Zat Warna dan Kaitannya dengan UV-Vis

UV-Vis sering disebut teknik umum karena sebagian besar molekul akan menyerap dalam kisaran panjang gelombang UV-Vis. UV memanjang dari 100-400 nm dan spektrum yang terlihat dari 400-700 nm. Kisaran 100-200 nm disebut UV dalam. Sumber cahaya lebih sulit ditemukan untuk kisaran ini, sehingga jarang digunakan untuk pengukuran UV-Vis. Spektrometer UV-Vis khas menggunakan lampu deuterium untuk UV yang menghasilkan cahaya dari 170-375 nm dan lampu filamen tungsten untuk terlihat, yang menghasilkan cahaya dari 350-2.500 nm.

Ketika foton mengenai molekul dan diserap, molekul dipromosikan menjadi keadaan energik yang lebih tinggi. Sinar tampak-UV memiliki energi yang cukup untuk mendorong elektron ke keadaan elektronik yang lebih tinggi, dari orbital molekul terisi tertinggi (HOMO) hingga orbital molekul kosong (LUMO) terendah. Perbedaan energi antara HOMO dan LUMO disebut celah pita. Biasanya, orbital ini disebut ikatan dan anti-ikatan. Energi foton harus benar-benar cocok dengan celah pita agar foton dapat diserap. Dengan demikian, molekul dengan struktur kimia yang berbeda memiliki celah pita energi yang berbeda dan spektrum serapan yang berbeda. Transisi paling umum yang termasuk dalam rentang UV-Vis adalah π-π * dan n- π *. Orbital pi muncul karena ikatan rangkap, dan n orbital adalah untuk elektron yang tidak terikat. Bintang pi adalah orbital pi anti-ikatan. Dengan demikian, penyerapan UV-Vis terbaik adalah dengan molekul yang mengandung ikatan rangkap. Orbital pi berdekatan satu sama lain yang terhubung, yang disebut konjugasi, biasanya meningkatkan penyerapan. Transisi sigma-σ *, terkait dengan ikatan tunggal, adalah energi yang lebih tinggi dan jatuh dalam UV yang dalam, sehingga mereka kurang berguna untuk penggunaan rutin. Munculnya pita lebar atau bahu pada struktur UV-Vis disebabkan oleh banyak keadaan getaran dan rotasi molekul, yang menyebabkan celah pita energi yang terpisah dari energi yang sedikit berbeda.

Untuk molekul dengan penyerapan di rentang yang terlihat, senyawanya akan sering berwarna. Namun, kesalahpahaman umum adalah bahwa panjang gelombang penyerapan puncak (λmax) untuk suatu senyawa adalah warna yang muncul. Senyawa yang tampak merah tidak memiliki banyak penyerapan di wilayah merah spektrum. Sebaliknya, λmax untuk senyawa yang terlihat merah berwarna hijau. Warna suatu senyawa muncul karena panjang gelombang cahaya secara selektif ditransmisikan melalui sampel, dan karenanya mereka tidak terserap. Roda warna sangat membantu dalam menentukan warna apa yang akan diserap oleh suatu senyawa dan berapa kisaran λmax, karena warna yang langsung melintasi roda dari warna yang diamati adalah warna yang paling banyak diserap.

Penyerapan mengikuti Hukum Beer, A = εbC di mana ε adalah koefisien atenuasi molar, b adalah panjang jalur, dan C adalah konsentrasi. Koefisien atenuasi molar adalah karakteristik suatu senyawa individu untuk diserap pada panjang gelombang tertentu dan sifat ini disebabkan oleh gugus fungsi, konjugasi, dll. Jika suatu senyawa tidak memiliki koefisien atenuasi yang tinggi, ia dapat ditandai dengan kelompok yang sesuai untuk meningkatkan daya serapnya. Panjang jalur umumnya terkait dengan ukuran kuvet dan 1 cm dalam spektrofotometer standar.

UV-Vis dilakukan pada berbagai instrumen, dari spektrofotometer tradisional hingga pembaca piring modern. Panjang gelombang absorbansi harus dipilih, baik menggunakan filter atau monokromator. Monokromator adalah alat yang memisahkan panjang gelombang cahaya secara spasial dan kemudian menempatkan celah keluar di mana panjang gelombang cahaya yang diinginkan. Monokromator dapat dipindai untuk memberikan spektrum serapan keseluruhan. Atau, instrumen dioda-array memungkinkan semua warna cahaya untuk ditransmisikan melalui sampel, maka cahaya dipisahkan menjadi panjang gelombang yang berbeda secara spasial dan dideteksi menggunakan fotodioda. Instrumen diode-array mengumpulkan spektrum penuh lebih cepat, tetapi lebih rumit dan lebih mahal.

Mata manusia hanya peka terhadap sebagian kecil dari spektrum elektromagnetik total antara sekitar 380 dan 780 dan di dalam area ini kita melihat warna pelangi dari ungu hingga merah. Jika spektrum elektromagnetik penuh ditunjukkan pada Gambar digambar ulang pada skala linier dan wilayah yang terlihat diwakili oleh panjang satu sentimeter, kemudian batas antara gelombang radio dan gelombang mikro harus ditarik kira-kira 25 kilometer jauhnya

Ada hubungan erat antara warna suatu zat dan struktur elektroniknya. Molekul atau ion akan menunjukkan penyerapan di daerah yang terlihat atau ultraviolet ketika radiasi menyebabkan transisi elektronik dalam strukturnya. Dengan demikian, penyerapan cahaya oleh sampel di daerah ultraviolet atau terlihat disertai dengan perubahan keadaan elektronik molekul dalam sampel.

Energi yang disuplai oleh cahaya akan mempromosikan elektron dari orbital keadaan dasarnya ke energi yang lebih tinggi, orbital keadaan tereksitasi atau orbital anti ikatan. Dibawah ini hubungan antara penyerapan warna dan panjang gelombang

Beta-karoten memiliki jenis delokalisasi yang baru saja kita lihat, tetapi pada skala yang jauh lebih besar dengan 11 ikatan rangkap karbon-karbon terkonjugasi bersama. Diagram menunjukkan struktur beta-karoten dengan ikatan ganda dan tunggal bolak-balik ditunjukkan dalam warna merah. Semakin banyak  delokalisasi, semakin kecil jarak antara orbital ikatan pi energi tertinggi dan orbital anti-ikatan pi energi terendah. Oleh karena itu untuk mempromosikan elektron, dibutuhkan lebih sedikit energi dalam beta-karoten daripada dalam, karena jarak antar level lebih sedikit. 

Ingatlah bahwa lebih sedikit energi berarti frekuensi cahaya yang lebih rendah akan diserap - dan itu setara dengan panjang gelombang yang lebih panjang. Beta-karoten menyerap seluruh wilayah ultra-violet ke dalam violet - tetapi terutama kuat di wilayah yang terlihat antara sekitar 400 dan 500 nm dengan puncaknya sekitar 470 nm. Maka djika dihubungakan dengan warna akan diperoleh 

Hubungan energi dan molekul transisi

Aplikasi dari Uv-Vis

perubahan warna pada indikator PP

Keduanya menyerap cahaya dalam ultra-violet, tetapi yang di sebelah kanan juga menyerap dalam yang terlihat dengan puncak pada 553 nm. Molekul dalam larutan asam tidak berwarna karena mata kita tidak dapat mendeteksi fakta bahwa beberapa cahaya diserap dalam ultra-violet. Namun, mata kita mendeteksi penyerapan pada 553 nm yang dihasilkan oleh bentuk dalam larutan alkali. 553 nm berada di wilayah hijau spektrum. Jika kita melihat kembali ke roda warna, kita akan menemukan bahwa warna komplementer hijau adalah magenta - dan itulah warna yang kita lihat. Jadi mengapa warna berubah seiring perubahan struktur? Apa yang kita miliki adalah pergeseran ke penyerapan pada panjang gelombang yang lebih tinggi dalam larutan alkali. Seperti yang telah kita lihat, pergeseran ke panjang gelombang yang lebih tinggi dikaitkan dengan tingkat delokalisasi yang lebih besar. Berikut adalah diagram yang dimodifikasi dari struktur bentuk dalam larutan asam - bentuk tidak berwarna. Tingkat delokalisasi ditunjukkan dengan warna merah.

Sekarang terbentuk magenta

Penataan ulang sekarang memungkinkan delokalisasi meluas ke seluruh ion. Delokalisasi yang lebih besar ini menurunkan kesenjangan energi antara orbital molekul tertinggi yang ditempati dan orbital anti-ikatan pi rendah yang tidak dihuni. Dibutuhkan lebih sedikit energi untuk melakukan lompatan sehingga panjang gelombang cahaya yang lebih panjang diserap.

Permasalahan : 

1. Pada kasus indikator PP, apa yang membuat mata kita mampu mendeteksi gelombang yang diserap oleh PP dalam larutan alkali tetapi tidak dapat dideteksi oleh mata pada larutan asam? 

2.Pada tumbuhan yang mengalami perubahan warna, misalnya pada buah, apakah ini berarti struktur dari senyawa penyusun buah tersebut berubah?

3. Mengapa begitu penting untuk mengetahui hubungan gelombang dan warna, apakah dalam kehidupan merupakan hal yang sangat penting?