Sunday, 30 April 2017

Fotokimia

loading...
Fotokimia adalah fenomena yang mengkaitkan reaksi kimia dengan cahaya.  Bisa reaksi kimia yang mengahasilkan cahaya atau sebaliknya cahaya yang menghasilkan reaksi kimia.  Pada bagian ini, kita akan membahas hukum Planck, tingkat energi elektronik, vibrasi, rotasi, dan magnetik pada molekul serta perbedaan jenis spektroskopi yang dipakai untuk mempelajari transisi molekul.


fotokimia



Banyak reaksi kimia yang diawali atau dipengaruhi oleh cahaya.  Suatu contoh adalah reaksi:
H2 (g)   +  Cl2 (g)  ®  2HCl (g). 
Reaksi ini tentu saja sangat umum secara termodinamika dengan DHo = - 184,6 kJ/mol dan DGo = -191 kJ/mol.  Meski demikian, H2 dan Cl2 tidak akan bereaksi dalam gelap.  Reaksi tersebut akan sangat cepat dan bisa meledak jika ada cahaya.
            Cahaya seharusnya memiliki energi minimum untuk dapat memecahkan ikatan Cl – Cl yang merupakan reaksi inisiasi:
                        Cl2 (g)  +  hv   ®  2Cl×
Energi ikatan dari ikatan Cl – Cl adalah 242 kJ/mol.  Jadi energi yang dibutuhkan untuk memecahkan satu ikatan Cl – Cl adalah 242 000 J / 6,02 x 1023 = 4,02 x 10-19 J.  Kuantum cahaya yang paling sedikit pada energi ini menurut hukum Planck adalah: 

E=h.ν                                                                                                                                                                                  
c=vl   
dengan c = 3,00 x 108 m det-1 dan h = 6,626 x 10-34 J det, kami menemukan bahwa frekwensi dari cahaya kuantum, v,  adalah:


frekuensi dari cahaya kuantum



Cahaya dari panjang gelombang lebih pendek (energi lebih besar) juga akan dapat memecahkan ikatan Cl – Cl.  Reaksi inisiasi fotokimia
reaksi inisiasi fotokimia


  memicu reaksi  H2 + Cl×  ®  HCl  +  H×.  Ini mengarah ke reaksi rantai yang prosesnya cepat seperti yang akan dijelaskan kemudian.
Contoh:
Hitunglah panjang gelombang maksimum dari suatu foton yang dapat memecahkan ikatan Br – Br jika energi ikatan Br – Br- adalah 193 kJ/mol.                                                                                        (Jawaban: 620 nm)
Pertanyaan:  Jika cahaya tampak dapat memecahkan ikatan Br2, kenapa Br2 stabil pada siang hari?
Jawaban: Karena terjadi reaksi terminasi 2Br×  ®  Br2.

Perhitungan-perhitungan ini menghasilkan energi yang dibutuhkan untuk memecahkan ikatan kimia.  Itu untuk mengeluarkan elektron dalam molekul seluruhnya dari keadaan dasar ke tingkat energi disosiasi.  Akan tetapi, molekul, seperti juga atom, memiliki keadaan tereksitasi yang merupakan energi intermediate dan tidak menuju disosiasi. 




Tingkat Energi Rotasi, Vibrasi dan Elektronik pada Molekul

            Elektron pada atom menempati tingkat energi.  Untuk kasus yang sederhana, seperti atom hidrogen , tingkat energi elektroniknya diberikan oleh persamaan:
tingkat energi atom hidrogen




dengan m = massa elektron, e = muatan elektron, eo = permitivitas pada ruang vakum.  Faktor (1/4peo)2 adalah fkator konversi SI pada hukum Coulomb.  Dengan demikian nilai konstanta Rydberg adalah RH = 109 677 cm-1 = 10 967 700 m-1.
Tingkat Energi Atom Hidrogen

 


Ketika elektron berubah bilangan kuantum utama n, energi terabsorpsi (Dn = +) atau terpancarkan (Dn = -).  Transisi elektronik memiliki energi normal pada daerah UV/Vis pada spektrum elektromagnetik.  Sebagai contoh, garis emisi pada spektrum atom H menunjukkan transisi dari n = 3 ke n = 2 memiliki energi:
persamaan panjang gelombang energi ionisasi
fotokimia


Tingkat Energi Elektronik dan Transisi Elektronik pada Molekul

            Elektron valensi pada molekul menempati orbital molekul.  Perhitungan mekanika kuantum energi dari orbital molekul pada molekul masih sangat sulit tetapi untuk molekul-molekul sederhana, energi dapat diperkirakan secara “ab initio” dengan tingkat ketepatan yang cukup tinggi.  Secara kualitatif, kami mengasumsi bahwa orbital molekul dapat dibangun dengan mengkombinasikan orbital-orbital atom dari atom-atom pada suatu molekul.  Sebagai contoh energi orbital molekul diatomik pada periode kedua Seperti hal atom, elektron valensi akan mengisi orbital mulai dari energi yang paling rendah, pada elektron dimulai dari keadaan dasar.
 
Tingkat Energi Orbital Molekul (a) O2 dan (b) Diatomik Periode 2

Tingkat Energi Orbital Molekul (a) O2 dan (b) Diatomik Periode 2
 
Transisi elektronik molekul terjadi ketika elektron valensi berpindah dari orbital paling rendah yang ada ke orbital yang lebih tinggi.  Pada molekul seperti halnya atom, transisi elektronik menyerap atau memancarkan cahaya pada daerah UV/Vis pada spektrum yang memberi munculnya warna senyawa (Catatan:  Senyawa “putih” atau “tidak berwarna” akan mentransisi hanya pada daerah UV, yang tidak bisa dilihat oleh mata manusia).

            Keadaan elektronik dengan semua elektron berpasangan pada spin maka spin total, S = 0 yang disebut keadaan singlet (S).  Jika ada dua elektron tidak berpasangan (spin totalnya S=1), kita menyebutnya keadaan triplet (T).  Keadaan dasar O2 adalah keadaan triplet.  Keadaan triplet yang tereksitasi memiliki waktu hidup panjang (molekul tidak dapat dengan mudah jatuh kembali ke keadaan dasar karena “aturan seleksi” mekanika kuantum yang menyatakan bahwa pada transisi elektronik, spin total tidak diijinkan atau diperbolehkan untuk berubah).  Jika energi orbital molekul (OM) lebih rendah (lebih negatif) dari orbital atom (OA)-nya, kami menyebutkannya “orbital ikatan”.  Dan jika energi OM lebih tinggi dari OA, kami menyebutkannya “orbital antiikatan”.  Sebagai contoh OM untuk elektron p (diberikan dari elektron-p) dari benzena (C6H6) (Gambar 2.3).  Perhatikan bahwa keadaan dasar untuk anion benzena-2 dan kation benzena+2 adalah keadaan triplet.  Tentu saja kedua-dua ion tersebut tidak lazim tetapi dapat diamati pada fase gas dalam spektroskopi massa atau fotoelektron.  Pada spektroskopi elektronik molekul, kita jarang mengamati adsorpsi atau garis emisi yang tajam, spektra elektronik kita karakterisasi dengan tampilan ikatan-ikatan spektral.  Salah satu alasan untuk ini adalah aturan vibrasi molekul.  
Orbital Molekul Elektron π dari Benzena
Orbital Molekul Elektron π dari Benzena

Tingkat Energi Vibrasi dan Transisi Vibrasi

Posisi atom-atom pada molekul tidaklah diam, molekul tidak pernah tenang.  Vibrasi mengakibatkan perubahan-perubahan jarak antara atom.  Sebagai akibatnya energi potensial meningkat.  Kasus sederhana adalah untuk molekul diatomik yang berperilaku sebagai “getaran harmonik”.  Disebut harmonik karena gaya untuk menormalkan sebanding dengan perubahan pada panjang ikatan dari nilai kesetimbangan seperti pada hukum Hooke:
perubahan pada panjang ikatan dari nilai kesetimbangan menurut hukum Hooke
hukum Hooke
Karena pada osilator harmonik murni semua tingkat energi berjarak sama, kita seharusnya hanya melihat absorpsi atau puncak emisi pada DE = (h/2p)w.  Pada kebanyakan molekul, energi ini berada pada daerah IR pada spektrum elektromagnetik.  Akan tetapi, untuk cahaya yang diabsorpsi atau dipancarkan, haruslah terjadi perubahan dipol elektrik.  Untuk alasan ini, transisi vibrasi pada molekul diatomik homonuklear tidak dapat diamati pada spektroskopi IR vibrasi murni.  Kita menyebutnya IR-takaktif.  Vibrasi tidak simetri pada molekul poliatomik dapat diamati pada spektrum IR.  Frekwensi vibrasi IR berkisar Ir-dekat (1000 nm atau 10 000 cm-1), daerah IR-normal (5000 – 500 cm-1) sampai IR-jauh (500 – 100 cm-1) yang masuk daerah mikromave.  Tingkat vibrasi berada di atas transisi elektronik seperti yang didiskusikan pada bagian 2.3.




Tingkat Energi Rotasi dan Transisi Rotasi

Frekwensi rotasi suatu molekul yang ditentukan juga oleh mekanika kuantum dan subjek yang terkuantitasikan.  Tingkat energi rotasi adalah berada di atas tingkat energi vibrasi.  Secara umum energi rotasi rendah.  Penyelesaian dari persamaan Schrodinger untuk energi rotasi suatu rotor liner adalah:

ER=J(J+1)hcB     
                                                                                                                                        
di mana J = 0, 1, 2, … yang merupakan bilangan kuantum rotasi dan 
energi rotasi suatu rotor liner




I adalah momen inersia yang didefinisikan sebagai



dan B adalah konstanta rotasi.

Karena jarak antar tingkatan meningkat dengan meningkatnya J, transisi rotasi (DJ=±J) berada di atas frekwensi vibrasi sebagai deret garis yang meluas garis vibrasi yang diamati.
            Spektra rotasi murni sangat jauh dari IR 10 –200 cm-1.  Sebagai contoh ekstasi mikrowave H2O yang adalah eksitasi rotasi murni.
Catatan:  IR-sangat jauh berarti l sangat panjang dan energi per kuantum sangat rendah.

Kami tak mampu menjelaskan secara mendetail dan secara lengkap materi fotokimia itu sendiri, materi diatas hanya pernyataan-pernyaataan umum, jika anda ingin memahami dan belajar lebih dalam lagi tentang biologi, fisika atau matematika, anda bisa mengunduh sebuah aplikasi android bernama ruang guru, aplikasi tersebut berisi berbagai macam materi, contoh soal, serta video pembalajarn tentang fisika dan kimia. Anda dapat mengunduhnya secara gratis aplikasi ruang guru melalui play store


Selain itu, saat ini ruang guru juga mengadakan  promo program Ruang Les - Paket SBMPTN untuk mengikuti program persiapan SBMPTN, dimana anda dapat belajar dalam persiapan intensif SBMPTN bagi siswa SMA dengan guru privat yang siap membantu anda. Paket try out ini termasuk dengan sesi belajar privat, tryout SBMPTN, serta konseling jurusan bagi anak & orang tua. Jika tertarik anda dapat mendaftar disitu resmi ruang guru pada melalui link berikut ini.