Spektrometer Massa untuk Menentukan Massa Inti Atom

<!– @page { size: 8.5in 11in; margin: 0.79in } H3 { margin-top: 0.19in; margin-bottom: 0.19in; page-break-after: auto } H3.western { font-family: “Times New Roman”, serif; font-size: 13pt } H3.cjk { font-family: “Times New Roman”, serif; font-size: 13pt } H3.ctl { font-family: “Tahoma”; font-size: 13pt } P { margin-bottom: 0.08in } –>

  • Inti atom

picture32

Energi pengikatan yang diperlukan oleh nukleon untuk lolos dari inti pada berbagai isotop.

Inti atom terdiri dari proton dan neutron yang terikat bersama pada pusat atom. Secara kolektif, proton dan neutron tersebut disebut sebagai nukleon (partikel penyusun inti). Jari-jari inti diperkirakan sama dengan   fm, dengan A adalah jumlah nukleon. Hal ini sangatlah kecil dibandingkan dengan jari-jari atom. Nukleon-nukleon tersebut terikat bersama oleh gaya tarik-menarik potensial yang disebut gaya kuat residual. Pada jarak lebih kecil daripada 2,5 fm, gaya ini lebih kuat daripada gaya elektrostatik yang menyebabkan proton saling tolak menolak.

Atom dari unsur kimia yang sama memiliki jumlah proton yang sama, disebut nomor atom. Suatu unsur dapat memiliki jumlah neutron yang bervariasi. Variasi ini disebut sebagai isotop. Jumlah proton dan neutron suatu atom akan menentukan nuklida atom tersebut, sedangkan jumlah neutron relatif terhadap jumlah proton akan menentukan stabilitas inti atom, dengan isotop unsur tertentu akan menjalankan peluruhan radioaktif.

Neutron dan proton adalah dua jenis fermion yang berbeda. Asas pengecualian Pauli melarang adanya keberadaan fermion yang identik (seperti misalnya proton berganda) menduduki suatu keadaan fisik kuantum yang sama pada waktu yang sama. Oleh karena itu, setiap proton dalam inti atom harusnya menduduki keadaan kuantum yang berbeda dengan aras energinya masing-masing. Asas Pauli ini juga berlaku untuk neutron. Pelarangan ini tidak berlaku bagi proton dan neutron yang menduduki keadaan kuantum yang sama.

Untuk atom dengan nomor atom yang rendah, inti atom yang memiliki jumlah proton lebih banyak daripada neutron berpotensi jatuh ke keadaan energi yang lebih rendah melalui peluruhan radioaktif yang menyebabkan jumlah proton dan neutron seimbang. Oleh karena itu, atom dengan jumlah proton dan neutron yang berimbang lebih stabil dan cenderung tidak meluruh. Namun, dengan meningkatnya nomor atom, gaya tolak-menolak antar proton membuat inti atom memerlukan proporsi neutron yang lebih tinggi lagi untuk menjaga stabilitasnya. Pada inti yang paling berat, rasio neutron per proton yang diperlukan untuk menjaga stabilitasnya akan meningkat menjadi 1,5.

picture4

Gambaran proses fusi nuklir yang menghasilkan inti deuterium (terdiri dari satu proton dan satu neutron). Satu positron (e+) dipancarkan bersamaan dengan neutrino elektron.

Jumlah proton dan neutron pada inti atom dapat diubah, walaupun hal ini memerlukan energi yang sangat tinggi oleh karena gaya atraksinya yang kuat. Fusi nuklir terjadi ketika banyak partikel atom bergabung membentuk inti yang lebih berat. Sebagai contoh, pada inti Matahari, proton memerlukan energi sekitar 3–10 keV untuk mengatasi gaya tolak-menolak antar sesamanya dan bergabung menjadi satu inti. Fisi nuklir merupakan kebalikan dari proses fusi. Pada fisi nulir, inti dipecah menjadi dua inti yang lebih kecil. Hal ini biasanya terjadi melalui peluruhan radioaktif. Inti atom juga dapat diubah melalui penembakan partikel subatom berenergi tinggi. Apabila hal ini mengubah jumlah proton dalam inti, atom tersebut akan berubah unsurnya.

Jika massa inti setelah terjadinya reaksi fusi lebih kecil daripada jumlah massa partikel awal penyusunnya, maka perbedaan ini disebabkan oleh pelepasan pancaran energi (misalnya sinar gamma), sebagaimana yang ditemukan pada rumus kesetaraan massa-energi Einstein, Emc2, dengan m adalah massa yang hilang dan c adalah kecepatan cahaya. Defisit ini merupakan bagian dari energi pengikatan inti yang baru.

Fusi dua inti yang menghasilkan inti yang lebih besar dengan nomor atom lebih rendah daripada besi dan nikel (jumlah total nukleon sama dengan 60) biasanya bersifat eksotermik, yang berarti bahwa proses ini melepaskan energi. Adalah proses pelepasan energi inilah yang membuat fusi nuklir pada bintang dapat dipertahankan. Untuk inti yang lebih berat, energi pengikatan per nukleon dalam inti mulai menurun. Ini berarti bahwa proses fusi akan bersifat endotermik.

Spektroskopi massa adalah suatu instrument yang dapat menyeleksi molekul-molekul gas bermuatan berdasarkan massa atau beratnya. Teknik ini tidak dapat dilakukan dengan spekstroskopi, akan tetapi nama spektroskopi dipilih disebabkan persamaannya dengan pencatat fotografi dan spectrum garis optic. Umumnya spectrum massa diperoleh dengan mengubah senyawa suatu sample menjadi ion-ion yang bergerak cepat yang dipisahkan berdasarkan perbandingan massa terhadap muatan.

Proses ionisasi menghasilkan partikel-partikel bermuatan positif, dimana massa terdistribusi adalah spesifik terhadap senyawa induk. Selain untuk penentuan stuktur molekul, spektum massa dipakai untuk penentuan analisis kuantitatif.

Jika didapat data IR dan NMR yang cukup lengkap, maka MS ini dapat digunakan untuk konfirmasi dengan memperhatika bobot molekul dan kemungkinan rumus strukturnya.

Prinsip Spektroskopi Massa

Merupakan suatu instrument yang menghasilkan berkas ion dari suatu zat uji, memilah ion tersebut menjadi spektum yang sesuai denganperbandingan massa terhadap muatan dan merekam kelimpahan rewlatif tiap jenis ion yang ada. Umumnya hanya ion positif yang dipelajari karena ion negative yang dihasilkan dari sumber tumbukan umumnya sedikit.

Analisis Kualitatif

Spektroskopi massa memungkinkan kita menidentifikasi suatu senyawa yang tidak diketahui, dengan mengkalibrasi terhadap senyawa yang telah diketahui seperti uap merkuri atau perfloro kerosin.

Rumus molekul suatu senyawa dapat ditentukan puncak ion molekul sudah dikenal tetapi untuk hal-hal semacam ini diperlukan spektometri beresolusi tinggi. Aturan nitrogen dapat dimanfaatkan untuk membantu penentuan rumus ini. Lazimnya semua senyawa organic mempunyai berat molekul genap tidak mengandung nitrogen atau mengandung sejumlah atom nitrogen yang genap, sedang semua senyawa organic dengan berat molekul ganjil mengandung jumlah atom nitrogen ganjil. Aturan ini berlaku untuk senyawa-senyawa kovalen yang mengandung C, H, O, S, dan Halogen. Pola fragmen dipergunakan untuk mengidentifikasi senyawa, juga memungkinkan terdapat pengenalan gugus fungsi dengan melihat puncak-puncak fragmentasi spesifik.

Hukum nitrogen menyatakan bahwa suatu molekul yang berat molekulnya merupakan bilangan genap maka molekul tersebut harus tidak mengandung nitrogen atau kalau mengandung nitrogen berjumlah genap, dan molekulnya berbilang ganjil mengandung nitrogen berjumlah ganjil.

Analisis Kuantitatif

Spectrometer massa dapat digunakan untuk analisis kuantitatif suatu campuran senyawa-senyawa yang dekat hubungannya. Analisis ini dapat dipergunakan untuk analisis campuran, baik senyawa organic ataupun anorganik yang bertekanan uap rendah. Karena pola fragmentasi senyawa campuran adalah aditif sifatnya, suatu senyawa campuran dapat dianalisis jika berada dalam kondisi yang sama.
Persyaratan dasar analisisnya adalah setiap senyawa harus mempunyai paling tidak 1 puncak yang spesifik, konstribusi puncak harus aditif dan sensitive harus reproduksible serta adanya senyawa referens yang sesuai. Dengan spektometer massa beresolusi tinggi, senyawa polimer dengan berat molekul tinggi juga dapat dianalisis.
Spectrometer massa dapat digunakan untuk analisis runutan organic terutama dengan menggunakan sumber bunga api listrik, dan ia juga dapat digunakan menganalisis unsur-unsur runutan dalam paduan atau dalam super konduktor. Tipe bunga api lstrik mmempunyai sensitivitas tinggi dan dapat menentukan sampai tingkat ppb.

Kekurangan spektrometer massa bunga api listrik adalah ketidakberaturan dari sumber dan kurang reproduksibel, tetapi kekurangan ini dapat diatasi dengan memakai sistem deteksi fotografi. Analisis kuantitatif instrumen semacam ini didasarkan pada garis-garis fotografi dengan standat yang sesuai.
Kegunaan Spektroskopi Massa

o Untuk menentukan berat molekul dengan sangat teliti sampai 4 angka dibelakang desimal.

o Spektoskopi massa dapat digunakan untuk mengetahui rumus molekul tanpa melalui analisis unsure.

Semua senyawa di alam ini terbentuk dari atom-atomnya dengan perbandingan massa atom yang tetap. Sebagai contoh dalam kehidupan sehari-hari massa sebuah anggur adalah 1 g, dan sebuah jeruk massanya tiga kali massa anggur tersebut. Dapat dikatakan bahwa massa jeruk adalah 3 g. Dengan demikian kita telah menemukan massa relatif dari anggur dan jeruk.

Bila hidrogen dan klor membentuk senyawa hidrogen klorida dengan rumus HCl, dalam senyawa ini selalu ditemukan bahwa massa atom klor 35,5 x massa atom hidrogen. Karena atom-atomnya berada dalam jumlah yang sama, maka dapat disimpulkan bahwa tiap atom klor harus 35,5 x lebih berat dari atom hidrogen. Karena itu kita telah menemukan massa relatif dari atom hidrogen dan klor.

picture5

Gambar 1. Massa relatif besi dan karbon. Massa atom besi 4,65 x massa atom karbon, hal ini berarti massa enam atom besi 4,65 x massa 6 atom karbon.

Berdasarkan contoh diatas, kita dapat melihat bahwa dengan diketahui rumus dari suatu senyawa dan mengukur perbandingan massa dari unsuru-nsurnya, dapat ditentukan massa dari atom-atomnya. Bila massa dari salah satu atom unsurnya diketahui, maka massa atom lain dari molekul dapat ditentukan, sehingga harus dicari suatu atom sebagai massa standar. Perbandingan massa satu atom dengan massa atom standar disebut massa atom relatif (Ar).

Karena atom sangat ringan, maka tidak dapat digunakan satuan g dan kg untuk massa atom, maka digunakan satuan massa atom (s. m. a) (Simbol SI adalah u). Pada mulanya dipilih hidrogen sebagai standar karena merupakan atom teringan. Kemudian diganti dengan oksigen karena dapat bersenyawa dengan hampir semua unsur lain. Jika atom hidrogen ditetapkan mempunyai massa 1 s. m. a (satuan massa atom), maka oksigen mempunyai massa 16 s. m. a. Dengan demikian yang disebut massa atom relatif (Ar) dari unsur X adalah:

picture6

Salah satu syarat massa standar adalah stabil dan murni. Tetapi karena oksigen yang terdapat di alam merupakan campuran dari tiga isotop 16O, 17O dan 18O dengan kelimpahan masing-masing 99,76%, 0,04%, dan 0,20%, akhirnya pada tahun 1960 berdasarkan kesepakatan internasional ditetapkan karbon-12 atau 12C sebagai standar dan mempunyai massa atom 12 s. m. a. Karena setiap unsur terdiri dari beberapa isotop, maka definisi massa atom relatif (Ar) diubah menjadi perbandingan massa rata-rata satu atom unsur terhadap massa atom 12C.

picture7

Dan 12C ditetapkan mempunyai massa 12 s. m. a. Setelah diteliti dengan cermat, 1 s. m. a = 1,66 x 10-24 g dan massa isotop 12C= 1,99 x 10-23 g.

Perlu dicatat bahwa massa atom relatif (Ar) merupakan perbandingan massa, sehingga tidak mempunyai satuan. Massa atom relatif sangat penting dalam ilmu kimia untuk mengetahui sifat unsur dan senyawa. Yang menjadi masalah, bagaimana menentukannya secara tepat dan benar.

Saat ini penentuan massa atom relatif dan massa molekul relatif dilakukan dengan menggunakan spektrometer massa (Gambar 2). Dengan alat ini, ternyata diketahui bahwa atom suatu unsur dapat memiliki massa yang berbeda-beda (disebut isotop). Pertama kali spektrometer massa dikembangkan oleh ahli fisika dari Inggris F. W. Aston pada tahun 1920. Dengan menggunakan alat tersebut, Aston menemukan 3 isotop neon di alam yaitu 90,92% 20Ne dengan massa 19,9924 sma; 0,26% 21Ne dengan massa 20,9940 sma; dan 8,82% 22Ne dengan massa 21,9914 sma (Gambar 3)

picture8

Gambar 2. Diagram skema salah satu jenis spektrometer massa

picture9

Gambar 3. Spektrum massa dari tiga isotop neon

Ada 20 unsur (Be, F, Na, Al, P, Sc, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Au, dan Bi) yang merupakan monoisotop. Sedangkan unsur-unsur yang lain mempunyai dua atau lebih isotop. Untuk unsur-unsur ini, massa atom relatif (Ar) merupakan nilai rata-rata massa dari setiap massa isotop atom dalam unsur tersebut dengan memperhitungkan kelimpahannya. Misalnya, untuk suatu unsur mempunyai dua macam isotop, berlaku rumus:

picture10

Sebagai contoh yang baik adalah klor, yang mempunyai dua isotop yaitu, 35Cl dan 37Cl. Di alam 75,77% atom dalam keadaan 35Cl mempunyai massa 34,968852 sma dan 24,23% adalah 37Cl yang massa atom 36,965903. Sehingga massa atom sama dengan 0,7577 (34,968852) + 0,2423 (36,965903) = 26,496 + 8,957 = 35,453 Untuk unsur yang memiliki lebih dari dua isotop, rumus tersebut dapat disesuaikan.

Tahun 1961, IUPAC menetapkan standar penetapan massa atom relatif terhadap massa isotop karbon-12 (12C). Massa beberapa isotop ditunjukkan dalam Tabel1.

picture11

Tabel 1. Massa beberapa isotop (sma)

a.      Massa Atom Relatif (Ar)

Massa Atom relatif adalah perbandingan relatif massa atom unsur tertentu terhadap massa atom unsur lainnya. Satuan Massa Atom disingkat sma.

1 sma =  x massa atom C-12

Yang berarti :

Ar X = massa rata-rata 1 atom unsur X » Ar X = pembulatan massa rata-rata 1 atom unsur X

Contoh :

Diketahui massa atom unsur Al adalah 26,98115 tentukan massa atom relatif (Ar) unsur tersebut !

Jawab :

» 26,98115 dibulatkan menjadi 27

b.      Massa Molekul Relatif (Mr)

Massa Molekul Relatif adalah perbandingan massa 1 molekul unsur atau senyawa terhadap massa atom C-12 dan dirumuskan sebagai berikut :

Mr = jumlah total Ar unsur-unsur penyusun senyawa

Atau

Mr = S Jumlah Atom. Arb

Jumlah Atom adalah hasil perkalian antara indeks dan koefisien. Indeks menyatakan jumlah atom masing-masing unsur yang ada didepannya. Jika terdapat indeks ganda (indeks didalam kurung dan indeks diluar kurung), maka terlebih dahulu dilakukan perkalian antar indeks untuk mendapatkan indeks yang akan dikalikan dengan koefisien nantinya.

Koefisien menyatakan jumlah keseluruhan atom unsur yang ada dibelakangnnya. Jika indeks dan koefisien tidak tertulis maka indeks dan koefisiennya adalah 1.

Penulisan indeks dan koefisien dilambangkan sebagai berikut

aXb

dimana,       a =     koefisien

b =     indeks

X =     lambang unsur

Contoh :

Diketahui Ar H=1, Ar C=12, Ar N=14, Ar O=16. Tentukan Mr dari senyawa (NH4)2.CO3

Jawab :

Mr (NH4)2.CO3 =   {(Jlh.Atom N.Ar N) + (Jlh.Atom H.Ar H) + (Jlh.Atom C.Ar C) + (Jlh.Atom O. Ar O)}

=   {(indeks N.indeks NH4).Koef.(NH4)2.CO3 x Ar N) + (indeks H.indeks NH4).Koef.(NH4)2.CO3 x Ar H) + (indeks C.Koef.(NH4)2.CO3 x Ar C) + (indeks O.Koef.(NH4)2.CO3 x Ar O)}

=   {(1.2 x 1 x Ar N) + (4.2.1 x 1 x Ar H) + (1.1 x  Ar C) + (3.1 x Ar O)}

=   {(2.Ar N) + (8.Ar H) + (1.Ar C) + (3.Ar O)}

=   {(2.14) + (8.1) + (1.12) + (3.16)}

=   {(28 + 8 +12 +48)}

=   96

  • Isotop

Massa atom untuk tiap atom tidak khas, dalam arti atom suatu unsur yang sama, mungkin memiliki massa yang berbeda Isotop adalah unsur yang mempunyai nomor atom yang sama tetapi nomor massa yang berbeda.

Atom-atom dari unsur yang sama, bisa mempunyai nomor massa yang berbeda disebabkan karena perbedaan jumlah neutron yang terdapat dalam inti atomnya, karena massa atom lebih ditentukan dari jumlah massa proton + jumlah massa neutronnya, sementara jumlah massa elektronnya diabaikan. Massa dari isotop dapat ditentukan dengan alat yang diberi nama Spektograf Massa.

Selain isotop, dikenal juga beberapa istilah yang lain, yaitu sebagai berikut :

  1. Isobar, merupakan atom-atom unsur yang mempunyai nomor massa sama, tetapi nomor atom dan unsurnya berbeda.

  2. Isoton, merupakan atom-atom unsur yang mempunyai jumlah neutron yang sama, tetapi nomor atom dan unsurnya berbeda.

  3. Isoelektron, merupakan atom-atom unsur yang mempunyai jumlah elektron yang sama, tetapi nomor atom dan unsurnya berbeda.

Kelimpahan Isotop di Alam

Unsur yang terdapat di alam kebanyakan terdapat sebagai campuran isotop. Massa atom relatif (Ar/Mr) dari suatu unsur dapat dicari dengan menjumlahkan persentase masing-masing isotop dari atom terhadap nomor massanya. Karena setiap isotop mempunyai massa yang berbeda, maka harga massa atom setiap unsur merupakan harga rata-rata seluruh isotopnya.

Kelimpahan isotop dialam dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut :

Massa 1 atom X rata-rata = {(%X1.massa X1) + (%X2.massa X2)}

Dimana :

% X              =     persentase atom

Massa X1 =     massa isotop ke-1

Massa X2 =     massa isotop ke-2

Contoh :

Diketahui di alam terdapat 59,98% isotop . Bila Ar Cl 36,2 dan Cl mempunyai 2 isotop, maka nomor massa isotop yang lain adalah ….

Penyelesaian

Cl ke-1      =     59,98%  à NM = 37

Cl ke-2      =     (100 – 59,98)%

=     40,02 % à NM= …?

Ar Cl        =     (%Cl-1. Massa Cl-1) + (%Cl-2. Massa Cl-2)

36,2           =     (59,98%. 37) + (40,02%. NM Cl-2)

36,2           =     (22,19926) + (40,02%. NM Cl-2)

NM Cl-2­ =     35,001 sehingga Nomor massa isotop yang lain adalah 35

Read more » " title="Share this article on Delicious">Read more » " title="Share this article on Digg">

You can leave a response, or trackback from your own site.

Comments
Trackbacks and Pings
 

Leave a Reply

Comments links could be nofollow free.

Improve the web with Nofollow Reciprocity.