BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Latar Belakan Belakang g Dalam kehidupan sehari-hari kita tentu tidak terlepas dari yang namanya energi.
Bahkan untuk berjalan saja, kita membutuhkan energi untuk bergerak. Bukan hanya itu saja, barang-barang yang ada di sekitar kita pun secara tidak langsung membutuhkan energi agar bisa bermanfaat sesuai fungsinya. Seperti atom, molekulpun dapat menyerap sejumlah energi tertentu dari suatu gelombang elektro magnetik. Penyerapan ini membuat molekul tereksitasi. Spektrum elektromagnetik yang berhubungan dengan penyerapan ini dinamakan spektrum serap molekul. Pada atom hidrogen, spectrum terjadi karena adanya tingkat-tingkat energi (orbit elektron elektron terkuantisasi terkuantisasi), ), dan jangkauan jangkauan spektrumny spektrumnyaa antara ultraiolet sampai inframerah inframerah (termasuk cahaya tampak seperti cahaya merah, biru, dan sebagainya). !ompatan electron pada tingkat-tingka tenergi rotasi akan memberikan me mberikan spectrum pada gelombang-gelombang mikro (micro "ae), sedangkan pada energy ibrasi molekul akan memberikan spektrum pada daerah inframerah. Posisi atom-atom pada molekul tidaklah diam, molekul tidak pernah tenang. #ibrasi #ibrasi mengakibatkan perubahan-perubahan jarak antara atom. Sebagai akibatnya energi potensial meningkat. $nergi dari kebanyakan ibrasi molekul berhubungan dengan daerah infra merah. #ibrasi molekul dapat dideteksi dan diukur pada spektrum infra merah. Bila radiasi infra merah dile"atkan melalui suatu cuplikan, maka molekul-mo molekul-molekuln lekulnya ya dapat menyerap (mengabsorbsi) energi dan terjadilah transisi diantara tingkat ibrasi dasar (ground state) dan tingka tingkatt ibrasi ibrasi tereks tereksitas itasii (e%cite (e%cited d state). state). Pengab Pengabsorb sorbsian sian energ energii pada pada berbag berbagai ai frekuensi dapat dideteksi oleh spektrometer infra merah, yang memplot jumlah radiasi infra merah yang diteruskan melalui cuplikan sebagai fungsi frekuensi (atau panjang gelomb gelombang ang)) radiasi radiasi.. Plot Plot itu disebu disebutt spektr spektrum um infra infra merah merah yang yang akan akan memberi memberikan kan informasi informasi penting penting tentang tentang gugus gugus fungsional fungsional suatu molekul. molekul. &olekul &olekul dapat beribrasi dengan dengan berbag berbagai ai cara yang yang disebu disebutt dengan dengan modus modus ibrasi ibrasi.. Dalam Dalam makala makalah h ini akan akan dibahas materi seputar molekul dan tingkat energy molekul, khusunya mengenai tingkat energi ibrasional. 1.2 Rumusan Rumusan Masal Masalah ah '. Bagaim Bagaimana ana pemben pembentuk tukan an molek molekula ular r . Bagaimana Bagaimana tingkat tingkat energy energy rotasional rotasional pada molekul molekul *. Bagaimana Bagaimana tingkat tingkat energy energy ibrasional ibrasional pada molekul molekul +. pa saja jenis jenis jeni jeniss ibrasi ibrasi molek molekul ul
1
1.3 Tujuan '. ntuk mengetahui pembentukan molekular. . ntuk mengetahui energy rotasional pada molekul. *. ntuk mengetahui tingkat energi ibrasional pada molekul. +. ntuk mengetahu jenis jenis ibrasi molekul.
BAB II PEMBAHAAN
2.1 Pembentukan Molekular
Molekul:
gabungan
dua
atau
lebih
atom.Sebuah
molekul
merupakan grup netral secara elektris yang mengikat atom dengan cukup kuat sehingga berprilaku sebagai partikel tunggal. Sebuah molekul yang diketahui selalu bermacam-macam yang mempunyai struktur dan komposisi defnit tertentu. Sebagai contoh, molekul hidrogen selalu ada pada setiap dua atom hidrogen,dan molekul air selalu
berada
pada
setiap
satu
atom
oksigen
dan
dua
atom
hidrogen.Jika satu dari atom sebuah molekul digerakkan atau atom 2
yang lain sehingga paling menarik menghasilkan macam-macam molekul yang berbeda dengan siat yang berbeda pula. Molekul terbentuk karena energi sistem gabungan lebih kecil dari sistem terpisah dari atom yang tidak berinteraksi. Jika struktur elektron kedua atom saling bertumbukan, dan elektron membentuk sistem tunggal. an menurut prinsip eksklusi tidak terdapat dua elektron dalam sistem semacam itu yang berada dalam keadaan kuantum yang sama. Jadi beberapa eelektron yang berintraksi
akan
dipaksa
naik
ketingkat
energi
lebih
tinggi
dibandingkan dengan ketika atom itu terpisah, sehingga sistemnya berenergi lebih besar dari sebelumnya dan men!adi tak mantap. "ntuk membayangkan eek semacam ini kita boleh menggambarkan elektron bertebaran saling men!auhi untuk menghindari sistem semacam itu. #ntinya elektron pada keadaan ini bergerak saling men!auhi, sehingga menimbulkan gaya tolak-menolak antara intinya $%alaupun
!ika
prinsip eklusi dapat dipenuhi tanpa pertambahan energi, masih mendaapat gaya listri tolak-menolak antara berbagai elektron, namun aktor ini !auh lebih kecil dibandingkan dengan prinsip eksklusi dalam mempengaruhi pembentukan ikatan&. Sistem molekular tersederhana ialah '2(, #on molekular hidrogen. isini elektron tunggal mengikat kedua proton $)eiser, 1*+2: 2&.
2.2 T!ngkat Energ! R"tas!"nal
eadaan energi molekular ditimbulkan oleh rotasi $perputaran& molekul secara kseluruhan dan oleh /ibrasi $getaran& atom pembangun relati/e terhadap yang lain dan !uga olehperubahan kongfgurasi elektronik. eadaan rotasional terpisah oleh selang energi yang sangat −3
kecil $biasanya sekitar 10
e0&, dan spektrum yang timbul dari
transisi antara keadaan ini terdapat dalam daerah mikro gelombang dengan pan!ang gelombang diantara ,1 mm hingga 1 cm. ingkat energy terendah molekul d%iatom timbul dari rotasi sekitar pusat massanya. ita dapat menggambarakan sebuah molekul seperti itu terdiri dari dua atom bermassa
m1 dan m2
yang ber!arak
R
seperti dalam gambar 2.1. Momen inersia molekul ini terhadap sumbu 3
yang
mealui
pusat
massa
dan
tegak
lurus
pada
grais
yang
menghubungkan kedua atom ialah
Gambar 21 molekul dwiatom berotasi di sekitar pusat massanya 2
I =m1 r 1 + m2 r ////////////..(.')
di mana
r 1 dan r 2 menyatakan
!arak atom 1 dan 2 berurutan dari pusat
massanya. arena
2
m1 r 1= m2
////////
////..(.) Sesua dengan definisi , momen inersia dapat ditulis
dengan
(
I =
m1 m2 m 1 + m2
)
//////.////////..(.*) ( r + r ) =m' R 2
1
2
2
//////.////////..(.+) m m 1 2 ' ( Massa m = tereduksi ) m1 + m2 besar &omentum sudut L dari molekul itumempunyai //////.////////..(.0) dengan kecepatan
ω
menyatakan L kecepatan Iω =
sudut. &omentum sudut
selalu
terkuantisasi dalam alam. 1ika kita beri lambang bilangan kuantum rotasional dengan J , didapatkan Lrotasi= √ J ( J +1 ) ħ
1
$nergy molekul yang berotasi ialah
2
I ω
2
, sehingga tingkat energinya 2
L E R= I ω = 2 2 I 1
, J 2 3, ', , *,//
2
J ( J + 1 ) ħ ¿ 2 I
2
Tingkat energi
Rotasional
$)eiser, '45 : 24+524*&.
2.3 T!ngkat Energ! #!$ras!
1ika cukup tereksitasi sebuah molekul dapat beribrasi (bergetar) seperti jumlah berotasi. Seperti sebelum ini, hanya akan kita tinjau molekul d"iatom. 6ambar . menunjukkan bagaimana energy potensial sebuah molekul berubah terhadap jarak interinti (jarak internuklir) R. Dalam daerah sekitar titik minimum kura ini yang bersesuaian dengan konigurasi normal molekul, bentuk kuranya mendekati sebuah parabola. &aka dalam daerah ini
Gambar 2.2 Energi potensial sebuah molekul dwiatom sebagai fungsi jarak inter-inti 1
2
V =V 0 + k ( R− R 0) 2
dengan
R0
//////////..(.7)
menyatakan jarak kesetimbangan antara atom. 6aya interatomik yang
menimbulkan energi potensial bisa didapatkan dengan mendiferensi #8
−dV =−k ( R − R0 ) F = //////////..( dR .) //////////..(.9)
4
6aya ini merupakan gaya pemulih yang ditimbulkan oleh pegas yang teregang atau terkompresihokum gaya :ookedan, seperti juga pegas, sebuah molekul yang tereksitasi secukupnya dapat melakukan osilasi harmonik sederhana. Secara klasik, frekuensi benda beribrasi bermassa m berhubungan dengan pegas pada konstanta gaya k ialah $3
2 ///.//////////..(.5)
pa yang kita dapatkan dalam kasus molekul d"iatom ialah situasi yang agak berbeda dari dua benda bermassa m1 dan m2 yang dihubungkan oleh pegas seperti pada gambar .. ;anpa medan eksternal momentum linear sistem tetap konstan,
Gambar 2. !silator dua benda
sehingga osilasi bendanya tidak mempengaruhi gerak pusat massanya.
2 ///.//////////..(.4)
1ika persoalan osilator harmonik dipecahkan secara mekanika kuantum, energi osilator ini didapatkan terbatas pada harga 1
$$2 ( @
) 2 ////./////////....(.'3)
dengan menyatakan bilangan kuantum #ibrasional , yang dapat mengambil harga 2 3, ', , * . . . 1
seperti menurut klasik? hasil ini bersesuaikan dengan prinsip ketaktentuan, karena jika partikel yang berosilasi stasioner (diam), ketaktentuan dalam
kedudukan ∆% 2 3 dan ketaktentuan dalam momentum harus menjadi takberhingga dan partikel dengan $ 2 3 tidak bisa memiliki momentum yang ketaktentuannya takberhingga. &enurut Pers. 5.'+ tingkat energi ibrasional sebuah molekul d"iatom ditentukan oleh
( )
Ev = v +
1 2
////.//////////(.'')
( Tingkat Energi Vibrasional )
yang ditunjukkan dalam gambar .+ diagram ini juga
menunjukkan struktur halus dalam tingkat ibrasional yang ditimbulkan oleh eksitasi serentak pada tingkat rotasional.
Gambar 2.% Energi potensial dwiatom sebagai fungsi dari jarak interatomik& menunjukkan terdapatnya tingkat energy #ibrasional dan rotasional
∆
2 A ' dalam
aproksimasi osilator harmonik.
∆
E= hv 0
tiap kali, sehingga
1
energinya bertambah dari ( @
memancarkan
∆
E = hv 0
1
menjadi ( @
2
)
menjadi (
v+
1 2
+1 ¿ hv 0 , dan hanya dapat
1
tiap kali, sehingga energinya berkurang dari ( @
hv 0 .
')
2
hv 0
2
)
hv 0
1adi memenuhi kaidah seleksi ∆ 2 A'.
Spektrum ibrasional murni hanya teramati dalam cairan yang interaksi antara molekul berdekatanya melarang rotasi.
=¿ v +
1
ℏ
k ////.//////////(.') + J ¿
6ambar .0 menunjukkan tingkat dengan J 2 3, ', , * dan + dari molekul d"iatom untuk keadaan ibrasional 23 dan 2', bersama dengan garis spektral serapan yang konsisten dengan kaidah seleksi ∆ 2 @' dan ∆ J 2 A'. ;ransisi 2 3 C 2 ' dapat dikelompokkan menjadi dua bagian, cabang P dengan ∆ J 2 -' (yaitu J C1 ') dan cabang dengan ∆ J 2 @' ( J C1 @ '). Dari Pers. .' frekuensi garis spectral dalam tiap cabang ialah E 1. J − 1− E 0. J ν p = h
¿
√
k ℏ + [ ( J −1 ) J − J ( J + 1) ] − 2 π m' 4 πI 1
+
¿ ν 0− J
ℏ
2 πI
dimana
J =1,2,3, …
( Cabang P )
dan ν R=
¿
E 1. J − 1− E0. J h
√
k ℏ + [ ( J −1 ) ( J +2 )− J ( J + 1) ] 2 π m' 4 π 1
¿ ν 0 + ( J + 1 )
ℏ
2 πI
dimana
Gambar 2.'
*
J =1,2,3, …
( Cabang R )
Disini tidak terdapat garis pada
v =v 0
karena transisi untuk ∆ J 2 3 terlarang dalam
molekul d"iatom. 1arak antara garis dalam keduanya, cabang ( dan cabang R ialah ∆ 2 ℏ
EFG? jadi momen inersia sebuah molekul dapat ditentukan dari spektrum ibrasi
rotasi inframerah seperti juga dari spektrum rotasi-murni mikrogelombang 6ambar 5-'7 menunjukkan pita absorpsi ibrasi rotasi dalam H> $)eiser, '45: 2252+&.
2.% &en!s ' &en!s #!$ras! M"lekul
#ibrasi molekul dapat dibagi dalam dua jenis yakni ibrasi regang (stretching ibrations) dan ibrasi lentur (bending ibrations). #ibrasi ikatan yang melibatkan hidrogen sangat berarti, karena atom-atom dengan massa rendah cenderung lebih mudah bergerak daripada atom dengan massa lebih tinggi. 2.%.1 Vibrasi Regangan ( tret(h!ng )
Dalam
ibrasi
ini
atom
bergerak
terus
sepanjang
ikatan
yang
menghubungkannya sehingga akan terjadi perubahan jarak antara keduanya, sehingga jarak antara atom dapat bertambah atau berkurang, "alaupun sudut ikatan tidak berubah. #ibrasi regangan ada dua macam, yaitu8 '.
egangan Simetri, unit struktur bergerak bersamaan dan searah dalam satu bidang datar.
.
egangan simetri, unit struktur bergerak bersamaan dan tidak searah tetapi masih dalam satu bidang datar.
2.%.2
Vibrasi Bengkokan ( Ben)!ng )
Selain memanjang dan memendek, ikatan antar atom dalam molekul organik dapat bergerak mengayun secara beraturan. :al ini mengakibatkan adanya perubahan sudut ikatan, sehingga ikatan menjadi bengkok. 1adi, ibrasi bengkokanEtekuk adalah pergerakan atom yang menyebabkan perubahan sudut 1
ikatan antara dua ikatan atau pergerakan dari sekelompok atom terhadap atom lainnya. #ibrasi bengkokan ini terbagi menjadi empat jenis, yaitu 8 '. #ibrasi 6oyangan ( Ro)king ), unit struktur bergerak mengayun searah dalam satu bidang datar. . #ibrasi
6untingan
(*)issoring ) ,
unit
struktur
bergerak
mengayun
berla"anan arah dalam satu bidang datar. *. #ibrasi
Dari keempat ibrasi bengkokanEtekuk, ibrasi s)issoring dan ro)king terletak pada satu bidang sedangkan ibrasi wagging dan twisting terletak di luar bidang. ;anda @ dan - pada ibrasi twisting menunjukkan arah tegak lurus dengan bidang, @ arahnya ke muka, dan - arahnya ke belakang. Suatu ikatan dalam sebuah dapat menjalani pelbagai macam ibrasi. >leh karena itu suatu ikatan tertentu dapat menyerap energi pada lebih daripada satupanjang gelombang. &isal, suatu ikatan >-: menyerap energi pada kira-kira ***3 cm-' (ibrasi ulur). Selain itu ikatan >-: juga menyerap pada kira-kira '03 cm-' (ibrasi tekuk). =rekuensi ibrasi ulur dapat didekati atau dihitung dengan menggunakan rumus :ooke. Dalam hal ini dua buah atom beserta ikatan kimia dianggap sebagai suatu isolator harmonik sederhana yang terdiri dari dua massa yang dihubungkan 11
dengan suatu per spring ). :ukum :ooke menyatakan bah"a hubungan antar frekuensi isolasi, masa atom dan konstanta gaya ikatan adalah sebagai berikut8
dimana, ν !=
m1 m2
7
m1+ m 2 Semakin banyakEbesar tetapan gaya k , maka semakin besar frekuensi ibrasi dan makin besar jarak energi diantara tingkat-tingkat kuantum ibras i. ;etapan gaya untuk ikatan tunggal atau rangkap- dua, dan rangkap tiga masing-masing 0%'3 0, '3%'30, dan '0%'3 0 dyneEcm (Sitorus, 3348 '39).
Lat!han "al
'. ialah '59 IEm . ;entukan frekuensi ibrasi molekul H> dan jarak antara tingkat energi ibrasional (perbedaan antara satu tingkat energi ibrasi dengan tingkatenergi lainnya). 1ika diketahui massa efektif (massa tereduksi) molekul H> adalah ','+
× '3-7 kg.
Penyelesaian8 rekuensi /ibrasi νo 7
√
k 2 π m' 1
7
1
√
187 N / m
2 π 1,14 x 10− 26 kg
2 ,3+ % '3 '* :J Jarak ∆ E antara tingkat energy #ibrasional dalam 0! adalah ∆$
2 $$' $$ 2 h$3 2 (7,7* % '3-*+ 1.s ) % (,3+ % '3 '* s-') 2 ',*0 % '3 -3 1 2 5,++ % '3 - e#
Kang besarnya lebih dari jarak antara tingkat energy rotasional.
∆$L
k; untuk
keadaan ibrasional untuk sampel dalam temperatur kamar, kebanyakan molekul dalam sampel seperti itu terdapat pada keadaan 2 3, keadaan energy titik nol. Situasi seperti itu sangat berbeda dengan karakteristik dari keadaan rotasional yang memiliki jarak antara tingkat energy lebih kecil, ini berarti sebagian besar molekul untuk sampel pada temperatur kamar tereksitasik ke keadaan yang lebih tinggi. 12
BAB III PENUTUP 3.1 *es!m+ulan
&olekul adalah gabungan dua atau lebih atom.Sebuah molekul merupakan grup netral secara elektris yang mengikat atom dengan cukup kuat sehingga berprilaku sebagai partikel tunggal.&olekul terbentuk karena energi sistem gabungan lebih kecil dari sistem terpisah dari atom yang tidak berinteraksi.
energi yang sangat kecil (biasanya sekitar 10
e#), dan spektrum yang timbul dari
transisi antara keadaan ini terdapat dalam daerah mikro gelombang dengan panjang gelombang diantara 3,' mm hingga ' cm. ;ingkat energy terendah molekul d"iatom timbul. Sebuah molekul yang tereksitasi secukupnya dapat melakukan osilasi harmonik sederhana.Secara klasik, frekuensi benda beribrasi bermassa m berhubungan dengan pegas pada konstanta gaya. yang kita dapatkan dalam kasus molekul d"iatom ialah situasi yang agak berbeda dari dua benda bermassa m1 dan m2 yang dihubungkan oleh pegas ;anpa medan eksternal momentum linear sistem tetap konstan. #ibrasi molekul dapat dibagi dalam dua jenis yakni ibrasi regang (stretching ibrations) dan ibrasi lentur (bending ibrations). Pada ibrasi regang (stretching ibrations atom bergerak terus sepanjang ikatan yang menghubungkannya sehingga akan terjadi perubahan jarak antara keduanya, sehingga jarak antara atom dapat bertambah atau berkurang, "alaupun sudut ikatan tidak berubah sedangkan ibrasi lentur (bending ibrations) adalah pergerakan atom yang menyebabkan perubahan sudut ikatan antara dua ikatan atau pergerakan dari sekelompok atom terhadap atom lainnya. 13
DA,TAR PUTA*A
Beiser, rthur. '45. onsep isika 3odern. 1akarta8 $rlangga http8EEariffadholi.blogspot.co.idE334E'3Espektrofotometri-infra-merah-335-i.html Sitorus, &arham. 334. *pektroskopi Elusida *truktur 3olekul !rganik . Kogyakarta8 6raha Glmu
1
14
