tanda kurung menunjukkan jumlah proton yang relevan.

Spektroskopi adalah ilmu yang mempelajari materi dan atributnya berdasarkan cahaya, suara atau partikel yang dipancarkan, diserap atau dipantulkan oleh materi tersebut. Spektroskopi juga dapat didefinisikan sebagai ilmu yang mempelajari interaksi antara cahaya dan materi. Dalam catatan sejarah, spektroskopi mengacu kepada cabang ilmu dimana "cahaya tampak" digunakan dalam teori-teori struktur materi serta analisa kualitatif dan kuantitatif. Dalam masa modern, definisi spektroskopi berkembang seiring teknik-teknik baru yang dikembangkan untuk memanfaatkan tidak hanya cahaya tampak, tetapi juga bentuk lain dari radiasi elektromagnetik dan non-elektromagnetik seperti gelombang mikro, gelombang radio, elektron, fonon, gelombang suara, sinar x dan lain sebagainya.

Spektroskopi umumnya digunakan dalam kimia fisik dan kimia analisis untuk mengidentifikasi suatu substansi melalui spektrum yang dipancarkan atau yang diserap. Alat untuk merekam spektrum disebut spektrometer. Spektroskopi juga digunakan secara intensif dalam astronomi dan penginderaan jarak jauh. Kebanyakan teleskop-teleskop besar mempunyai spektrograf yang digunakan untuk mengukur komposisi kimia dan atribut fisik lainnya dari suatu objek astronomi atau untuk mengukur kecepatan objek astronomi berdasarkan pergeseran Doppler garis-garis spektral.

salah satu jenis spektroskopi adalah spektroskopi infra merah (IR). spektroskopi ini didasarkan pada vibrasi suatu molekul.

A. Metode spektroskopi inframerah

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

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

B. spektroskopi dengan sinar ultraviolet (UV) dan sinar tampak (VIS)

Umumnya spektroskopi dengan sinar ultraviolet (UV) dan sinar tampak (VIS) dibahas bersama karena sering kedua pengukuran dilakukan pada waktu yang sama. Karena spektroskopi UV-VIS berkaitan dengan proses berenergi tinggi yakni transisi elektron dalam molekul, informasi yang didapat cenderung untuk molekul keseluruhan bukan bagian-bagian molekulnya.

Metoda ini sangat sensitif dan dengan demikian sangat cocok untuk tujuan analisis. Lebih lanjut,spetroskopi UV-VIS sangat kuantitatif dan jumlah sinar yang diserap oleh sampel diberikan oleh ungkapan hukum Lambert-Beer. Menurut hukum ini, absorbans larutan sampel sebanding dengan panjang lintasan cahaya d dan konsentrasi larutannya c.

•    Pertanyaan dan jawaban mengenai Metode Spektrokopik

1. Jelaskan definisi dari Spektrokopik?

Jawab : ilmu yang mempelajari materi dan atributnya berdasarkan cahaya, suara atau partikel yang dipancarkan, diserap atau dipantulkan oleh materi tersebut. Spektroskopi juga dapat didefinisikan sebagai ilmu yang mempelajari interaksi antara cahaya dan materi

2. Apa kegunaan dari Ilmu Spektrokopik?

Jawab : Pada umumnya digunakan untuk mengidentifikasi suatu substansi melalui spektrum yang dipancarkan atau yang diserap

3.  Jelaskan yang dimaksud dengan Metode spektroskopi inframerah?

Jawab :  merupakan suatu metode yang meliputi teknik serapan (absorption), teknik emisi (emission), teknik fluoresensi (fluorescence). Karena adanya hubungan antara struktur molekul dengan inframerah dengan ditemukannya gugus metil dalam suatu molekul akan memberikan serapan karakteristik yang tidak dipengaruhi oleh susunan molekulnya.

4. Tuliskan rumus  yang digunakan untuk menghitung besarnya energi yang diserap oleh ikatan pada gugus fungs! Jelaskan!

Jawab :  Rumus "E = h.ν = h.C /λ = h.C / v"

Keterangan :

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

5. Jelaskan yang dimaksud dengan metode spektroskopi dengan sinar ultraviolet (UV), & sinar tampak (VIS)

Jawab :  Metode spektroskopi UV-VIS berkaitan dengan proses berenergi tinggi yakni transisi elektron dalam molekul, informasi yang didapat cenderung untuk molekul keseluruhan bukan bagian-bagian molekulnya.