Aplikasi gelombang elektromagnetik pada reaksi kimia

Fotokimia adalah cabang dari ilmu kimia yang mempelajari tentang interaksi antara

cahaya dan atom atau molekul. Fotokimia melibatkan absorpsi cahaya untuk menciptakan

keadaan teraksitasi yang mungkin bisa terjadi melalui banyak jalur reaksi. Ini termasuk

reaksi unimolekular seperti disosiasi, ionisasi dan isomerisasi; reaksi bimolecular, yang

melibatkan reaksi dengan atom atau molekul kedua untuk membentuk senyawa baru dan

reaksi yang menghasilkan emisi cahaya atau luminescence. Reaksi Fotokimia banyak terjadi

di lingkungan sekitar kita. Termasuk proses melihat mata kita, fotosintesis, fotografi dan

pemecahan lapisan ozon.

Prinsip Fotokimia

Cahaya memiliki sifat dualitas (sebagai partikel dan gelombang)

Cahaya diserap dan diemisikan oleh materi dalam paket-paket kuanta tertentu (foton)

Energi tiap foton berbanding lurus dengan frekuensinya (v) dengan persamaan:

E = hv

kimiawan biasanya menggunakan terminology hv untuk menunjukkan reaksi reaktan

dengan foton

Misal: O3 + h O2 + O

Panjang gelombang ( ) berhubungan dengan frekuensi gelombang

= u u = kecepatan

kecepatan foton = kecepatan cahaya c = 3.000 x 108 m/s sehingga

E = hc/ h = konstanta planc (6.626 x 10-34 J s)

Semakin pendek panjang gelombang ( ) Semakin besar energy yang ditransfer ke

materi saat absorpsi

Foton berupa radiasi elektromagnetik pada umumnya dapat dikelompokkan menjadi

beberapa jenis gelombang. Untuk rentang panjang gelombang beserta jenis

gelombangnya diperlihatkan pada gambar berikut:

Proses Fotokimia

Reaktan tereksitasi ke keadaan energy yang lebih tinggi sehingga mendorong terjadinya

pematahan atau pembentukan ikatan.

Sebuah spesies tereksitasi karena foton dapat bereaksi dengan berbagai jalur reaksi

Langkah reaksi fotokimia:

1. Absorpsi

XY + h XY* * = molekul tereksitasi

2. decomposisi

XY* X + Y

4A. Jenis-jenis reaksi fotokimia

K1. Dissosiasi (pemecahan) misal Pemecahan lapisan ozone dengan UV

Bentuk umum disosiasi:

AB* A + B(*)

Energi dari foton yang terabsorpsi bisa mencapai keadaan cukup untuk memutus ikatan

molecular untuk menghasilkan dua atau lebih fragmen atom atau molekul. Salah satu contoh

penting disosiasi tersebut ditemukan pada fotokimia ozon. Ozon (O3) diproduksi di stratosfer

dari molekul oksigen(O2) melalui reaksi: O2 + h O + O dan O + O2 O3 dimana hv menunjukkan energy foton sinar UV dengan panjang gelombang kurang dari 260 nm. Ozon juga

terdisosiasi oleh sinar UV dengan panjang gelombang pendek (200-300 nm) serta energy sekitar

600-300 kJ/mol melalui reaksi O3 + h O2 + O. Atom oksigen yang terbentuk ini bias bereaksi dengan molekul oksigen untuk menghasilkan ozon yang menyebabkan siklus ozon.

K2. Isomerisasi misal trans-retinal (terbentuk dari vit A) menjadi cis retinalMolekul yang

tereksitasi mungkin dapat memiliki proses penataan ulang ikatan-ikatannya yang menghasilkan

molekul baru yang terbentuk dari atom-atom yang sama namun terhubung dengan orientasi yang

berbeda. Proses ini disebut isomerisasi.

Bentuk umum isomerisasi:

Contoh isomerisasi adalah pada vitamin a yaitu dari 11-cis-retinal menjadi all-trans-retinal

Foton mengenai vitamin A dan karena rotasi ikatan C11=C12, berdasarkan gambar gelombang

mencapai interseksi antara keadaan tereksitasi dan keadaan dasar. Pada titik ini 2/3 dari

molekul-molekul yang ada memiliki cukup energi untuk mengalami penataan ulang atom

C9=C10 dan menghasilkan produk final yaitu all-trans 11-retinal yang disebut mekanisme

bicycle pedal. Sedangkan 1/3 dari molekul-molekul yang ada lebih suka untuk kembali ke

keadaan awal reaktan.

K3. Chemieluminescence reaksi kimia yang menghasilkan gelombang elektromagnetik

Bentuk umum luminesensi:

Spesies dengan keadaan tereksitasi bisa mengemisikan cahaya dalam proses yang disebut

luminesensi. Jika proses tersebut cepat, proses tersebut disebut fluoresensi dan jika prosesnya

lambat dikenal sebagai phosphoresensi. Jika keadaan tereksitasinya merupakan hasil reaksi

kimia, system tersebut dapat digunakan untuk memproduksi cahaya kimia. Contoh luminesensi adalah pada natrium dan senyawa 4 karbon cincin (oxalic per-anhidrida) yang merupakan

gabungan 2 senyawa karbondioksida. Cincin tersebut dapat mengalami retrocycloaddition untuk

menghasilkan 2 molekul karbon dioksida dimana salah satu molekul CO2 tersebut dalam keadaan

tereksitasi. CO2 keadaakn tereksitasi ini dengan cepat mengemisikan foton berupa cahaya UV.

4B. Foton dari gelombang elektromagnetik pada berbagai panjang gelombang dapat

berinteraksi dengan materi kimiawi dengan beberapa cara:

K4. Gelombang IR menyebabkan molekul bervibrasi

TEORI INFRAMERAH

SPEKTRA VIBRASI

Vibrasi molekul dapat terjadi dengan dua mekanisme yang berbeda:

1. Kuanta radiasi inframerah secara langsung mengeksitasi atom: absorpsi

radiasi inframerah oleh atom menghasilkan spektrum inframerah.

2. Kuanta radiasi tampak secara tidak langsung juga dapat menghasilkan

vibrasi molekul, disebut dengan efek Raman.

Konsep dasar vibrasi atom

Untuk memahami konsep dasar tentang spectra vibrasi akan ditinjau ikatan kovalen sederhana

dari dua atom sebagai suatu pegas/per yang menghubungkan 2 atom dengan massa m1 dan m2.

Kekuatan tarik pegas dinyatakan sebagai konstanta gaya, k.

Gb. Penggambaran 2 atom yang ber- ikatan sebagai bola dan pegas yangbergetar searah dengan

ikatan/pegas

Jika system tersebut digetarkan (dengan ditarik searah ikatan kemudian dilepas), maka frekuensi

(n) vibrasi yang terjadi dapat diterangkan dengan Hukum Hooke tentang getaran harmonic

sederhana:

n = 1/2p (k/m)1/2

di mana m adalah massa tereduksi kedua atom yang didefinisikan dengan persamaan berikut:

1/m = 1/m1 + 1/m2

atau,

m = (m1m2)/(m1+m2)

menurut teori kuantum vibrasi molekul tidak boleh terjadi dengan frekuensi yang sembarang dan

energinya harus tertentu sesuai dengan bilangan kuantumnya (Ev):

Ev = (v + ) hn

Di mana v = 0, 1, 2, 3, , dst dan h adalah konstanta Planck.

Sebagai contoh jika suatu molekul mengalami transisi energi vibrasi dari level terendah ground

state (v = 0) ke transisi tingkat pertama (v = 1) dengan cara menyerap radiasi IR, maka frekuensi

radiasi untuk transisi tersebut menurut prinsip Bohr adalah

hn = E1 Eo

dan juga diperoleh Eo = hn dan E1 = 3/2 hn, dengan demikian,

(E1 Eo)/h = n

Prinsip dasar :

Absorpsi terhadap radiasi inframerah dapat menyebabkan eksitasi energi vibrasi molekul

ke tingkat energi vibrasi yang lebih tinggi dan besarnya absorpsi adalah terkuantitasi dan

spesifik.

Vibrasi yang normal mempunyai frekuensi sama dengan frekuensi radiasi

elektromagnetik yang diserap sehingga bersifat spesifik terhadap atom2 yang berikatan

atau gugus fungsi tertentu.

Proses absorpsi (spektra Inframerah) hanya dapat terjadi apabila terdapat perubahan baik

nilai maupun arah dari momen dwikutub ikatan.

Dengan cara yang sama transisi energi vibrasi juga dapat terjadi dari tingkat energi

terendah (v = 0) ke tingkat energi kedua (v = 2) dengan frekuensi sebesar 2v

K5.Gelombang UV-vis menyebabkan transisi elektronik pada molekul

K6.Gelombang sinar X menyebabkan elektron pada molekul terionisasi