-
4
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)
LIBS adalah singkatan dari Laser Induced Breakdown Spectroscopy
yang
merupakan peralatan spektroskopi emisi atomik yang menggunakan
laser sebagai energi
ablasi dan dapat digunakan untuk menganalisis secara kualitatif
dan kuantitatif
(Cremers et all, 2006). Laser difokuskan ke permukaan sampel
melalui lensa yang
mana sebagian sampel akan terablasikan dan terbentuk plasma
seperti pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Skema sederhana komponen utama LIBS. (Utomo, Aji
Priyo, 2014)
Plasma berisikan elektron-elektron, ion-ion, atom-atom netral
dan atom-atom
tereksitasi akibat adanya gelombang kejut (shock wave) yang
terjadi sesaat setelah
kompresi adiabatis. Dalam waktu yang sangat singkat atom-atom
yang tereksitasi
kembali ke keadaan awal (ground state) sambil memancarkan emisi
foton dengan
panjang gelombang yang sesuai dengan jenis atomnya. Selanjutnya
emisi foton
ditangkap detektor yang kemudian oleh spektrometer dihasilkan
spektrum intensitas
emisi fungsi panjang gelombang seperti pada Gambar 2.2.
Intensitas menyatakan
konsentrasi unsur dalam bahan dan panjang gelombang menyatakan
jenis unsurnya.
-
5
Gambar 2.2 Grafik intensitas fungsi panjang gelombang.
Gambar 2.2 merupakan spektrum dari sampel yang mengandung unsur
Cr. Kualitas
hasil spektrum tergantung pada keadaan proses pembentukan plasma
dan proses
pendeteksiannya yang mana dipengaruhi oleh faktor jenis laser,
tekanan dan jenis gas
penyangga, dan keadaan fisik dari sampel, yang mana akan
diuraikan pada sub bab
berikut ini (Suyanto, Hery, 2013).
2.1.1 LASER
Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation (laser)
yang artinya
penguatan intensitas cahaya oleh emisi terangsang. Laser
memiliki karakteristik, yaitu :
sumber cahaya yang koherensinya sangat tinggi, monokromatik,
kecerahan tinggi,
durasi yang singkat (short time duration) dan menuju satu arah
yang sama sehingga
cahayanya menjadi sangat kuat dan terkonsentrasi (Svelto,
Orazio, 1989).
Laser terdiri atas tiga komponen dasar yaitu medium lasing
(seperti kristal, gas,
semikonduktor), sumber pemompa (seperti flash lamp, electrical
current) yang
memberikan energi tambahan pada material lasing, dan optical
cavity terdiri dari dua
cermin (cermin pemantul sempurna dan cermin pemantul sebagian)
yang bertindak
sebagai ruang untuk penguat sinar. Setelah sumber pemompa
memberikan energi pada
medium lasing, kemudian elektron-elektron tereksitasi pada
tingkat energi tertentu
seperti terlihat pada Gambar 2.3.
150
200
250
300
425.5 425.9 426.3 426.7 427.1 427.5 427.9 428.3
Inte
nsit
as (
a.u)
Panjang gelombang (nm)
Cr II 427,4387 nm
Cr II 428,1049 nm
-
6
Gambar 2.3 Diagram (a) kerja laser zat padat (Nd:YAG) (b) tiga
tingkat energi laser.
(Sinaga, D.N, 2013)
Gambar 2.3 (a) dan (b) adalah diagram kerja laser dengan
menggunakan medium
lasing zat padat Nd-YAG dengan proses sebagai berikut:
elektron-elektron dalam atom
di material lasing secara normal berada dalam keadaan dasar di
tingkat energi ground
state Q0 . Ketika energi cahaya dari flash lamp ditambahkan
(dipompakan) ke atom-
atom tersebut maka elektron-elektronnya tereksitasi ke level
energi yang lebih tinggi Qe
(excited energi level). Elektron-elektron ini akan meluruh
melalui dua cara, pertama
peluruhan elektron secara spontan dimana elektron secara
langsung meluruh ke level
energi lebih rendah (di tingkat energi metastabil Qm) sambil
melepaskan atau
mengemisikan energi dalam bentuk foton yang memancar ke segala
arah. Kedua
peluruhan secara terangsang (stimulated), dimana sebagian foton
dari hasil peluruhan
spontan ini dipantulkan bolak balik diantara dua cermin dan
melalui material lasing
serta menumbuk elektron-elektron di tingkat energi metastabil
dan menyebabkan
elektron-elektron tersebut kembali ke ground state. Transisi
elektron-elektron ke
ground state ini akan melepaskan energi dalam bentuk foton yang
mempunyai fase,
panjang gelombang, dan arah yang sama dengan foton penumbuk.
Jika arah foton ini
sejajar dengan sumbu optical cavity, maka foton akan dipantulkan
bolak balik oleh
cermin pemantul sempurna dan cermin pemantul sebagian yang
berada di dalam optical
cavity dan melalui material lasing. Dengan cara demikian energi
foton diperkuat terus
menerus sampai cukup untuk melewati cermin pemantul sebagian dan
terbentuklah
sinar laser.
Cermin Cermin
-
7
2.1.2 Interaksi laser dengan bahan
Bila laser difokuskan ke permukaan sampel padat, maka sebagian
energi laser
diserap oleh bahan untuk menaikkan suhunya sehingga
ikatan-ikatan atomnya lepas.
Sebagian energi lainnya digunakan untuk memantulkan atau
menggerakan atom-atom
tersebut dengan kecepatan yang sangat tinggi. Gerakan atom-atom
ini akan melakukan
kompresi adiabatis dengan gas disekeliling sampel hingga sampai
pada tekanan tertentu
dan terjadi gelombang kejut (shock wave) yang energinya
digunakan untuk
mengeksitasikan elektron-elektron dalam atom ke tingkat energi
yang lebih tinggi.
Dalam waktu yang sangat singkat, elektron-elektron ini akan
kembali ke ground state
sambil memancarkan emisi dan terbentuklah plasma seperti Gambar
2.4.
Gambar 2.4 Proses pembentukan plasma.
Pada Gambar 2.4 menunjukkan proses pembentukan plasma. Terlihat
pada
gambar bahwa terdapat dua daerah yaitu: daerah b tepat di
permukaan sampel yang
disebut plasma primer. Plasma ini mempunyai kerapatan partikel
dan suhu yang sangat
tinggi dan menghasilkan spektrum emisi kontinu. Daerah c
merupakan pengembangan
daerah pertama yang disebut plasma sekunder. Pada daerah ini
menghasilkan spektrum
emisi yang tajam. Spektrum ini sesuai dengan emisi foton yang
dipancarkan oleh
elektron-elektron yang bertransisi ke ground state dalam atom
tertentu. Emisi ini akan
menghasilkan panjang gelombang tertentu sesuai dengan jenis
unsurnya, sehingga dapat
digunakan untuk identifikasi unsur.
Gelombang kejut (shock wave)
Kompresi adiabatis
Plasma sekunder
Plasma primer
S
A
M
P
E
L
-
8
Jumlah massa partikel-partikel yang terablasi dari sampel dan
membentuk plasma
tergantung panjang gelombang laser dan koefisien absorpsi bahan
(Fabbro et all, 1982)
dengan hubungan :
= 110 (2.1)
Dimana : m = massa partikel (kg)
= fluks yang diabsorpsi (W m-2) = panjang gelombang laser (m)
1014 = konstanta (kg-2m-4s-1)
2.1.3 Spektrometer
Spektrometer merupakan peralatan yang terdiri dari monokromator
dan software.
Monokromator sangat penting dalam spektroskopi karena
karakteristik optik unsur
ditentukan oleh panjang gelombang dan kadar unsur ditentukan
dari intensitasnya.
Monokromator yang dipakai pada penelitian ini tipe HR 2500+
dengan spesifikasi :
wavelength range 200-980 nm, resolusi 0,1 nm (FWHM), 7 detector
CCDs with a
combined 14336 Mega pixels. Monokromator merupakan suatu
instrumen optik yang
berfungsi sebagai penyeleksi panjang gelombang tertentu
(monokromatik) dari cahaya
polikromatik seperti pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Diagram monokromator. (Agustiningrum, Ulfa, 2012)
Gambar 2.5 bagian-bagian utama monokromator antara lain slit
atau celah sempit
(B, F), cermin (C, E), grating atau pemisah cahaya (D) dan
detektor (G). Sumber
-
9
cahaya polikromatik (A) masuk ke slit (B) dan besarnya energi
cahaya yang dideteksi
oleh monokromator tergantung besarnya intensitas cahaya yang
masuk pada luasan slit
dan juga sudut datangnya. Slit berada pada titik fokus cermin
(C) agar menghasilkan
pantulan cahaya sejajar ke prisma atau grating (D). Cahaya ini
akan didispersikan oleh
prisma atau didifraksikan oleh grating menjadi beberapa warna
dan diarahkan ke
cermin (E). Cahaya terdispersi (seperti pelangi) selanjutnya
oleh cermin (E) difokuskan
ke slit keluaran (F), sehingga pada permukaan slit terdapat
titik-titik bayangan yang
terpisah dari berbagai warna. Dengan memutar grating atau
prisma, maka titik-titik
bayangan warna bergerak relatif terhadap slit keluaran. Sehingga
dapat memilih panjang
gelombang tertentu yang keluar dari slit keluaran menuju
detektor untuk diproses lebih
lanjut. Persamaan resolusi grating yang digunakan pada
monokromator untuk
memisahkan antara dua panjang gelombang yang berdekatan (Jenkis,
Francis A, et all,
1965) yaitu :
= (2.2)
Dimana : R = daya pisah
= panjang gelombang (nm) = selisih atau jarak terdekat panjang
gelombang yang dipisahkan
(nm)
Sedangkan software befungsi untuk menganalisis atau
mengidentifikasi unsur.
Software yang dipakai adalah OOILIBS dan add LIBS. Software
OOILIBS digunakan
untuk mensinkronisasi antara waktu terbentuknya plasma dengan
waktu pendeteksian.
Waktu ini disebut delay time detection (waktu tunggu deteksi).
Sedangkan software add
LIBS digunakan untuk menganalisis spektrum dari plasma yang
terdeteksi. Dalam
software ini akan menampilkan intensitas sebagai fungsi panjang
gelombang. Panjang
gelombang menyatakan jenis unsurnya sedangkan intensitas
merupakan jumlah
unsurnya. Dengan spesifikasi monokromator dan software tersebut,
spektrometer yang
ada di laboratorium MIPA dapat memisahkan unsur-unsur dengan
jelas.
2.1.4 Waktu tunggu deteksi
Sebelum melakukan analisis kualitatif maupun kuantitatif suatu
bahan, maka perlu
dicari keadaan optimum suatu eksperimen. Pada teknik LIBS ini
yang perlu
-
10
diperhatikan keadaan optimumnya adalah parameter energi laser
dan waktu tunggu
deteksi. Untuk menentukan keadaan optimum dari waktu tunggu
deteksi dengan cara
melihat nilai sinyal background, perbandingan sinyal puncak
emisi terhadap sinyal
background (S/B) dan FWHM fungsi waktu tunggu deteksi seperti
terlihat pada Gambar
2.6.
Gambar 2.6 Waktu deteksi.
Gambar 2.6 menunjukkan skema perjalanan waktu umur plasma yang
dihasilkan
oleh laser pulsa tunggal. Di awal pada waktu deteksi 0,5 s laser
ditembakkan ke
sampel, plasma yang dihasilkan mempunyai kerapatan yang sangat
tinggi baik elektron-
elektron, ion-ion, atom-atom netral maupun atom-atom
tereksitasi, sehingga intensitas
background dari spektra yang ditangkap detektor cukup tinggi
seperti ditunjukkan
Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Intensitas background tinggi.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
465 470 475 480 485 490Int
ensi
tas
Em
isi
Uns
ur Z
n (a
.u)
Panjang Gelombang (nm)
Background tinggi
0 ns 10 ns 90 ns 1 s 10 s 90 s
-
11
Background ini muncul karena ion-ion menangkap elektron dan
elektron
melepaskan kelebihan energi kinetiknya dalam bentuk foton dengan
panjang gelombang
lebar (continu). Sedangkan bila dideteksi setelah 1 s dari
setelah laser diradiasikan,
maka intensitas background dari spektra akan turun bahkan hilang
seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 2.8.
Gambar 2.8 Intensitas background rendah.
Sebaiknya pendeteksian karakteristik emisi atom dilakukan
sekitar 1 s atau lebih
dari ablasi laser dan waktu ini disebut waktu tunggu deteksi.
Nilai waktu tunggu ini
bervariasi tergantung jenis unsurnya, tetapi hampir semua unsur
memiliki waktu emisi
sekitar 1s atau lebih untuk LIBS.
2.2 Adsorpsi
Adsorpsi adalah suatu proses yang terjadi ketika suatu fluida
(cairan maupun gas)
terikat pada suatu padatan dan akhirnya membentuk suatu film
(lapisan tipis) pada
permukaan padatan tersebut. Materi atau partikel-partikel yang
diadsorpsi disebut
adsorbat dan bahan yang mengadsorpsi disebut adsorben. Perbedaan
mendasar antara
adsorpsi dan absorpsi yaitu tergantung letak adsorbat di
adsorben. Apabila adsorbat
mengumpul di permukaan adsorben maka disebut adsorpsi.
Sebaliknya bila
adsorbatnya diserap masuk ke dalam adsorben disebut absorpsi.
Adsorpsi dibedakan
menjadi dua jenis, yaitu adsorpsi fisika dan adsorpsi kimia yang
terjadi reaksi antara
0
100
200
300
400
500
465 470 475 480 485 490
Inte
nsit
as E
mis
i U
nsur
Zn
(a.u
)
Panjang Gelombang (nm)
Background rendah
-
12
zat yang diserap (adsorbat) dengan adsorben, jumlah zat yang
teradsorbsi tergantung
pada sifat khas zat padatnya yang merupakan fungsi tekanan dan
suhu.
Apabila daya tarik menarik antara zat terlarut dengan adsorben
lebih besar dari
daya tarik menarik antara zat terlarut dengan pelarutnya, maka
zat yang terlarut akan
diadsorpsi pada permukaan adsorben. Adsorpsi fisika mirip dengan
proses kondensasi
dan biasanya terjadi pada temperatur rendah. Pada proses ini
gaya yang menahan
molekul fluida pada permukaan solid relatif lemah, dan besarnya
sama dengan gaya
kohesi molekul pada fase cair mempunyai derajat yang sama dengan
panas kondensasi
dari gas menjadi cair, yaitu sekitar 2,19 - 21,9 kg/mol.
Keseimbangan antara
permukaan zat padat dengan molekul fluida biasanya cepat
tercapai dan bersifat
reversibel.
Adsorpsi kimia yaitu reaksi yang terjadi antara zat padat dengan
zat terlarut yang
teradsorpsi. Adsorpsi ini bersifat spesifik dan melibatkan gaya
yang jauh lebih besar
daripada Adsorpsi fisika. Panas yang dilibatkan adalah sama
dengan panas reaksi
kimia. Menurut Langmuir, molekul teradsorpsi ditahan pada
permukaan oleh gaya
valensi yang tipenya sama dengan yang terjadi antara atom-atom
dalam molekul.
Karena adanya ikatan kimia maka pada permukaan adsorben akan
terbentuk suatu
lapisan dan akan menghambat proses penyerapan selanjutnya oleh
karbon grafit
adsorben yang menyebabkan efektifitasnya menurun (Agustiningrum,
Ulfa, 2012).
Pada proses adsorpsi akan tejadi kinetika adsorpsi yaitu laju
penyerapan suatu
fluida oleh adsorben dalam jangka waktu tertentu. Kinetika
adsorpsi suatu zat dapat
diketahui dengan mengukur perubahan konsentrasi zat yang
teradsorpsi tersebut, dan
menganalisis nilai k (berupa slope/kemiringan) serta memplot
pada grafik. Kinetika
adsorpsi dipengaruhi oleh kecepatan adsorpsi. Kecepatan adsorpsi
dapat didefinisikan
sebagai banyaknya zat yang teradsorpsi per satuan waktu (Utomo,
Aji Priyo, 2014).
Kecepatan atau besar kecilnya adsorpsi dipengaruhi oleh beberapa
hal, diantaranya:
a. Macam adsorben
b. Macam zat yang diadsorpsi (adsorbate)
c. Luas permukaan adsorben
d. Konsentrasi zat yang diadsorpsi (adsorbate)
e. Temperatur
-
13
2.3 Elektrolisis
Elektrolisis berasal dari kata elektro (listrik) dan lisis
(penguraian), yang berarti
terjadinya penguraian zat/senyawa atau reaksi kimia (dalam hal
ini adalah reaksi reduksi
dan oksidasi atau redoks) oleh arus listrik (Laird, B. Brian,
2009). Proses penggunaan
arus listrik untuk menghasilkan reaksi kimia disebut sel
elektrolisis. Arus listrik yang
digunakan adalah arus searah (DC). Larutan atau yang ingin
dielektrolisis, ditempatkan
dalam suatu wadah, selanjutnya elektroda dicelupkan ke dalam
larutan elektrolit yang
ingin dielektrolisis. Elektroda berfungsi sebagai tempat
berlangsungnya reaksi redoks,
dimana reaksi reduksi berlangsung di katoda, sedangkan reaksi
oksidasi berlangsung
pada anoda. Proses elektrolisis dapat ditunjukkan pada Gambar
2.9.
Gambar 2.9 Sel elektrolisis. (Yudiandika, Putu, 2010)
Reaksi reduksi terjadi apabila suatu zat memiliki potensial
standar reduksi
( ) yang besar sedangkan reaksi oksidasi terjadi apabila zat
mempunyai kemampuan oksidasi besar. Reaksi reduksi dan oksidasi
pada sel elektrolisis berlangsung pada anoda
sebagai elektroda positif dan katoda sebagai elektroda negatif.
Pada sel elektrolisis
tersebut anoda dihubungkan dengan kutub positif sumber listrik
dan katoda
dihubungkan dengan kutub negatif. Akibatnya, katoda bermuatan
negatif dan menarik
kation-kation yang akan tereduksi menjadi endapan logam.
Sebaliknya, anoda
bermuatan positif dan menarik anion-anion yang akan teroksidasi
menjadi gas.
Maka dari itu di anoda akan terjadi reaksi oksidasi dan di
katoda akan terjadi
reaksi reduksi. Sehingga tujuan elektrolisis adalah untuk
mendapatkan endapan logam
di katoda dan gas di anoda.
-
14
Reaksi oksidasi adalah reaksi dimana suatu senyawa kimia
melepaskan atau
kehilangan elektron selama perubahan dari reaktan menjadi
produk. Atau juga
dapat didefinisikan sebagai suatu reaksi dimana suatu senyawa
kimia mengikat oksigen
atau kehilangan hidrogen selama perubahan dari reaktan menjadi
produk. Sedangkan
reaksi reduksi adalah reaksi dimana suatu senyawa menerima
elektron atau
melepaskan oksigen, atau memperoleh hidrogen selama perubahan
dari reaktan
menjadi produk. Kedua reaksi tersebut adalah merupakan pasangan,
sebab elektron
yang dilepaskan pada reaksi oksidasi sama dengan elektron yang
diterima pada reaksi
reduksi. Masing-masing reaksi (reduksi dan oksidasi) disebut
setengah reaksi sebab
diperlukan dua setengah reaksi untuk membentuk suatu reaksi
redoks (Laird, B. Brian,
2009). Elektroda yang digunakan dalam proses elektolisis dapat
digolongkan menjadi
dua, yaitu: elektroda inert, seperti karbon grafit (C), Platina
(Pt), dan emas (Au)
dan elektroda aktif, seperti seng (Zn), tembaga (Cu), dan perak
(Ag). Elektrolitnya
dapat berupa larutan asam, basa, atau garam, dan dapat pula
leburan garam halida atau
leburan oksida.
2.4 Potensial Standar Reduksi (Setengah Sel)
Potensial sel merupakan perbedaan antara dua potensial elektroda
(katoda dan
anoda) dimana masing-masing elektroda dipilih sesuai dengan
nilai reduksi yang akan
terjadi. Beda potensial yang terjadi diantara elektroda disebut
dengan potensial standar
reduksi yang dinotasikan dengan . Potensial sel ( ) merupakan
selisih potensial standar reduksi dari reaksi katoda ( ) dengan
potensial standar reduksi pada reaksi anoda ( ), seperti
diungkapkan dalam persamaan berikut :
= (2.3) Untuk seluruh reaksi spontan dalam keadaan standar nilai
> 0. Seperti terlihat pada Gambar 2.10 berikut:
-
15
Gambar 2.10 Potensial sel standar pada sel volta. (Brown,
Theodore L, et all, 2009)
Persamaan 2.3 mengindikasikan bahwa potensial sel standar
merupakan selisih antara
potensial standar reduksi pada katoda dan potensial standar
reduksi anoda. Untuk
masing-masing setengah sel pada sel volta, potensial standar
reduksi dapat membantu
terjadinya proses reduksi. yang lebih positif mampu memberikan
lebih banyak gaya untuk mereduksi dalam keadaan standar. Potensial
reduksi untuk unsur Cr dan Pb
dengan perubahan jumlah ion yang berbeda-beda seperti terlihat
pada Tabel 2.1
Tabel 2.1 Tabel potensial standar reduksi (Brown, Thcodorc L, et
all, 2009)
No Half-Reaction E#(V) 1 PbO*(S) + HSO(aq) + 3H2(aq) + 2e
PbSO(s) + 2H*O(l) +1,685 2 282(9:) + 2; 8*(*2(9:) + 2; =>(?)
-0,126 4 PbSO(S) + H2(aq) + 2; =>(?) +HSO(aq) -0,356 5 @A2(9:) +
; @A*2(9:) -0,41 6 @A2(9:) + 3; @A(?) -0,74 7 2H*O(l) + 2e H*(g) +
2OH(aq) -0,83
Karena setiap sel volta melibatkan dua setengah sel, maka
tidaklah mungkin
menghitung potensial standar reduksi setengah sel secara
langsung. Apabila
menentukan potensial standar reduksi dengan acuan setengah
reaksi tertentu pun kita
-
16
dapat menentukan pula potensial standar reduksi setengah reaksi
lainnya yang
berhubungan dengan acuan. Acuan setengah rekasi tersebut adalah
reduksi 82(9:) menjadi 8*(
-
17
Gambar 2.11 Ikatan ion NaCl.
Ikatan kovalen terbentuk oleh penggunaan bersama sepasang
elektron antara dua
atom. Banyaknya ikatan kovalen yang dibentuk oleh sebuah atom
tergantung pada
banyaknya elektron tambahan yang diperlukan agar atom itu
mencapai suatu
konfigurasi gas mulia. Atom karbon yang netral mempunyai empat
elektron di kulit
terluarnya. Karbon memerlukan empat elektron untuk digunakan
bersama agar dicapai
konfigurasi elektron dari neon, oleh karena itu karbon membentuk
empat ikatan kovalen
(tetravalen) seperti terlihat Gambar 2.12.
Gambar 2.12 Ikatan kovalen CH.
Karbon memiliki nilai keelektronegatipan menengah antara
keelektronegatifan
yang sangat tinggi dan yang sangat rendah, maka karbon hampir
tidak membentuk
ikatan ion dengan unsur lain. Sebaliknya, karbon membentuk
ikatan kovalen dengan
atom karbon lain dan dengan atom dari unsur lain (Fessenden Ralp
J. dan Fessenden
Joan S, 1986).
Konfigurasi elektron pada keadaan dasar untuk C netral yang
disimbolkan C I
adalah 1?*2?*2H* P . Bila atom C tersebut mendapatkan tambahan
energi dari luar,
Satu elektron dipindahkan dari Na ke Cl
Sekarang tiap atom mempunyai oktet lengkap dalam kulit
terluarnya.
Membentuk 4 ikatan kovalen
Membentuk 1 ikatan kovalen
-
18
maka elektron-elektron pada level energi 21648,02 cm akan pindah
ke level energi yang lebih tinggi yaitu 61981,82 cm. Keadaan
seperti ini disebut atom dalam tereksitasi. Elektron-elektron yang
pindah ini hanya beberapa saat saja (nano second)
kemudian kembali lagi ke keadaan semula sambil memancarkan emisi
atau foton
dengan panjang gelombang 2478,561 atau 247,8561 nm (NIST, 2005).
Panjang gelombang tersebut diperoleh berdasarkan perumusan dari
:
* N(2.5)
Dengan: E1 = Energi level awal (cm-1)
E2 = Energi level akhir (cm-1)
c = Kecepatan cahaya (2,998 x 108 m/s)
h = Konstanta Planck (6,626 x 10-34 J.s)
= Panjang gelombang (nm)
Karbon memiliki beberapa jenis alotrop, yang paling terkenal
adalah grafit, intan, dan
karbon amorf. Sifat-sifat fisika karbon bervariasi bergantung
pada jenis alotropnya yang
akan diuraikan dalam subbab berikut.
2.5.1 Karbon grafit
Grafit memiliki sifat lunak, tidak larut dalam air dan pelarut
organik, memiliki
massa jenis yang lebih kecil dari intan karena pada strukturnya
terdapat ruang-ruang
kosong antar lipatannya. Grafit merupakan alotrop karbon yang
dapat menghantar arus
listrik dan panas dengan baik, karena sifat ini grafit digunakan
sebagai anoda pada
baterai dan sebagai elektroda pada elektrolisis.
Sifat daya hantar listrik yang dimiliki oleh grafit dipengaruhi
oleh elektron-
elektron yang tidak digunakan untuk membentuk ikatan kovalen.
Dalam struktur grafit
setiap atom karbon membentuk ikatan kovalen dengan tiga atom
karbon lainnya
membentuk susunan heksagonal dengan struktur berlapis. Atom
karbon memiliki 4
elektron valensi maka pada setiap atom karbon masih terdapat
satu elektron yang belum
berikatan. Elektron-elektron ini tersebar secara merata pada
setiap atom karbon karena
terjadi tumpang tindih orbital. Oleh sebab itu ketika diberi
beda potensial, elektron-
elektron yang tersebar tersebut sebagian besar akan mengalir
menuju anoda, aliran
elektron inilah yang menyebabkan arus listrik dapat mengalir.
Sedangkan ketika salah
-
19
satu ujung dipanaskan maka elektron-elektron ini akan segera
berpindah menuju bagian
yang memiliki suhu lebih rendah. Akibatnya panas tersebut akan
menyebar ke bagian
grafit yang memiliki suhu lebih rendah. Struktur grafit seperti
terlihat pada Gambar
2.13.
Gambar 2.13 Struktur grafit. (Schwartz, S.A, 1982)
2.5.2 Karbon intan
Intan dikenal sebagai mineral alam yang paling keras dimana
belum ada mineral
lain yang berhasil menggores atau memotong intan, tidak larut
dalam air dan pelarut
organik. Intan memiliki ikatan kovalen dengan 4 atom karbon lain
dalam bentuk
tetrahendral yang terbentuk pada struktur intan sangat kuat
bahkan lebih kuat dari ikatan
ionik. Berupa isolator namun dapat menyerap panas dengan sangat
baik. Daya hantar
listrik intan berkaitan dengan elektron yang digunakan untuk
membentuk ikatan,
dimana pada intan elektron-elektron berikatan sangat kuat
sehingga tidak ada elektron
yang bebas bergerak ketika diberi beda potensial. Struktur intan
ditampilkan pada
Gambar 2.14.
Gambar 2.14 Struktur intan. (Schwartz, S.A, 1982)
2.5.3 Karbon amorf
Seperti namanya karbon amorf merupakan alotrop berwujud
non-kristal dan
ditemukan dalam bentuk bubuk serta menjadi komponen utama dari
arang dan jelaga.
-
20
Struktur molekul karbon amorf ditemukan kristal kecil yang mirip
dengan grafit dan
berlian. Oleh karena itu, karbon amorf sering dianggap sebagai
bentuk varian dari grafit.
Karbon amorf dapat disintesis. Struktur karbon amorf ditampilkan
pada Gambar 2.15.
Gambar 2.15 Struktur karbon amorf. (Schwartz, S.A, 1982)
Semua alotrop karbon berbentuk padat dalam keadaan normal,
tetapi grafit
merupakan alotrop yang paling stabil secara termodinamik di
antara alotrop-alotrop
lainnya. Alotrop karbon sangat stabil dan memerlukan suhu yang
sangat tinggi untuk
bereaksi, bahkan dengan oksigen. Keadaan oksidasi karbon yang
paling umum
ditemukan adalah +4, dimana +2 dijumpai pada karbon monoksida
dan senyawa
kompleks logam transisi lainnya. Sumber karbon anorganik
terbesar terdapat pada batu
kapur, dolomit, dan karbon dioksida, sedangkan sumber organik
terdapat pada batu
bara, tanah gambut, minyak bumi, dan klatrat metana. Karbon
dapat membentuk lebih
banyak senyawa daripada unsur-unsur lainnya, hampir 10 juta
senyawa organik murni
yang telah dideskripsikan sampai sekarang.
Karbon adalah unsur paling berlimpah ke-15 di kerak Bumi dan
ke-4 di alam
semesta.Terdapat tiga macam isotop karbon yang ditemukan secara
alami, yaitu @* dan @ yang stabil, dan @ yang bersifat
radioaktifitas dengan waktu paruh peluruhannya
sekitar 5730 tahun. Karbon terdapat pada semua jenis makhluk
hidup, dan pada
manusia, karbon merupakan unsur paling berlimpah kedua (sekitar
18,5%) setelah
oksigen. Keberlimpahan karbon ini, bersamaan dengan
keanekaragaman senyawa
organik dan kemampuannya membentuk polimer membuat karbon
sebagai unsur dasar
kimiawi kehidupan. Unsur ini adalah unsur yang paling stabil di
antara unsur-unsur
yang lain, sehingga dijadikan patokan dalam mengukur satuan
massa atom.
-
21
2.6 Reaksi Elektrolisis Larutan
2.6.1 Elektrolisis larutan Cr
Pada elektrolisis larutan Cr terjadi reaksi redoks:
QRST9 (@) SV?WT9?W: 68*Z() 3Z*([) + 128(\)2 + 12; ]9FST9 (@)
A;T^V?W: 4@A(\)2 + 12; 4@A()
Dalam hal ini yang dioksidasi di anoda adalah 68*Z() 3Z*([) +
1282(\) +12;, sedangkan di katoda terjadi reduksi ion Cr3+ dari
larutan yang bergerak menuju katoda sambil menerima tiga elektron,
dan mengendap menjadi atom Cr di
permukaan/melapisi katoda. Dalam hal ini ion Cr3+ mengendap dan
4 ion H+ masuk ke
dalam larutan, sehingga tetap terjaga muatan dalam larutan.
Proses ini berlangsung
terus menerus, yang dapat diamati berupa terjadinya gelembung
gas dan perubahan
warna larutan.
2.6.2 Elektrolisis larutan Pb
Pada elektrolisis larutan Pb terjadi reaksi redoks:
QRST9 (@) SV?WT9?W: 8*Z() 12Z*([) + 28(\)
2 + 2;
]9FST9 (@) A;T^V?W: =>(\)*2 + 2; =>() Reaksi oksidasi
terjadi pada elektron karbon (C), dimana hal ini yang dioksidasi
di
anoda adalah 8*Z *Z* + 282 + 2;, sedangkan di katoda terjadi
reduksi ion Pb*2
dari larutan yang bergerak menuju katoda sambil menerima dua
elektron, dan
mengendap menjadi atom Pb di permukaan/melapisi katoda. Kemudian
ion
Pb*2mengendap dan 2 ion H+ masuk ke dalam larutan, sehingga
muatan tetap terjaga dalam larutan. Proses ini berlangsung terus
menerus, yang dapat diamati berupa
terjadinya gelembung gas dan perubahan warna larutan.
2.7 Karakteristik Unsur
2.7.1 Karakteristik unsur chromium (Cr)
Crhomium atau khrom merupakan unsur kimia dengan lambang Cr.
Logam
transisi ini termasuk ke dalam golongan VI B dimana khrom
mempunyai nomor atom
(Z) 24 dengan massa atom (A) 51,9961. Logam ini merupakan baja
mengkilat berwarna
kelabu. Logam ini keras dan bersifat cenderung anti korosi.
Khrom banyak digunakan
sebagai katalis dengan menambahkan logam ini ke batu agar
menghasilkan batu
-
22
berwarna hijau. Khrom penting sebagai zat warna dan sebagai zat
pengantar oksidasi.
Apabila dilarutkan, logam jenis ini bersifat reaktif dengan
kulit sehingga apabila kulit
manusia berinteraksi dengan larutan Cr, dapat menimbulkan
iritasi. Sehingga, ketika
kulit manusia terkena larutan Cr, sebaiknya langsung dibilas
dengan menggunakan
akuades atau air mineral agar iritasi tidak terlalu parah.
Konfigurasi elektron pada keadaan dasar untuk Cr netral yang
disimbolkan Cr I
adalah 1?*2?*2H`3?*3H`3Ta4? 7S3, dengan panjang gelombang
4274,806 atau 427,4806 nm (NIST, 2005). Uraian mengenai unsur Cr
ditunjukkan pada Tabel 2.2.
Tabel 2.2 Karakteristik unsur Cr.
http://chemistry.about.com/od/elementfacts/a/ chromium.htm.
[Diakses pada tanggal 8 mei 2015]
Klasifikasi uraian Chromium (Cr)
Klasifikasi unsur Logam transisi
Nomor atom 24
Massa atom 51,996
Kerapatan 7,18 g/cc
Titik lebur 2130 K
Titik didih 2945 K
Penampilan Sangat keras, kristal, logam keabu-abuan
Jari-jari atom 130 pm
Volume atom 7,23 NN Sb Jari-jari kovalen 118 pm
Jari-jari ion @A(Cd) : 52 ; @A(ddd) : 63 Panas spesifik 0,488
J/g mol @20oC
Panas fusi 21 Ve Sb Panas penguapan 342 Ve Sb Temperatur Debye
460 K
Energi ionisasi pertama 652,4 Ve Sb Struktur kisi Body Centred
Cubic
Konstanta kisi 2,88
-
23
2.7.2 Karakteristik unsur timbal /plumbum (Pb)
Timbal atau plumbum merupakan unsur kimia dengan lambang Pb.
Logam ini
termasuk ke dalam kelompok logam golongan IVA. Pb mempunyai
nomor atom (Z) 82
dengan massa atom (A) 207,2. Timbal memiliki bentuk menyerupai
kristal kubik, yang
banyak ditemui dengan warna putih kebiruan. Timbal juga
merupakan logam lunak,
tetapi unsur timbal ini beracun dan salah satu efek dari racun
tersebut dapat menurunkan
daya ingat otak. Timbal dapat berada di perairan secara alamiah
dan sebagai dampak
dari aktivitas manusia. Timbal dapat masuk ke perairan melalui
pengkristalan di udara
dengan bantuan air hujan. Aktivitas manusia yang menyebabkan
pencemaran timbal
diantaranya air limbah industri, penambangan bijih timah hitam,
dan lain-lain.
Konfigurasi elektron pada keadaan dasar untuk atom Pb I
adalah
1?*2?*2H`3?*3H`4?*3T4H`5?*4T5H`6?*4f5T6H*1/2. Dengan panjang
gelombang 4057,81 atau 405,781 nm (NIST, 2005). Uraian mengenai
unsur timbal seperti ditunjukan pada Tabel 2.3.
Tabel 2.3 Karakteristik unsur Pb.
http://chemistry.about.com/od/elementfacts/a/ lead.htm. [Diakses
pada tanggal 8 mei 2015]
Klasifikasi uraian Lead/Plumbum (Pb)
Klasifikasi unsur Logam transisi
Nomor atom 82
Massa atom 207,2
Kerapatan 11,35 g/cc
Titik lebur 600,65 K
Titik didih 2013 K
Penampilan Lunak, mudah dibentuk, logam putih kebiruan
Volume atom 18,3 cc/mol
Jari-jari atom 175 pm
Jari-jari kovalen 147 pm
Jari-jari ion =>(dC) : 84 ; Pb(dd) : 120 Panas spesifik 0,159
J/g mol @20oC
Panas fusi 4,77 kJ/mol
Panas penguapan 177,8 kJ/mol
Energi ionisasi pertama 715,2 kJ/mol
-
24
Temperatur Debye 88 K
Struktur kisi Face-Centred Cubic
Konstanta kisi 4,950