Kimia Sekolah — Kelas 1 sampai 12 · Grades 1–12
34Spektroskopi Inframerah
Di rak laboratorium berdiri sebotol cairan tak berwarna yang labelnya telah sobek. Isinya mungkin alkohol, keton, atau asam: tiga keluarga yang tampak persis sama di dalam botol. Setetes cairan itu diletakkan di atas kristal spektrometer inframerah, dua menit menunggu, dan sebuah grafik muncul di layar yang menjawab pertanyaan itu. Ikatan-ikatan dalam sebuah molekul bergetar, dan setiap jenis ikatan menyerap cahaya inframerah dengan frekuensinya sendiri: spektrum inframerah adalah daftar ikatan yang ada.
Yang sudah kamu ketahui
Gugus fungsi dan keluarga senyawa (Bab 33). Spektrum serapan memperlihatkan berapa banyak cahaya yang diserap sebuah zat pada setiap panjang gelombang (Bab 29). Ikatan hidrogen menghubungkan gugus dengan molekul-molekul tetangganya (Bab 30).
34.1 Ikatan bergetar
Ikatan kovalen tidak kaku: kedua atomnya bergetar, saling mendekat dan menjauh jutaan juta kali per detik, seperti dua bola yang dihubungkan oleh pegas. Pegas yang lebih kaku (ikatan rangkap dua alih-alih ikatan tunggal) atau bola yang lebih ringan (atom hidrogen alih-alih atom karbon) bergetar lebih cepat. Sebuah ikatan dapat menyerap cahaya inframerah yang frekuensinya sesuai dengan getarannya sendiri: cahaya inframerah, yang tidak terlihat oleh mata, memiliki panjang gelombang beberapa mikrometer sampai beberapa puluh mikrometer.
Definisi 34.1 (Bilangan gelombang)
Yang disebut bilangan gelombang sebuah cahaya adalah kebalikan panjang gelombangnya, . Dalam spektroskopi inframerah, bilangan gelombang dinyatakan dalam : banyaknya panjang gelombang dalam satu sentimeter. Bilangan gelombang yang lebih besar berarti panjang gelombang yang lebih pendek dan getaran yang lebih cepat.
Contoh 34.2 (Dari bilangan gelombang ke panjang gelombang)
Pita pada sesuai dengan . Spektrum inframerah biasanya terbentang dari () sampai ().
34.2 Membaca spektrum inframerah
Definisi 34.3 (Spektrum inframerah, transmitans)
Yang disebut transmitans sebuah sampel pada bilangan gelombang tertentu adalah persentase cahaya inframerah yang menembusnya: jika tidak ada yang diserap. Yang disebut spektrum inframerah sebuah senyawa adalah grafik terhadap bilangan gelombang, yang menurut kesepakatan digambar dengan bilangan gelombang yang mengecil dari kiri ke kanan.
Definisi 34.4 (Pita serapan, daerah sidik jari)
Yang disebut pita serapan adalah lekukan ke bawah pada transmitans: cahaya dengan bilangan-bilangan gelombang itu diserap oleh sebuah ikatan. Letaknya menunjukkan ikatan yang mana, lebar dan dalamnya melengkapi gambarannya. Di bawah sekitar , spektrum dipenuhi pita-pita yang bergantung pada seluruh molekul: daerah sidik jari ini mengenali sebuah senyawa dengan membandingkannya dengan spektrum yang sudah diketahui, tetapi sukar dibaca ikatan demi ikatan.
Di laboratorium — Merekam spektrum
Kebanyakan spektrometer di sekolah dan universitas kini memakai kristal intan kecil: setetes cairan, atau beberapa butir padatan yang ditekan oleh penjepit, diletakkan di atas kristal, dan berkas inframerah yang menyerempet permukaannya memeriksa sampel itu. Kristal itu mula-mula direkam dalam keadaan bersih (“latar belakang”), yang berperan sebagai blanko. Kristal dibersihkan dengan tisu dan sedikit pelarut di antara dua sampel.
34.3 Pita-pita khas
Proposisi 34.5 (Setiap jenis ikatan memiliki pitanya)
Setiap jenis ikatan menyerap pada rentang bilangan gelombang yang khas, hampir sama dari satu molekul ke molekul lain:
| ikatan | bilangan gelombang () | tampilan |
|---|---|---|
| bebas (gas, encer) | sekitar 3600 | tajam |
| terikat hidrogen (alkohol cair) | 3300–3400 | lebar, kuat |
| asam karboksilat | 2500–3300 | sangat lebar |
| amina | 3300–3500 | sedang (dua pita untuk ) |
| rantai | 2850–2960 | kuat |
| ester | sekitar 1735 | sangat kuat, tajam |
| aldehida | sekitar 1730 | sangat kuat, tajam |
| keton | sekitar 1715 | sangat kuat, tajam |
| asam karboksilat | sekitar 1710 | sangat kuat, lebih lebar |
| sekitar 1650 | sedang | |
| alkohol | sekitar 1050 | kuat |
Bukti. Rentang-rentang ini diukur pada banyak senyawa. Rentang itu berkelompok menurut ikatan karena getaran sebuah ikatan terutama bergantung pada ikatan itu sendiri dan kedua atomnya, dan hanya sedikit pada bagian molekul yang lain. ∎
Proposisi 34.6 (Ikatan hidrogen melebarkan pita O–H)
Jika gugus-gugus dihubungkan oleh ikatan hidrogen, seperti pada alkohol cair, pitanya lebar dan terletak pada bilangan gelombang yang lebih rendah (sekitar 3300–); tanpa ikatan hidrogen, seperti dalam keadaan gas, pitanya tajam dan berada di sekitar .
Bukti. Diterima tanpa bukti: ikatan hidrogen menarik atom hidrogen dan melonggarkan ikatan , yang lalu bergetar lebih lambat; dan karena setiap molekul terikat sedikit berbeda, pitanya menyebar dalam suatu rentang. ∎
34.4 Mengenali gugus fungsi
Metode 34.7 (Membaca spektrum inframerah)
- Lihatlah dulu bagian di atas ; biarkan daerah sidik jari untuk dibandingkan dengan spektrum yang sudah dikenal.
- Di sekitar : pita yang sangat kuat berarti gugus (aldehida, keton, asam, ester, amida).
- Antara 2500 dan : pita lebar di sekitar berarti alkohol; pita yang sangat lebar dari 2500 sampai disertai berarti asam karboksilat; pita-pita sedang pada 3300– berarti .
- Gabungkan dengan rumus molekulnya untuk memilih keluarganya, lalu periksalah dengan letak pita jika ada.
Contoh 34.8 (Membaca keenam spektrum)
Etanol (A) memperlihatkan pita yang lebar di sekitar , pita-pita tepat di bawah , dan pita yang kuat di sekitar , tetapi tidak ada apa-apa di sekitar . Dalam keadaan gas (B), pita -nya menjadi garis tajam pada . Propanon (C) tidak memiliki pita tetapi memiliki yang sangat kuat pada . Asam etanoat (D) memperlihatkan keduanya: pita yang sangat lebar dari 2500 sampai dan pada . Etil etanoat (E) memiliki pada dan yang kuat di sekitar , dan tidak ada . Etanamina (F) memperlihatkan dua pita sedang di atas .
34.5 Latihan
Latihan 34.1 ★
Ubahlah menjadi panjang gelombang dalam mikrometer: dan . Manakah yang sesuai dengan getaran yang lebih cepat?
Solusi
Solusi Latihan 34.1.
; . Pita pada , yang bilangan gelombangnya lebih besar, milik getaran yang lebih cepat.
Latihan 34.2 ★
Panjang gelombang diserap. Berikan bilangan gelombangnya dalam .
Solusi
Solusi Latihan 34.2.
, jadi .
Latihan 34.3 ★
Ikatan apa yang menyerap: di sekitar ; di sekitar (lebar); antara 2850 dan ?
Latihan 34.4 ★
Pada spektrum C (propanon), carilah pita yang paling kuat. Pita itu milik ikatan apa?
Solusi
Solusi Latihan 34.4.
Pita pada : ikatan .
Latihan 34.5 ★
Mengapa spektrum inframerah digambar dengan sumbu transmitans, dengan pita-pita yang mengarah ke bawah? Apa arti ?
Solusi
Solusi Latihan 34.5.
Alat itu mengukur cahaya yang menembus sampel; di tempat sebuah ikatan menyerap, cahaya yang lolos lebih sedikit dan kurvanya melekuk ke bawah. berarti tidak ada cahaya dengan bilangan gelombang itu yang diserap.
Latihan 34.6 ★★
Sebuah senyawa memperlihatkan pita yang sangat kuat pada dan tidak ada pita di atas . Senyawa lain, , memperlihatkan pita lebar di sekitar dan tidak ada pita di sekitar . Termasuk keluarga apa keduanya? Usulkan nama untuk masing-masing.
Latihan 34.7 ★★
Jelaskan mengapa pita asam etanoat begitu lebar, bahkan lebih lebar daripada pita etanol cair.
Solusi
Solusi Latihan 34.7.
Gugus-gugus pada asam itu berikatan hidrogen dengan sangat kuat (molekul-molekulnya berpasangan, setiap berikatan dengan molekul pasangannya), dan setiap molekul terikat sedikit berbeda: pitanya makin dilonggarkan dan tersebar pada rentang yang sangat lebar.
Latihan 34.8 ★★
Bandingkan spektrum A dan B etanol. Apa yang berubah, dan mengapa?
Solusi
Solusi Latihan 34.8.
Dalam keadaan cair (A), pita -nya lebar, di sekitar ; dalam keadaan gas (B), tempat molekul-molekulnya berjauhan dan tidak membentuk ikatan hidrogen, pita itu tajam di sekitar .
Latihan 34.9 ★★
Propanal dan propanon sama-sama . Keduanya memperlihatkan pita yang kuat. Dapatkah inframerah membedakan keduanya dari pita itu saja? Apa lagi yang dapat membantu?
Solusi
Solusi Latihan 34.9.
Hampir tidak: sekitar untuk aldehida dan untuk keton, nilai yang berdekatan. Membandingkan seluruh spektrum, termasuk daerah sidik jarinya, dengan spektrum acuan akan memutuskannya, atau dengan teknik lain.
Latihan 34.10 ★★
Sebuah senyawa memperlihatkan pita yang kuat pada , pita yang kuat di sekitar , dan tidak ada apa-apa di atas . Rumusnya . Keluarga apa? Apakah asam etanoat mungkin? Asam butanoat?
Solusi
Solusi Latihan 34.10.
Sebuah ester ( di sekitar , yang kuat, tanpa ), misalnya etil etanoat. Asam etanoat adalah , bukan . Asam butanoat memiliki rumus yang tepat tetapi akan memperlihatkan pita asam yang sangat lebar: dikesampingkan.
Latihan 34.11 ★★
Spektrum mana dari keenam spektrum itu yang paling mirip dengan spektrum molekul propan-1-ol? Asam propanoat? Jelaskan.
Solusi
Solusi Latihan 34.11.
Propan-1-ol adalah alkohol: seperti A. Asam propanoat adalah asam karboksilat: seperti D.
Latihan 34.12 ★★★
Propan-2-ol dapat dioksidasi menjadi propanon. Seorang siswa mengikuti reaksi itu dengan merekam spektrum sampel yang diambil setiap sepuluh menit. Uraikan bagaimana spektrum-spektrum itu berubah. Bagaimana ia mengetahui bahwa reaksinya telah selesai?
Solusi
Solusi Latihan 34.12.
Pita yang lebar di sekitar mengecil sementara pita yang kuat di sekitar membesar. Reaksinya selesai ketika pita telah hilang dan pita tidak membesar lagi.
Latihan 34.13 ★★★
Asam butanoat dan etil etanoat adalah isomer, . Uraikan dua perbedaan antara spektrum inframerah keduanya, dan jelaskan.
Solusi
Solusi Latihan 34.13.
Asam butanoat memperlihatkan pita yang sangat lebar dari 2500 sampai , esternya tidak; asam terletak di sekitar , lebih lebar, sedangkan milik ester di sekitar , tajam, dengan pita yang kuat di sekitar . Asam memiliki gugus yang berikatan hidrogen, yang juga sedikit melonggarkan -nya.
Latihan 34.14 ★★★
Sebuah sampel etil etanoat memperlihatkan, selain pita-pita yang diharapkan, pita lebar yang lemah di sekitar . Usulkan dua pengotor yang dapat menyebabkannya (pikirkan cara ester dibuat, dan udara). Bagaimana sampel itu dapat diperiksa?
Latihan 34.15 ★★★
Pita keton terletak di sekitar , pita di sekitar , dan pita di sekitar . Dengan gambaran dua bola pada sebuah pegas, jelaskan mengapa ikatan rangkap dua bergetar lebih cepat daripada ikatan tunggal . Mengapa pita , , dan semuanya berada pada bilangan gelombang yang tinggi?
Solusi
Solusi Latihan 34.15.
Ikatan rangkap dua adalah pegas yang lebih kaku daripada ikatan tunggal antara atom-atom yang sama: ikatan itu bergetar lebih cepat, pada bilangan gelombang yang lebih tinggi (1715 dibandingkan ). Ikatan , , dan semuanya melibatkan atom hidrogen, yang paling ringan: bola ringan pada pegas bergetar cepat, sehingga bilangan gelombangnya sekitar 2900–.
34.6 Soal: Tiga Botol Tanpa Label
Soal 34.1
Soal akhir pekan — tiga botol kehilangan labelnya: botol mana berisi apa, dan panjang gelombang berapa yang paling kuat diserap keton?
Tiga botol berisi cairan tak berwarna kehilangan labelnya. Daftar persediaan menyebutkan bahwa isinya etanol, propanon, dan asam etanoat. Spektrumnya direkam: botol 1 memberikan spektrum seperti A, botol 2 seperti D, botol 3 seperti C.
Bagian I — Calon-calonnya.
- Tuliskan rumus struktur ringkas etanol, propanon, dan asam etanoat.
- Berikan rumus molekulnya.
- Sebutkan gugus fungsi masing-masing.
- Ikatan mana pada masing-masing yang seharusnya memberikan pita di atas ?
Bagian II — Spektrum-spektrumnya.
- Botol 1: adakah pita ? Pita ? Senyawa apakah itu?
- Botol 2: uraikan dua cirinya yang paling menonjol. Senyawa apa?
- Botol 3: senyawa apa? Pita mana yang menentukan?
- Dapatkah baunya membedakan ketiganya? Mengapa lebih baik tidak mencobanya?
- Mengapa pita botol 2 lebih lebar daripada pita botol 1?
Bagian III — Isomer.
- Metoksimetana adalah isomer etanol. Tuliskan rumusnya. Pita etanol mana yang tidak akan ada pada spektrumnya?
- Propanal adalah isomer propanon. Pita mana yang dimiliki keduanya? Di mana letaknya pada masing-masing?
- Metil metanoat, , adalah isomer asam etanoat. Pita asam mana yang tidak akan ada? Di mana pita -nya akan terletak?
- Mengapa rumus molekul saja tidak dapat mengenali sebuah senyawa, sedangkan rumus dan spektrum bersama-sama biasanya dapat?
Bagian IV — Panjang gelombangnya.
- Berapa bilangan gelombang pita propanon yang paling kuat?
- Nyatakan dalam .
- Hitung panjang gelombang yang diserap, dalam meter, lalu dalam mikrometer.
- Apakah cahaya itu terlihat? Termasuk radiasi jenis apa?
- Lakukan hal yang sama untuk pita etanol di sekitar .
- Manakah di antara kedua ikatan itu yang bergetar lebih cepat?
- Nyatakan jawaban akhirnya: panjang gelombang berapa yang paling kuat diserap ikatan pada propanon?
Solusi
Solusi Soal 34.1.
1. ; ; .
2. ; ; .
3. Hidroksil; karbonil (keton); karboksil.
4. Etanol: dan . Propanon: dan . Asam etanoat: , , dan .
5. Tidak ada pita , ada pita yang lebar: etanol.
6. Pita yang sangat lebar dari 2500 sampai dan yang kuat di sekitar : asam etanoat.
7. Propanon: pita yang sangat kuat pada , tanpa .
8. Mungkin (cuka, pelarut, alkohol), tetapi mengendus cairan yang tidak diketahui itu berbahaya; spektrum aman dan pasti.
9. Gugus-gugus asam berikatan hidrogen lebih kuat (molekul-molekulnya berpasangan), sehingga pitanya lebih rendah dan jauh lebih lebar.
10. , ; senyawa itu tidak memiliki , jadi tidak ada pita .
11. Pita : sekitar untuk propanal, sekitar untuk propanon.
12. Pita : ester tidak memiliki . Pita -nya akan terletak di sekitar .
13. Isomer-isomer memiliki rumus yang sama; gugus fungsinya berbeda, dan spektrum memperlihatkan gugus-gugus itu.
14. .
15. .
16. .
17. Tidak: cahaya tampak terbentang dari sekitar 0.4 sampai . Radiasi itu adalah radiasi inframerah.
18. , jadi .
19. Ikatan (bilangan gelombang lebih tinggi, panjang gelombang lebih pendek).
20. Sekitar .