35  Dasar Spektroskopi (IR, NMR, MS)

Spektroskopi adalah cara “membaca” struktur molekul dari interaksinya dengan energi: IR melihat gugus fungsi, NMR melihat kerangka atom H dan C, MS melihat massa molekul. Tiga alat ini sering muncul berbarengan untuk menebak struktur senyawa organik.

35.1 Bilangan gelombang (dasar IR)

IR mengukur getaran ikatan. Sumbu-x spektrum IR pakai bilangan gelombang \(\tilde{\nu}\) (satuan \(\text{cm}^{-1}\)), yang merupakan kebalikan panjang gelombang:

\[ \tilde{\nu} = \frac{1}{\lambda} \]

Makin kuat/kaku ikatan dan makin ringan atomnya, makin tinggi \(\tilde{\nu}\) serapannya. Itu sebabnya ikatan rangkap menyerap di angka lebih tinggi daripada ikatan tunggal.

35.2 IR: rentang gugus fungsi

Hafalkan beberapa “sidik jari” utama berikut — cukup untuk menebak gugus dari soal:

Gugus / ikatan	Rentang \(\tilde{\nu}\) (\(\text{cm}^{-1}\))	Ciri pita
O–H (alkohol)	3200–3550	lebar, membulat
O–H (asam karboksilat)	2500–3300	sangat lebar
N–H (amina/amida)	3300–3500	1–2 puncak tajam
C–H (sp³)	~2850–2960	sedang
C≡N / C≡C	2100–2260	tajam, lemah
C=O (karbonil)	~1700	tajam, kuat
C=C (alkena)	~1620–1680	lemah–sedang

Aturan praktis: ada puncak kuat di sekitar 1700 → kemungkinan besar gugus karbonil (aldehida, keton, asam, ester). Ada pita lebar di 3200–3550 → ada .

35.3 ¹H-NMR: geseran, n+1, integrasi

¹H-NMR membaca atom hidrogen. Tiga informasi kunci:

• Geseran kimia (\(\delta\), ppm): posisi sinyal menunjukkan lingkungan H. Makin dekat ke atom elektronegatif (O, halogen) atau , makin besar \(\delta\) (geser ke kiri). Contoh kasar: alkana \(\delta \approx 0{,}9{-}1{,}5\); H dekat O (\(\ce{-O-CH}\)) \(\delta \approx 3{,}3{-}4{,}0\); H aromatik \(\delta \approx 6{,}5{-}8\).
• Aturan n+1 (splitting): sinyal sebuah H terpecah menjadi \((n+1)\) puncak, dengan \(n\) = jumlah H tetangga yang tak setara. Jadi 2 H tetangga → triplet (3 puncak), 3 H tetangga → kuartet (4 puncak).
• Integrasi: luas sinyal sebanding dengan jumlah H jenis itu. Rasio integrasi = rasio jumlah H.

\[ \text{jumlah puncak} = n_\text{H tetangga} + 1 \]

35.4 ¹³C-NMR: jumlah sinyal

¹³C membaca kerangka karbon. Yang dipakai adalah isotop (kelimpahan ~1,1%); isotop utama punya spin inti nol sehingga tak aktif di NMR. Aturan utama untuk OSN:

• Jumlah sinyal = jumlah karbon yang tak setara (lingkungan berbeda).
• Karbon yang ekuivalen karena simetri menyatu jadi satu sinyal.

Contoh: etanol punya 2 jenis C → 2 sinyal.

35.5 MS: ion molekul dan puncak M+2

Spektrometri massa menembak molekul jadi ion lalu menimbang berdasarkan rasio \(m/z\).

• Ion molekul (puncak paling kanan, \(m/z\) tertinggi) = massa molekul relatif senyawa.
• Puncak M+2: muncul karena isotop berat. Untuk (³⁵Cl : ³⁷Cl ≈ 3 : 1) → M : M+2 ≈ 3 : 1. Untuk (⁷⁹Br : ⁸¹Br ≈ 1 : 1) → M : M+2 ≈ 1 : 1.

Jadi melihat pola M dan M+2 langsung memberi tahu ada Cl atau Br.

35.6 Contoh

Contoh 1 (¹H-NMR etanol, ). Ada 3 jenis H: , , .

• punya 2 H tetangga (di ) → \(2+1 = 3\) → triplet, integrasi 3.
• punya 3 H tetangga (di ) → \(3+1 = 4\) → kuartet, integrasi 2.

Contoh 2 (MS dan IR). Spektrum MS menunjukkan M = 78 dan M+2 = 80 dengan tinggi hampir sama (≈1 : 1) → ada Br. Bila IR juga punya puncak kuat di ~1700 → ada .

35.7 Mengapa penting di OSN-K

Topik ini langsung diuji pada blok soal organik/struktur. Lihat solusi:

• 2024: blok struktur & analisis senyawa di Soal 11–16.
• 2025: pembahasan khusus di Spektroskopi & Organik (mencakup #8–17).

Untuk rentang lengkap dan latihan baca spektrum, pakai sumber lengkap dan referensi NMR. Bacaan visual yang ramah:

• IR Spectroscopy Infographic — Compound Interest dan Spektroskopi Inframerah (IR) — Frekuensi Serapan
• Identifying Characteristic Functional Groups — LibreTexts
• Guide to Proton NMR (¹H NMR) — Compound Interest
• Guide to ¹³C NMR — Compound Interest
• Mass Spectrometry & Panduan Membaca Spektra Massa — Compound Interest

35.8 Daerah spektrum dan energi cahaya

Tiap daerah cahaya membawa energi berbeda. Energi foton:

\[ E = h\nu = \frac{hc}{\lambda} \]

Jadi panjang gelombang besar → energi kecil, dan sebaliknya. Energi inilah yang menentukan “gerakan” apa dalam molekul yang bisa diubah:

Daerah cahaya	Energi	Jenis transisi yang dipicu
Gelombang mikro	kecil	rotasi molekul
Inframerah (IR)	sedang	vibrasi ikatan
UV–tampak (visibel)	besar	elektronik (loncatan elektron)

Untuk mengenali daerah dari \(\lambda\), ubah dulu ke bilangan gelombang \(\tilde{\nu} = 1/\lambda\) (lihat di atas) dan cocokkan: IR khas \(\approx 400\text{–}4000\ \text{cm}^{-1}\).

Contoh. Diberi \(\lambda = 6{,}67\ \mu\text{m} = 6{,}67\times10^{-6}\ \text{m} = 6{,}67\times10^{-4}\ \text{cm}\). Maka

\[ \tilde{\nu} = \frac{1}{6{,}67\times10^{-4}\ \text{cm}} \approx 1500\ \text{cm}^{-1}. \]

Nilai ini di rentang IR → transisi vibrasi. (Tips konversi: \(1\ \mu\text{m} = 10^{-4}\ \text{cm}\).)

35.9 Jenis transisi elektronik (UV–tampak)

Di UV–vis elektron meloncat dari orbital terisi ke orbital kosong. Urutan energi yang diperlukan (dari paling besar ke paling kecil):

\[ \sigma \to \sigma^* \;>\; n \to \sigma^* \;>\; \pi \to \pi^* \;>\; n \to \pi^* \]

Karena \(E = hc/\lambda\), transisi berenergi kecil menyerap pada \(\lambda\) besar. Jadi \(\lambda_\text{max}\) besar (mendekati cahaya tampak) → transisi berenergi rendah, biasanya \(n \to \pi^*\).

Contoh. Senyawa menyerap di \(\lambda_\text{max} = 280\ \text{nm}\) (UV-dekat, sudah mendekati tampak) → energi transisi rendah → cocok dengan \(n \to \pi^*\) (mis. pasangan elektron bebas O pada gugus ).

35.10 Derajat ketakjenuhan (DBE)

Sebelum membaca IR/NMR, hitung dulu derajat ketakjenuhan (DBE / degree of unsaturation) dari rumus molekul. DBE = jumlah ikatan rangkap + cincin:

\[ \text{DBE} = \frac{2C + 2 + N - H - X}{2} \]

dengan \(C\) = jumlah karbon, \(H\) = hidrogen, \(N\) = nitrogen, \(X\) = halogen. Oksigen tidak ikut dihitung.

• \(\text{DBE} = 0\) → senyawa jenuh (tak ada rangkap/cincin).
• \(\text{DBE} = 1\) → tepat satu ikatan rangkap atau satu cincin. Bila IR kuat di ~1700 → kemungkinan besar satu gugus .

Contoh (gabung DBE + IR + NMR). Rumus : \(\text{DBE} = \dfrac{2(5)+2-10}{2} = 1\). IR kuat di ~1720 cm⁻¹ → gugus , jadi keton/aldehida. Pola ¹H-NMR: doublet (6 H, dua ) + septet (1 H). Septet = \(n+1=7 \Rightarrow n=6\) H tetangga → satu diapit dua (gugus isopropil), sisanya . Strukturnya (3-metil-2-butanon).

Catatan aturan \(n+1\): bila tetangga tak punya H (\(n=0\)), sinyalnya singlet (\(0+1=1\) puncak). Inilah cara cepat menebak ada/tidaknya singlet pada sebuah molekul.

35.11 Inti mana yang “terlihat” NMR?

NMR hanya melihat inti yang spin intinya tidak nol (\(I \neq 0\)). Aturan cepat:

• Jika jumlah proton dan jumlah neutron sama-sama genap → \(I = 0\) → inti tidak aktif NMR (mis. , ).
• Jika salah satu atau keduanya ganjil → \(I \neq 0\) → inti aktif NMR (mis. , , ).

Contoh. : 6 proton (genap), 7 neutron (ganjil) → \(I \neq 0\) → aktif (dasar ¹³C-NMR). : 6 proton, 6 neutron (genap–genap) → \(I = 0\) → tidak aktif.

35.12 Spektrum atom: rumus Rydberg (ion mirip-hidrogen)

Untuk atom/ion dengan satu elektron (H, , , …), panjang gelombang garis emisi/serapan mengikuti rumus Rydberg:

\[ \frac{1}{\lambda} = R\,Z^2\left(\frac{1}{n_1^2} - \frac{1}{n_2^2}\right) \]

dengan \(R \approx 1{,}097\times10^{7}\ \text{m}^{-1}\), \(Z\) = nomor atom, \(n_1 < n_2\) level energi. Faktor \(Z^2\) membuat ion berat-muatan menyerap di energi jauh lebih tinggi daripada H.

Contoh. (\(Z=2\), satu elektron). Keadaan dasar \(n=1\); “tereksitasi pertama” \(n=2\), “tereksitasi ketiga” \(n=4\). Untuk transisi \(n_1=2 \to n_2=4\):

\[ \frac{1}{\lambda} = R\,(2)^2\left(\frac{1}{2^2} - \frac{1}{4^2}\right) = 4R\left(\frac{1}{4}-\frac{1}{16}\right) = 4R\cdot\frac{3}{16} = \frac{3R}{4}. \]

Tip✅ Cek kesiapan

1. Puncak IR kuat di sekitar 1700 cm⁻¹ menandakan gugus apa? (jawab: karbonil )
2. Sebuah H punya 3 H tetangga; berapa jumlah puncaknya (aturan n+1)? (jawab: 4 — kuartet)
3. Spektrum MS menunjukkan rasio M : M+2 ≈ 1 : 1. Unsur apa yang hadir? (jawab: bromin, Br)