Spektroskopi: membaca zat dari cahaya

Sederhana · Fase A–C · SD kelas 1–6 (IPAS)

Cahaya putih Matahari sebenarnya campuran banyak warna. Bila melewati prisma atau tetes air hujan, cahaya itu terurai menjadi pelangi: merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, ungu.

Benda tampak berwarna karena menyerap sebagian warna dan memantulkan sisanya. Daun hijau menyerap cahaya merah dan biru untuk fotosintesis, lalu memantulkan cahaya hijau ke mata kita.

Ada juga "cahaya" yang tidak terlihat mata: sinar ultraviolet (UV) dari Matahari yang dapat membuat kulit terbakar, sinar inframerah yang terasa sebagai panas, dan sinar-X untuk foto rontgen. Ilmuwan memakai berbagai jenis cahaya ini untuk "membaca" zat, misalnya mengetahui isi bintang yang sangat jauh dari cahaya yang dipancarkannya.

Standar · Fase D · SMP kelas 7–9 (IPA)

Spektrum elektromagnetik disusun menurut panjang gelombang: gelombang radio, gelombang mikro, inframerah, cahaya tampak (sekitar 400–700 nm), ultraviolet, sinar-X, dan sinar gamma. Makin pendek panjang gelombang, makin besar energinya; karena itu UV dan sinar-X dapat merusak sel, sedangkan gelombang radio aman.

Warna zat berasal dari cahaya yang diserapnya. Larutan tembaga(II) sulfat menyerap cahaya jingga-merah sehingga tampak biru; beta-karoten pada wortel menyerap biru sehingga tampak jingga.

Atom yang dipanaskan memancarkan warna khas (spektrum emisi): natrium kuning, tembaga hijau-biru, stronsium merah. Inilah dasar uji nyala dan warna kembang api. Tabir surya bekerja dengan menyerap sinar UV sebelum mencapai kulit.

Spektroskopi adalah ilmu yang memakai interaksi cahaya dan materi untuk mengenali dan mengukur zat.

Lanjutan · Fase E–F · SMA kelas 10–12 (Kimia)

Energi foton: E = hν = hc/λ. Tiap daerah spektrum menyelidiki hal berbeda:

• Emisi atom: elektron yang turun tingkat energinya memancarkan garis-garis tajam (model Bohr). Setiap unsur punya "sidik jari" garis sendiri.
• UV-Vis (200–800 nm): elektron molekul tereksitasi. Kadar zat berwarna diukur dengan hukum Beer–Lambert, A = ε·b·c.
• Inframerah (bilangan gelombang 4000–400 cm⁻¹): ikatan bergetar. Pita khas: O–H alkohol lebar sekitar 3300 cm⁻¹, O–H asam karboksilat sangat lebar 2500–3300 cm⁻¹, N–H 3300–3500, C–H sekitar 2850–3100, C≡N sekitar 2250, C=O tajam sekitar 1700 cm⁻¹.
• NMR: inti ¹H atau ¹³C dalam medan magnet kuat menyerap gelombang radio. Jumlah sinyal menunjukkan jumlah lingkungan hidrogen yang berbeda; posisinya (geseran kimia, ppm) menunjukkan lingkungannya, dengan tetrametilsilana (TMS) sebagai acuan 0 ppm.
• Spektrometri massa: molekul diionkan dan dipisahkan menurut m/z. Puncak ion molekul (M⁺) memberi massa molekul; pola fragmen memberi petunjuk struktur.

Contoh membaca: senyawa C₂H₆O dengan pita IR lebar sekitar 3300 cm⁻¹ adalah etanol, bukan dimetil eter; ¹H NMR etanol menunjukkan tiga jenis hidrogen, sedangkan dimetil eter hanya satu.

Mendalam · Perguruan tinggi · Kimia dasar dan lanjut

UV-Vis: transisi π → π* dan n → π*; konjugasi menurunkan selisih energi HOMO–LUMO sehingga λmaks bergeser ke panjang gelombang lebih besar. Karena itu polien panjang seperti β-karoten dan likopen berwarna, sedangkan etena menyerap di UV jauh. Pada kompleks logam transisi, warna berasal dari transisi d–d dan transfer muatan.

Inframerah: getaran dimodelkan sebagai osilator harmonik, ν̃ = (1/2πc)√(k/μ); ikatan lebih kuat (k besar) dan atom lebih ringan (μ kecil) bergetar pada bilangan gelombang lebih tinggi, sehingga C≡C > C=C > C–C dan O–H jauh di atas O–D. Getaran aktif IR bila momen dipolnya berubah; Raman aktif bila polarisabilitas berubah, sehingga keduanya saling melengkapi (misalnya getaran simetris CO₂ hanya aktif Raman).

NMR: geseran kimia ¹H tipikal — alkil 0,9–1,5 ppm; H di sebelah C=O sekitar 2–2,5; H pada C–O 3,3–4,5; aromatik 6,5–8; aldehida 9–10; asam karboksilat 10–12 ppm. Integrasi sinyal sebanding dengan jumlah H; kopling spin–spin memecah sinyal menjadi n + 1 puncak untuk n hidrogen tetangga setara. ¹³C NMR mencakup 0–220 ppm dengan karbonil pada 160–220 ppm.

Spektrometri massa: pola isotop membantu identifikasi — senyawa berklorin menunjukkan puncak M dan M+2 dengan rasio sekitar 3:1, berbromin sekitar 1:1; resolusi tinggi memberi rumus molekul dari massa eksak (bandingkan dengan "Exact Mass" PubChem di halaman molekul).

Dalam interpretasi spektrum, penentuan struktur modern menggabungkan MS (rumus), IR (gugus fungsi), ¹H/¹³C NMR dan NMR 2D (kerangka dan konektivitas), serta kristalografi sinar-X untuk struktur tiga dimensi. Data spektrum rujukan tersedia di bagian "Spectral Information" rekaman PubChem, yang ditautkan dari setiap halaman molekul Alchemist.