SPEKTROFOTOMETRI UV-VIS

Teori – Analisis kualitatif

DIFINISI DAN SATUAN

• Spektroskopi, adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari tentang pengukuran spektra, mulai dari pemisahan, deteksi dan perekaman perubahan energi pada aras inti, atom dan molekul

• μm = 10-6 m, satuan utk daerah IR• nm = 10-9 m, satuan utk daerah UV-Vis• Å = 10-10 m, satuan utk daerah sinar-X

RADIASI ELEKTROMAGNET

•Radiasi elektromagnet adalah suatu jenis energi yang dilewatkan melalui ruang sebagai gelombang yang dipindahkan pada kecepatan yang sangat tinggi •Gelombang ini mempunyai berbagai bentuk yang disebut spektrum elektromagnetik. Contoh spektrum elektromagnetik antara lain : sinar-gamma, sinar-X, radiasi UV-Vis, IR, microwave dan radio-wave.

Sifat-sifat Radiasi Elektromagnetik (REM)

1- Sifat sebagai gelombangGelombang diperikan dalam istilah panjang gelombang (), jarak antara dua maksima atau dua minima yang berurutan atau diperikan dalam istilah frekuensi (), jumlah bilangan medan osilasi per detik.

Kecepatan cahaya, c, dapat ditulis dalam persamaan sbb. :

c =

Satuan lain yang umum digunakan adalah bilangan gelombang, yang linear dengan energi:

2- Sifat sebagai partikel

REM dapat dipadang sebagai aliran paket gelombang diskrit (terputus-putus) dari suatu partikel tertentu yang disebut foton.

Energi E dari foton berbanding lurus dengan frekuensi radiasi

E = hdimana:

h = tetapan Planck (6.626 x 10-34 J dt)

= frekuensi dari radiasi (jumlah getar dalam = cm-1 )

Energi berbading terbalik dengan panjang gelombang

• Daerah ultraviolet antara 10 - 380 nm• Daerah UV yang berguna dalam analisis adalah 200 - 380

nm, disebut daerah ultraviolet dekat atau daerah UV quartz

• Daerah tampak (Vis) terletak di antara 380 – 780 nm• Daerah infrared (IR) berada di antara 0.78μm - 300 μm.• Daerah infrared-dekat (IR) terletak di antara 0.80μm - 2.5

μm.• Daerah infrared-jauh (IR) terletak di antara 2.5μm to 16

μm.

Bagaimana benda menyerap radiasi?

Jika cahaya polikromatis (cahaya putih), yang

menyerap berisi seluruh spektrum panjang

gelombang di daerah tampak, melewati suatu obyek

yang menyerap panjang gelombang tertentu,

maka panjang gelombang yang lain akan diteruskan.

Panjang gelombang sisa, yang diteruskan ini terlihat

sebagai warna obyek tersebut. Warna ini adalah

warna komplemen dari warna gelombang yang

diserap tadi.

Absorpsi dan Emisi

nm Warna Komplemen

~180-380 UV -

400-435 Violet Kuning-kehijauan

435-480 Biru Kuning

480-490 Biru-kehijauan Oranye

490-500 Hijau-kebiruan Merah

500-560 Green Purple

560-580 Kuning-kehijauan Violet

580-595 Kuning Biru

595-650 Oranye Biru-hijau

650-750 Merah Hijau-kebiruan8

SpektrumVisible

UV

Pertanyaan?• Mengapa larutan ini merah?

9

Karena larutan menyerap komponen hijau-kebiruan dari sinar datang yang berwarna putih, sehingga yang diteruskan adalah komplemen dari warna hijau-kebiruan, yaitu merah.

SPEKTROFOTOMETER

•Mengukur jumlah intensitas warna biru yang diserap

KOLORIMETER

•Mengukur intensitas warna merah

Absorpsi adalah suatu proses dimana spesies kimia (atom, ion atau molekul), yang berada dalam medium transparan, secara selektif memperlemah frekuensi tertentu dari REM.

Spectrum absorsi adalah plot/kurva dari jumlah cahaya yang diserap oleh sampel sebagai fungsi panjang gelombang.

Pada suhu kamar sebagian besar bahan berada pada energi terendahnya, yang disebut dalam kedudukan ground state. Jika spesies ini menyerap REM maka ia akan dinaikkan ke kedudukan energi yang lebih tinggi atau pada kedudukan tereksitasi.

Kedudukan tereksitasi ini adalah kedudukan peralihan/transisi, sehingga dalam sekejap spesies akan kehilangan energi yang didapatkan tadi, kemudian ia kembali ke kedudukan semula/ground state, dengan proses yang disebut relaksasi. Proses relaksasi dilakukan dengan cara melepaskan sebagai panas saat bertabrakan dengan elektron tetangga, atau terkadang dengan cara emisi radiasi “seketika” gelombang cahaya ini disebut resonansi (jika λeks = λemisi), atau fluoresensi (jika λeks < λemisi) atau fosforesensi (jika emisinya tertunda).

So

S1

S2

T1

Diagram transisi energi molekul antrasen

TES0 S2

TES0 S1

VR

VR

IC

F

ISCVR

O2 - Q

ICFF

h

E = h =

255 350 425 680402380

TR

GS

Spektrum Atom SpektrumMolekul

Spektrum atom (dlm bentuk gas) terdiri dari beberapa garis/pita tipis terpisah

Serapan molekul di daerah UV atau visible teridiri dari kumpulan pita saling berdempetan membentuk puncak spt gunung

• Jika molekul dikenai radiasi foton UV atau Vis maka

terjadilah eksitasi ke aras energi electron yang lebih tinggi

pada salah satu aras vibrasinya

• Energi foton yang terabsorpsi adalah Eex-Eg= h

• Radiasi UV / VIS menimbulkan transisi electron beserta vibrasi dan

rotasinya.

• Jika senyawa dikenai radiasi IR hanya terjadi transisi vibrasi dan

rotasi di aras ground state saja

• Microwave dapat menimbulkan transisi rotasi saja.

• Radiasi Ultraviolet dan visible mempunyai energi yang cukup untuk

menimbulkan transisi dari elektron terluar/valensi

• Jika sejumlah besar energi diserap oleh senyawa tertentu maka

ikatannya dapat putus terbentuklah senyawa baru. Proses ini disebut

fotolisis. Hal ini dapat terjadi oleh UV-jauh, karena energinya cukup

tinggi melebihi energi pembentukan ikatan tertentu tersebut.

• Energi total molekul adalah

Etotal = Eelectron + Evibrasi + Erotasi

JENIS TRANSISI

Electron dalam molekul dapat diklasifikasi menjadi empat jenis:1.Closed-shell electrons yang tidak berperan dalam ikatan. Elektron ini memerlukan energi eksitasi yang sangat tinggi, sehingga tidak ikut dalam serapan di daerah radiasi UV-Vis2.Paired nonbonding outer-shell electrons (n electrons) misalnya pada N,O,S dan halogen. Jenis ini dapat dieksitasi di daerah radiasi UV-Vis3.Covalent single-bond electrons (σ, atau sigma electrons). Elektron ini memerlukan energi eksitasi yang tinggi untuk ikut dalam serapan di daerah radiasi UV-Vis (mis., ikatan valensi tunggal pada HC jenuh ---CH—CH2-)4.Electrons π (pi) orbitals, mis, ikatan rangkap dua atau rangkap tiga. Jenis inilah yang mudah dieksitasi dan paling bertanggung jawab dalam spektra elektron di darah UV-Vis.

• Molekul umumnya juga mempunyai lintasan yang tidak terisi,

yang disebut orbital antibonding; ini merupakan aras energi

tereksitasi, yaitu orbital σ* atau π*.

• Transisi yang paling sering terjadi adalah dari orbital π atau n

ke orbital antibonding π*, yaitu transisi π π* dan n π*,

menunjukkan transisi ke kedudukan eksitasi π*

• Pada λ < 200 nm dapat terjadi juga eksitasi dari elektron non

bonding n ke aras antibonding σ*, jadi n σ*

Transisi electron

Fig. 3 Energi yang diperlukan untuk berbagai transisi elektron, dengan urutan sbb.

n→∏*< ∏→∏*< n→σ*< σ→σ* 

Contoh transisi π π* dan n π* terjadi pada keton .Peluang transisi π π* lebih besar daripada transisi n π* , sehingga intensitas pita serapan yang pertama. lebih tinggi dar yang kedua. Absorptivitas molar ε, pada pita maksimum untuk transisi π π* umumnya antara 1000 -100,000, sedangkan untuk transisi for n π* kurang dari 1000.ε, adalah ukuran langsung dari intensitas pita.

Formaldehid, asetaldehid dan aseton menunjukkan serapan kuat pada transisi π π* pada 180 to 190 nm (ε = 103 to 104), dan serapan lemah untuk transisi n π* pada 280 - 300 nm (ε = 12 to 20).

R C R

O

Spektroscopi UV-Vis

• UV-Vis untuk molekul organik– Transisi elektron ikatan/luar– Konjugasi

• Visible – larutan metal/ligands– Transisi d-orbital

Molekul mana dapat menyerap radiasi?

• Agar terjadi penyerapan harus terjadi perubahan momen dipole (polaritas) dalam molekul. Dalam hal ini ikatan kovalen polar, dimana pasangan-pasangan elektron yang elektron berpatungan tidak equal.

contoh: molekul yg tidak mempunyai momen dipole

N N tidak punya momen dipole, sehingga tidak menyerap di daerah IR.

contoh molekul yang mempunyai momen dipole.

O C O Molekul diatomik, mempunyai dipole yang permanen, sehingga akan menyerap cahaya.

OCO Model Vibrasinya simmetri, tidak punya momen dipole

OCO dengan dipole terinduksi momen dipole, molekul dapat menyerap radiasi IR.

Ciri absorpsi dari beberapa gugus fungsi organik

• Energi eksitasi ikatan tunggal (n*) terletak di daerah UV hampa ( < 185 nm) dan absortifitasnya sangat rendah

• Kromofor mempunyai gugus fungsi tidak jenuh, absorpsi UV-Vis umumnya berasal dari transisi n * atau *

– Transisi Rotasional dan vibrasional menambah spektra lebih rinci– Senyawa yang mempunyai > 1 kromofor mempunyai serapan aditif

dari kromofor-kromofornya, asalkan jarak dua kromofor dipisahkan oleh dua atau lebih ikatan tunggal. Jika ikatan-ikatan tangkap terkonjugasi, maka serapan dan λmaks makin meningkat

Spektrofotometri UV-Vis Analisis Kualitatif

n π*

π π*

n π*

C

O..

karbonil

• Konjugasi menyebabkan pergeseran ke gelombang yang lebih besar• Transisi * 10-100x lebih intensif daripada transisi n*• Electron tak terikat dari heteroatom pada senyawa jenuh dapat

meningkatkan serapan UV

Perhatikan nilai max dan ε

Spektra ion anorganik (logam dan non-logam) dan ion kompleks

• Anion anorganik mempunyai pita serapan UV yang lebar dari elektron tidak terikat

• Ion logam transisi dan kompleks menyerap sinar tampak karena eksitasi dari orbit terisi dan orbit tak terisi– Tergantung pada tingkat oxidasinya dan lingkungan koordinasinya

Kompleks Alih-muatan• Elektron donor menyerap cahaya dan

dialihkan ke aseptor– Proses redoks internal

• Umumnya mempunyai absortivitas molar tinggi (>10,000)– Metal-to-ligand charge transfers

(MLCT)– Ligand-to-metal charge transfer

(LMCT)

http://www.piercenet.com/browse.cfm?fldID=876562B0-5056-8A76-4E0C-B764EAB3A339

Efek lingkungan

• Lingkungan dimana analit berada berpengaruh pada bentuk spektrum– Sebagai fase gas gerak rotasi dan

vibrasi dapat terlihat bentuk lebar pitanya

– Dalam bentuk padat atau larutan molekul tidak dapat bebas berotasi sehingga pita rotasi tidak terlihat

– Molekul solven dapat menghilangkan spektrum vibrasi Spektrum serapan visible sym-tetrazine: I, bentuk uap

pada suhu kamar; II, pada 77o K dalam 5 : 1 isopentane-methylcyclohexane glass, III, dalam cyclohexane; and IV, dalam air pada suhu kamar

J. Chem. Soc., 1959, 1263-1268.

Solvatochromism• Polaritas solven menstabilkan ground state

atau excited state dan menimbulkan kesenjangan energi yang berbeda, sehingga spektrum serapannya juga berbeda.

• Pewarna Reichardt jika dilarutkan dalam aseton biru kehijauan, dalam isopropanol biru dan , dalam etanol merah violet

http://scienceblogs.com/moleculeoftheday/2007/02/reichardts_dye_solvatochromic.phphttp://www.uni-regensburg.de/Fakultaeten/nat_Fak_IV/Organische_Chemie/Didaktik/Keusch/p28_neg_sol-e.htm

acetone isopropanol ethanol

Solvatochromism, continued

Positive solvatochromism (red shift) Bathochromic

Negative solvatochromism (blue shift) Hypsochromic

http://www.chemie.uni-regensburg.de/Organische_Chemie/Didaktik/Keusch/D-pos_sol-e.htmhttp://www.uni-regensburg.de/Fakultaeten/nat_Fak_IV/Organische_Chemie/Didaktik/Keusch/p28_neg_sol-e.htm

Resonance structures of 4,4'-bis(dimethylamino)fuchsone

Klasifikasi Perubahan Spektra

1. Pergeseran batokrom, pergeseran λmax ke panjang gelombang yang lebih besar; disebut juga pergeseran merah, oleh pengaruh substitusi dan atau pelarut.

2. Pergeseran Hipsokrom, Pergeseran λmax ke panjang gelombang yang lebih kecil; disebut juga pergeseran biru, oleh pengaruh substitusi dan atau pelarut

3. Efek Hiperkom, peningkatan intensitas serapan (absorptivitas).

4. Efek Hipokrom, penurunan intensitas serapan (absorptivitas).

Absorpsi oleh kromofor terisolasir

Kromofor: gugus tidak jenuh, gugus dari molekul yang mengabsorpsi, oleh transisi elektron π π* dan n π*, yang berdampak memberikan warna pada molekul tersebut. Molekul yang mengandung kromofor disebut kromogen

Auxokrom: adalah gugus jenuh yang mempunyai elektron sunyi, yang dapat mengubah panjang gelombang maksimum dan intensitasnya, jika diikatkan pada gugus kromofor yang ada di molekul tersebut, contoh gugus hidroxil, gugus amino dan halogen. Gugus-gugus ini mempunyai elektron sunyi (unshared) (n) yang dapat berinteraksi dengan π electron dalam kromofor (n π konjugasi)

• Spektrum oleh kromofor tidak begitu terpengaruh oleh sedikit perubahan struktur dalam molekul. Misal aseton dan 2-butanon mempunyai spectra yang serupa bentuk dan intensitasnya.

• Jika perubahannya mayor, maka baru timbul perubahan.

• Efek spektral dari dua kromofor, yang terpisah sedikitnya oleh dua ikatan tunggal, bersifat bebas dan aditif. Jika molekul CH3CH2CNS, mempunyai absorpsi maximum pada 245nm oleh efek gugus CNS dan mempunyai ε = 800, ternyata pada molekul CNSCH2CH2CNS,

absorpsi maximum oleh efek dua gugus CNS adalah 247 nm, dengan intensitas 2 x lipat (ε =2000). Interaksi antara beberapa kromofor mungkin mengganggu aras energi elektron dan merubah spektrum

Absorpsi oleh kromofor terkonjugasi

• Jika sejumlah ikatan rangkap (e.g.,dua, tiga) masing-masing terpisah oleh satu ikatan tunggal, maka dikatakan terkonjugasi. Terjadilah tumpang tindih orbital π, yang akan menurunkan gap energi antara orbital tetangga. Hasilnya terjadi pergeseran batokrom pada spektrum absorpsi dan peningkatan intensitas

• Makin tinggi derajat konjugasinya (dalam hal ini beberapa ikatan rangkap dua/tiga dan ikatan tunggal), makin tinggi pergeserannya. Termasuk pula konjugasi ikatan rangkap dengan elektron nonbonding

Absorpsi oleh senyawa aromatik

• Senyawa aromatik (gugus fenil atau benzen) mempunyai sistem terkonjugasi. Namun spektranya tidak sederhana

• Benzen, mengabsorpsi kuat pada λ 200 nm (εmax =6900) dan pita lain yang lebih lemah pada 230 -270 nm. Puncak-puncak ini ditimbulkan oleh vibrasi sublevel transisi elektronnya.

Gambar spektrum ultraviolet benzen

• Substitusi gugus fungsi, seperti hidroksi (-OH), metoksi (-OCH3), amino (-NH2), nitro (-NO2), and aldehid (-CHO), pada cincin benzen menghasilkan struktur yang lebih runcing dan pergeseran bathokrom serta peningkatan intensitas oleh konjugasi n-π.

• Senyawa aromatik polinuklir, misal naftalene, mempunyai konjugasi yang lebih banyak, sehingga menyerap pada panjang gelobang yang lebih tinggi

• Naftasen (empat cincin) mempunyai maksimum absorpsi pada 470 nm (visible)

• Pentasen (lima cincin) mempunyai maksimum absorpsi pada 575 nm (visible)

• Senyawa aromatik heterosiklis, misal piridine, menyerap di daerah UV.

Pada senyawa polifenil

• sambungan molekul pada posisi para memungkinkan terjadinya

interaksi resonansi (konjugasi) di seluruh sistem, dan peningkatan

jumlah sambungan cincin para menghasilkan pergeseran batokrom.

• Sedangkan sambungan molekul meta, konjugasi tidak dapat terjadi,

sehingga tidak ada pergeseran

Absorpsi Khelat Anorganik

Absorpsi radiasi UV/Vis pada kompleks logam dapat terjadi sebagai berikut:

1.Eksitasi dari ion logam

2.Eksitasi dari ligand

3.Transisi muatan

Serapan ini tergantung pada tingkat oksidasi bagaimana ligand berikatan dengan ion logam tersebut.

ANALISIS KUALITATIF

Analisis kualitatif berdasar pada kenyataan bahwaSuatu senyawa mempunyai pola spektra,

λmaks dan nilai ε yang unik pada λmaks tsb, sehingga ketiga data dipakai sebagai parameter uji kualitatif, yaitu

1. Mencocokan pola spektra (curve fitting), dengan menupangkan/overlay spektrum sample pada spektrum baku atau dengan menghitung Match Factor

2. Mencocokan data λmaks dan ε sample dengan data baku

Analisis kualitatif vs kuantitatif via serapan UV-vis

• Apa yang dapat dicapai pada analisis kualitatif dan kuantitatif dengan spektroskopi UV-Vis?

• Pilihan lebar celah:– Celah lebar = kepekaan bagus, tetapi resolusi rendah– Celah sempit = kepekaan rendah, tetapi resolusi bagus

• Jadi mana pilihan untuk analisis kualitatif ? Mana untuk analisis kuantitatif?