Spektrofotometri UV-Vis PDF

30/08/2023 Spektrofotometri UV-Vis Prinsip , Instrumentasi dan Spektrum Absorpsi Divisi Kimia Analitik...

30/08/2023 Spektrofotometri UV-Vis Prinsip , Instrumentasi dan Spektrum Absorpsi Divisi Kimia Analitik Depertemen Kimia FMIPA IPB 1 Spektroskopi UV-Vis: Absorpsi Radiasi 2 1  30/08/2023 Spektroskopi UV-Vis: Absorpsi Radiasi Konsep Absorpsi molekuler (160-780 nm) Photon akan mempromosikan elektron ke Prinsip keadaan tereksitasinya (orbital molekul) Bagaimana Sinar dari sumber kontinu diabsorpsi oleh pengukuran terjadi sample Data yang Absorbans proporsional terhadap dihasilkan konsentrasi spesi absorbans (Hk Beer) Setiap molekul yang dapat menyerap Aplikasi radiasi UV-Vis umumnya dalam keadaan fase cair Kecepatan, sensitivitas, ruggedness, Inovasi portability 3 Spektroskopi UV-Vis: Spektrometri Absorpsi Spektroskopi Absorpsi didasarkan pada pengukuran transmitansi (T) atau serapan (A) larutan yang terkandung dalam sel transparan yang memiliki 𝑆=𝑘𝐶 panjang jalur b sentimeter. 𝐴 = −𝑙𝑜𝑔𝑇 𝑃 Istilah dan Simbol Penting untuk Pengukuran Penyerapan = 𝑙𝑜𝑔 𝑃 = 𝜀𝑏𝑐 4 2  30/08/2023 Spektroskopi UV-Vis: Spektrometri Absorpsi Pengukuran serapan (absorbansi) dan transmitansi dapat dipengaruhi (yaitu berkurangnya intensitas sumber) oleh: Penghamburan cahaya  Pemantulan pada permukaan  Dihamburkan dalam larutan  molekul besar  gelembung udara Normalisasi dengan membandingkannya terhadap sel referens  Hanya mengandung pelarut  pengukuran transmitans dibandingkan dengan hasil dari sel referens 5 Spektrometri Absorpsi UV-Vis: Proses Penyerapan 𝑆=𝑘𝐶 A = Absorbansi ? Makna sensitivitas Hukum Bouguer‐Beer‐Lambert 6 3  30/08/2023 Spektrometri Absorpsi UV-Vis: Proses Penyerapan Hukum Lambert-Bouger Lambert (1760) & Bouger (1729) menemukan bahwa intensitas energi tertransmisi menurun eksponensial jika panjang lintasan (b) yang dilewati energi radiasi tersebut meningkat dP = k P db dP/P = k db T A  dP/P = k  db ln P/P0 = k b log P/P0 = (k/2.303) b Panjang lintasan Panjang lintasan A =  log P/P0 = (/2.303) b Efek panjang lintasan terhadap transmitans dan absorbans 7 Spektrometri Absorpsi UV-Vis: Proses Penyerapan Hukum Beer Beer (1852) menemukan bahwa konsentrasi (C) merupakan fungsi timbal balik eksponensial dari transmitans dan absorbans (proporsional langsung dengan konsentrasi) dP =   P dC dP/P =   dC  dP/P =    dC ln P/P0 =   C log P/P0 = (/2.303) C A =  log P/P0 = (/2.303) C 8 4  30/08/2023 Spektrometri Absorpsi UV-Vis: Proses Penyerapan Hukum Lambert-Beer A = bc Hubungan ini dapat dijabarkan sebagai berikut: - Perhatikan gambar diatas yang dapat dianggap sebagai blok materi pengabsorbsi - Suatu radiasi elektromagnetik dengan kekuatan Po akan menabrak tegak lurus permukaan blok tersebut - Setelah melewati materi dengan panjang b yang mengandung n atom/ion/molekul pengabsorbsi kekuatan radiasinya turun menjadi P akibat adanya absorbsi tersebut 9 Spektrometri Absorpsi UV-Vis: Proses Penyerapan Hukum Lambert-Beer - Dengan penampang lintang dari blok tersebut mempunyai luas S dan ketebalan yang sangat tipis dx terdapat dn partikel pengabsorbsi sehingga dapat dibayangkan penangkapan foton sehingga saat foton sampai di daerah tersebut dengan peluangnya maka absorpsi akan terjadi - Total luas terproyeksi dari permukaan tempat penangkapan foton tersebut dalam suatu penampang lintang dS, dengan rasionya terhadap total luas dS/S - Kekuatan radiasi yang masuk dalam daerah Px adalah proporsional terhadap jumlah foton/cm2 dan dPx menunjukkan kuantitas absorbsi pada daerah tersebut, fraksi terabsorbsi –dPx/Px sama dengan rerata probabilitas tangkapan foton, maka, dPx dS   ………… 1 Px S 10 5  30/08/2023 Spektrometri Absorpsi UV-Vis: Proses Penyerapan Hukum Lambert-Beer - dS proporsional terhadap jumlah partikel dS = adn ………… 2 dengan dn = jumlah partikel a = konstanta proporsionalitas (penampang lintang penangkapan) - Kombinasi persamaan 1 dan 2 dengan melakukan pengintegralan pada interval 0 dan n akan diperoleh P dPx n adn  P  0 0 P S x - Dengan mengkonversi menjadi logaritmanya P an P an  ln  log 0  ………… 3 P0 S P 2 ,303S 11 Spektrometri Absorpsi UV-Vis: Proses Penyerapan Hukum Lambert-Beer - Luas penampang lintang S dapat diekspresikan sebagai volume (V) blok tersebut dalam cm3 dan panjang (b) dalam cm - Substitusinya terhadap persamaan 3 akan menghasilkan: P0 anb log  P 2 , 303V - n/V dapat dikonversi menjadi mol/L sehingga P0 6 ,02 x 10 23 abc log  P 2 ,303 x 1000 - Nilai yang konstan kemudian dapat disatukan sebagai  P0 log  bc  A P 12 6  30/08/2023 Spektrometri Absorpsi UV-Vis: Proses Penyerapan Hukum Lambert-Beer A =  bC  absorptivitas molar log T A [C] [C] Efek konsentrasi analat pada nilai transmitans dan absorbansnya 13 Spektrometri Absorpsi UV-Vis: Proses Penyerapan Latihan  A 5.00×10−4 M solution of analyte is placed in a sample cell that has a pathlength of 1.00 cm. At a wavelength of 490 nm, the solution’s absorbance is 0.338. What is the analyte’s molar absorptivity at this wavelength? Solving Beer Equation for ϵ and making appropriate substitutions gives:  Suatu sampel air yang mengandung Cr6+ (Ar = 52 g/mol) dengan konsentrasi sebesar 0,1 ppm. Penentuan kadar Cr6+ yang dilakukan menggunakan pengkompleks difenilkarbazida pada λmaks 540 nm. Absorptivitas molar dari senyawa kompleks tersebut pada λmaks sebesar 41.700 L/mol cm. Berapakah panjang lintasan sel (tebal kuvet) yang diperlukan agar absorbans yang terbaca sebesar 0,4? 14 7  30/08/2023 Spektrometri UV-Vis: Penyimpangan Hk. Lambert-Beer A =  bC Ada kalanya perubahan nilai serapan tidak linier dengan perubahan konsentrasi Kenaikan konsentrasi menjadi 2 x atau 3 x konsentrasi tidakmengubah nilai serapan menjadi 2 x atau 3 x serapan mula-mula Ketidaklinieran hubungan antara serapan dengan konsentrasi tersebut dinamakan penyimpangan dari hukum Lambert-Beer. Penyimpangan dari Hukum Lambert Beer: Sebab Kimia Sebab Instrumental Sebab Nyata 15 Spektrometri UV-Vis: Penyimpangan Hk. Lambert-Beer Sebab Kimia  berkaitan dengan perubahan kimia yang terjadi pada zat yang diukur seperti ionisasi dan hidrolisis Deviasi hukum Beer (sebab kimia) untuk larutan indikator HIn yang tidak terbufer Perhatikan bahwa ada deviasi positif pada 430 nm dan deviasi negatif pada 570 nm. Pada 430 nm, serapan terutama disebabkan oleh bentuk indikator In- (cek nilai  ) yang terionisasi dan sebanding dengan fraksi Untuk suatu Indikator, nilai absorbansi larutan yang terionisasi, yang bervariasi secara yang diukur pada panjang gelombang tertentu nonlinier (Note: rumus konstanta akan dipengaruhi oleh spesi warna campuran kesetimbangan ionisasi) terhadap dalam kesetimbangan (Hin dan In-). konsentrasi total indikator. Pada 570 Perubahan kesetimbangan (karena nm, serapan terutama disebabkan oleh Pengeceran) akan mengubah komposisi spesi asam HIn yang tidak terdisosiasi, yang penyerap sehingga akan mempengaruhi nilai meningkat secara nonlinier terhadap absobansi larutan konsentrasi total. 16 8  30/08/2023 Spektrometri UV-Vis: Penyimpangan Hk. Lambert-Beer Sebab Instrumental berkaitan dengan keadaan alat Untuk suatu senyawa,  yang  Kecapaian alat berbeda dapat memberikan  Ketidakmonokromatisan sinar absorptivitas () yang berbeda Pada spektrum di atas, absorptivitas analit hampir konstan pada Pita A dari sumbernya. Perhatikan plot hukum Beer di bagian samping kanan bahwa penggunaan Pita A memberikan hubungan linier. Dalam spektrum, Pita B menunjukkan wilayah di mana serapannya menunjukkan perubahan besar. Pada plot samping kanan, perhatikan penyimpangan dramatis dari hukum Beer yang diakibatkannya. 17 Spektrometri UV-Vis: Penyimpangan Hk. Lambert-Beer Sebab Instrumental  Ketidakmonokromatisan sinar Misalkan seberkas radiasi hanya terdiri dari dua panjang gelombang ’ dan ” Untuk ’ Untuk ” Bila pengukuran serapan dilakukan dengan radiasi yang terdiri dari kedua panjang gelombang, daya sinar datang dan yang keluar dari larutan adalah penjumlahan dari kedua panjang gelombang maka serapannya: Hubungan antara Am dan konsentrasi tidak lagi linier ketika absorptivitas molar Ketika ’ = ” berbeda 18 9  30/08/2023 Spektrometri UV-Vis: Penyimpangan Hk. Lambert-Beer Sebab Instrumental  Radiasi sesatan (stray radiation) didefinisikan sebagai radiasi dari instrumen yang berada di luar pita panjang gelombang nominal yang dipilih untuk penentuan. Radiasi sesatan ini sering kali merupakan hasil hamburan dan pantulan permukaan kisi-kisi, lensa atau cermin, filter, dan jendela. Ketika pengukuran dilakukan dengan adanya cahaya nyasar, serapan A’ yang diamati diberikan oleh Ps merupakan daya radiasi sesatan, P0 daya sinar datang. Efek radiasi sesatan mirip dengan efek ketidak monokromatisan sinar. 19 Spektrometri UV-Vis: Penyimpangan Hk. Lambert-Beer Sebab nyata  berkaitan dengan konsentrasi larutan Penyimpangan dapat terjadi di daerah konsentrasi terlalu pekat/terlalu encer Konsentrasi terlalu encer  terjadi efek penjenuhan sinar Konsentrasi terlalu pekat  interaksi antar molekul zat penyerap yang berdekatan akan mengganggu serapan radiasi oleh molekul- molekul tersebut (deviasi negatif) 20 10  30/08/2023 Spektrofotometri UV-Vis Instrumentasi: Aspek Derau dan Komponen Alat 21 Spektrometri UV-Vis: Efek Derau Instrumental  Akurasi dan presisi analisis spektrofotometri sering kali dibatasi oleh ketidakpastian atau derau yang terkait dengan instrument  Pengukuran spektrofotometri memerlukan tiga langkah: pengukuran atau penyesuaian 0%T, pengukuran 100%T, dan pengukuran %T dengan sampel di jalur radiasi. Derau terkait dengan masing-masing langkah ini digabungkan untuk memberikan ketidakpastian bersih untuk nilai akhir yang diperoleh untuk T  Derau dari tiga tahapan pengukuran sinyal dalam spektofotometer memberikan kontribusi galat pada hukum Lambert-Beer Sc dan ST : standard deviasi untuk konsentrasi dan Transmitans Ketidakpastian dalam pengukuran konsentrasi fotometrik bervariasi secara nonlinier dengan besarnya transmitansi 22 11  30/08/2023 Spektrometri UV-Vis: Efek Derau Instrumental Jenis dan Sumber Ketidakpastian dalam Pengukuran Transmitansi 23 Spektrometri UV-Vis: Efek Derau Instrumental Ketidakpastian konsentrasi relatif timbul Galat dalam pengukuran spektrofotometri dari berbagai kategori derau instrumental. akibat adanya derau arus gelap dan posisi A, kasus I; B, Kasus II; C, Kasus III. sel yang impresisi 24 12  30/08/2023 Spektrometri UV-Vis: Efek Derau Instrumental Kurva eksperimen yang berhubungan dengan ketidakpastian konsentrasi terhadap absorbans pada dua jenis spektrofotometer 25 Spektrometri UV-Vis: Efek Lebar Slit Lebar celah (slit) sempit diperlukan untuk menghasilkan resolusi yang tinggi untuk spektrum kompleks Celah sempit Celah lebar Resolusi meningkat tak terlalu baik Daya sinaran rendah (S/N ) tinggi (S/N ) Optimalkan dengan mempersempit lebar pita instrumen hingga tinggi pita konstan (terjadi jika lebar pita instrumen sebesar 0.1 lebar puncak 26 13  30/08/2023 Spektrometri UV-Vis: Tipe Alat 27 Spektrometri UV-Vis: Komponen Sumber sinar Lampu deuterium atau hidrogen-daerah UV Filamen tungsten – daerah sinar tampak hingga inframerah dekat Lampu busur xenon Wadah sampel Material – kuarsa/fused silica untuk UV dan kaca silikat untuk sinar tampak Bentuk – permukaan yang flat , silindris Ukuran – umumnya 1 cm 28 14  30/08/2023 Spektrofotometri Absorpsi UV-Vis Latihan 29 Spektrum Absorpsi UV-Vis 30 15  30/08/2023 Spektrum Absorpsi UV-Vis Suatu grafik yang menunjukkan jumlah cahaya yang diserap suatu zat, diplot sebagai fungsi energi, frekuensi, atau panjang gelombang. Dihasilkan melalui pemayaran radiasi pada rentang panjang gelombang UV-Vis Sumbu x adalah panjang gelombang dan sumbu y adalah absorbansi Fitur utama dari spektrum adalah adanya nilai serapan maksimum pada panjang gelombang tertentu (max) 31 Spektrum Absorpsi UV-Vis Spesi Pengabsorbsi berhubungan dengan transisi elektronik Akibat banyaknya keadaan vibrasi dan rotasi yang terjadi akibat penyerapan radiasi spektra akan berbentuk pita Senyawa organik yang mengandung gugus kromofor dapat menyerap radiasi UV-Vis yang diberikan Kromofor merupakan gugus fungsional yang dapat menyerap radiasi UV-Vis Untuk tujuan kuantitatif jika senyawa organik tersebut tak menyerap di daerah UV-Vis maka dapat mereaksikannya dengan pereaksi kromoforik/kromogenik yang akan menghasilkan produk yang dapat meyerap radiasi UV-Vis 32 16  30/08/2023 Spektrum Absorpsi UV-Vis Spektrum serapan untuk Karakteristik Penyerapan Beberapa Kromofor Organik Umum senyawa organik khas 33 Spektrum Absorpsi UV-Vis Auksokrom Substituen yang meningkatkan intensitas absorpsi dan mungkin λ seperti CH3, OH-, X-, NH2 Senyawa aromatik λmax1 λmax2 H 203,5 nm 254,5nm CH3 206,5 nm 261 nm Cl 209,5 nm 190 nm Br 210 nm 192 nm Zat : Tidak harus berwarna Serapan ~ transisi e- ~ distribusi e- Pelarut ? 34 17  30/08/2023 Spektrum Absorpsi UV-Vis: Transisi Elektron Absorpsi radiasi UV-Vis melibatkan eksitasi elektron terluar dan terdapat 3 jenis transisi elektron yaitu: 1. Transisi elektron p, s, dan n 2. Transisi elektron d and f 3. Transisi elektron alih muatan (charge transfer) Saat atom atau molekul mengabsorbsi energi (radiasi yang diberikan), elektron mengalami promosi dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi. Dalam molekul, atom dapat berotasi atau bervibrasi satu sama lainnya. Vibrasi dan rotasi ini memiliki tingkat energi diskret seperti pada gambar di samping 35 Spektrum Absorpsi UV-Vis: Tipe Transisi Elektron * Unoccupied levels (antibonding) * LUMO Frontier E orbital n HOMO non-bonding bonding Occupied  level  Karakteristik transisi elektronik Transisi  (nm) log  Contoh  * < 200 >3 hidrokarbon jenuh n * 160~260 2~3 Alkena, alkuna, aromatik E  * 200~500 ~4 H2O,CH3OH, CH3Cl CH3NH2 n * 250-600 1~2 Karbonil, nitro, nitrat, karboksil catatan: transisi terlarang;  * ,  * 36 18  30/08/2023 Spektrum Absorpsi UV-Vis: Transisi Elektron Spesi pengabsorbsi yang mengandung elektron p, s, dan n Absorpsi radiasi UV-Vis oleh molekul organik hanya disebabkan oleh adanya gugus fungsi tertentu (kromofor) yang mengandung elektron valensi pada energi eksitasi yang rendah. Spektrum dari molekul yang mengandung kromofor tersebut sangatlah kompleks. Hal ini disebabkan oleh superposisi transisi rotasional dan vibrasional pada transisi elektron yang memberikan kombinasi garis yang tumpang tindih terlihat seperti pita absorpsi yang kontinu Transisi elektronik yang dimungkinkan dari elektron p, s, dan n yaitu: 37 Spektrum Absorpsi UV-Vis: Transisi Elektron Transisi  * Memerlukan energi yang tinggi/panjang gelombang yang rendah – umumnya sangat rendah untuk diukur Transisi n * Pasangan elektron tak berpasangan pada senyawa dengan ikatan jenuh, max ~150-250 nm  ~100-3000 L cm-1 mol-1 (medium hingga rendah, pelarut pelarut akan mengeser max ke  yang lebih rendah, tidak terlalu dapat terobservasi Transisi n * dan  * Transisi kromofor, max ~200-700 nm,  n-* ~ L cm-1 mol-1 ,   -* ~1000-10,000 L cm-1 mol-1 38 19  30/08/2023 Spektrum Absorpsi UV-Vis: Transisi Elektron Absorpsi Alih Muatan (Charge-Transfer Absorption) Senyawa anorganik umumnya menunjukkan absorpsi alih muatan dan disebut sebagai senyawa kompleks alih muatan (charge-transfer complexes) Senyawa kompleks akan memberikan absorpsi jenis ini jika terdapat atom yang dapat berperan sebagai donor elektron dan yang lainnya sebagai akseptor Spektrum absorpsi kompleks larut elektron. Absorpsi radiasinya akan melibatkan dalam air yang elektron dari donor dalam orbital yang berasosiasi mengalami absorpsi alih dengan akseptor muatan Absorptivitas molar dari absorpsi alih muatan ini sangat besar (lebih besar dari 10,000 L mol-1 cm-1). 39 Spektrum Absorpsi UV-Vis: Transisi Elektron 40 20  30/08/2023 Spektrum Absorpsi UV-Vis: Transisi Elektron Spektrum absorpsi ion Spektrum absorpsi ion logam transisi yang larut tanah jarang yang larut dalam air dalam air 41 Spektrum Absorpsi UV-Vis: Pemilihan Pelarut Untuk senyawa organik pemilihan pelarut sangat penting karena dapat menyebabkan pelebaran pita absorpsi (Pengaruh terhadap pita absorpsi & λmaks) Spektrum absorpsi 1,2,4,5-tetrazin 42 21  30/08/2023 Spektrum Absorpsi UV-Vis: Pemilihan Pelarut  melarutkan komponen analat, tetapi sesuai dengan bahan kuvet  pelarut juga harus relatif transparan terhadap (melewatkan) daerah spektrum radiasi yang digunakan untuk pengukuran (tidak menyerap radiasi yang digunakan): pelarut tanpa sistem konjugasi biasanya bagus Pada spektroskopi ultraviolet pemilihan pelarut sangat penting untuk diperhatikan terutama pelarut organik kenapa? Bila digunakan pelarut organik, maka pelarut tersebut mungkin saja menyerap radiasi pengukuran nilai penggal (cut off ) suatu pelarut perlu diperhatikan Nilai penggal λ yang menghasilkan absorptivitas molar () = 1 menghasilkan transparansi minimum 43 Spektrum Absorpsi UV-Vis: Pemilihan Pelarut Nilai penggal beberapa pelarut umum Pelarut  (nm) Pelarut  (nm) Asam asetat 260 Gliserol 207 Aseton 330 Heksana 210 Asetonitril 190 Metanol 210 Benzena 280 Metil etil keton 330 Karbon 265 Metil isobutil keton 230 tetrakhlorida Pentana 210 Kloroform 245 1-propanol 210 Sikloheksana 210 Toluena 286 Dietil eter 218 Piridin 330 Etanol 210 Xilena 290 Etil asetat 255 Air 191 Etilen klorida 228 44 22  30/08/2023 Spektrum Absorpsi UV-Vis: Puncak Serapan (max) Faktor yang berpengaruh: Pengaruh substitusi 1. Efek bathokromik (red shift: n-π*) Pergeseran ke tingkat energi yang lebih rendah (λ ↑) 2. Efek hipsokromik (blue shift: π-π*) Pergeseran ke tingkat energi yang lebih tinggi (λ ↓) 3. Efek hiperkromik Peningkatan intensitas Substituens auksokrom (CH3, OH-, X-, NH2) 4. Efek hipokromik Penurunan intensitas 45 Spektrum Absorpsi UV-Vis: Puncak Serapan (max) Terminologi pergeseran posisi pita serapan 46 23  30/08/2023 Spektrum Absorpsi UV-Vis: Puncak Serapan (max) Contoh Efek Hipsokromik 47 Spektrum Absorpsi UV-Vis: Puncak Serapan (max) Pengaruh Konjugasi Senyawa λmaks (nm) ------------------------------------------------------------------ Etilena 125 1,3-butadiena 217 1,3,5-hexatriena 258 β-carotena 465 Aseton 189 280 3-buten-2on 213 320 48 24  30/08/2023 Spektrum Absorpsi UV-Vis: Puncak Serapan (max) Efek Konjugasi Cincin aromatik terutama ketika dua atau lebih cincin dalam konjugasi (senyawa polisiklik) menyerap panjang gelombang yang lebih tinggi di daerah tampak, hal ini mengubah spektrum serapan 49 Terima Kasih Sampai Jumpa di Bagian Kedua 50 25