Analisis unsur
1. Ukuran partikel
Berikut alat yang dapat digunakan dalam
penentuan ukuran partikel.
i.
AFM (Atomic Force Microscope)
a.
Prinsip kerja
AFM
( Atomic Force Microscope) termasuk microskop canggih untuk saat ini yang
pengoprasianya sangat sederhana. Prinsip kerjanya pun juga sangat sederhana dan
dapat dipahami dengan menggunakan konsep – konsep fisika dasar. Alat ini tidak
memerlukan vacuum , tegangan tinggi, maupun fasilitas pendingin seperti pada
SEM Atau TEM.
b.
Perangkat
Perangkat
utama yang terdapat pada alat ini adalah sebuah TIP yang sangat tajam yang
ditempatkan di ujung cantilever. Cantilever bersama tip digerakan sepanjang
permukaan material yang diamati.
c.
Cara Kerja
Ujung
tip yang sangat runcing dan hanya mengandung beberapa atom saja. Ketika tip
didekatkan dengan permukaan material yang akan di amati, maka atom yang berada
di ujung tip dan di permukaan material akan menimbulkan gaya interaksi atomic
akan muncul. Karena jumlah atom pada tip maupun pada permukaan sampel sangat
banyak sekali maka potensial interaksi antara tip dan permukaan sampel tidak
hanya berasal dari kedua atom. Potensial tersebut berasal dari sunbangan
interaksi sejumlah atom pada tip dan sejumlah atom pada permukaan sampel.
ii.
TEM
TEM
merupakan mikroskop yang dapat digunakan untuk menentukan morfologi sampel
termasuk bentuk, ukuran, dan susunan partikel. Selain itu, TEM juga dapat
digunakan untuk menentukan struktur kristalin (susunan atom pada sampel dan cacat pada kristal) serta komposisi unsur
pada sampel. Sampel yang digunakan pada TEM haruslah sangat tipis dan
transparan. Untuk itu dpaat digunakan metode ultramicotomy untuk menipiskan
sampel (50-100 nm).
2.
Kristalinitas
X-Ray Diffraction (XRD) merupakan salah satu
analisis non-destruktif yang paling penting untuk menganalisis semua jenis
materi, mulai dari cairan, serbuk, maupun kristal. Mulai dari penelitian,
produksi, sampai rekayasa. XRD merupakan metode yang sangat diperlukan untuk
karakterisasi bahan dan kontrol kualitas.
a.
Prinsip kerja
Difraksi
sinar-X terjadi pada hamburan elastis foton-foton sinar-X oleh atom dalam
sebuah kisi periodik. Hamburan monokromatis sinar-X dalam fasa tersebut
memberikan interferensi yang konstruktif. Dasar dari penggunaan difraksi
sinar-X untuk mempelajari kisi kristal adalah berdasarkan persamaan Bragg:
n.λ = 2.d.sin θ ; n = 1,2,...
Dengan λ adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan, d adalah jarak antara dua bidang kisi, θ adalah sudut antara sinar datang dengan bidang normal, dan n adalah bilangan bulat yang disebut sebagai orde pembiasan.
Berdasarkan persamaan Bragg, jika seberkas sinar-X di jatuhkan pada sampel kristal, maka bidang kristal itu akan membiaskan sinar-X yang memiliki panjang gelombang sama dengan jarak antar kisi dalam kristal tersebut. Sinar yang dibiaskan akan ditangkap oleh detektor kemudian diterjemahkan sebagai sebuah puncak difraksi. Makin banyak bidang kristal yang terdapat dalam sampel, makin kuat intensitas pembiasan yang dihasilkannya. Tiap puncak yang muncul pada pola XRD mewakili satu bidang kristal yang memiliki orientasi tertentu dalam sumbu tiga dimensi. Puncak-puncak yang didapatkan dari data pengukuran ini kemudian dicocokkan dengan standar difraksi sinar-X untuk hampir semua jenis material. Standar ini disebut JCPDS.
n.λ = 2.d.sin θ ; n = 1,2,...
Dengan λ adalah panjang gelombang sinar-X yang digunakan, d adalah jarak antara dua bidang kisi, θ adalah sudut antara sinar datang dengan bidang normal, dan n adalah bilangan bulat yang disebut sebagai orde pembiasan.
Berdasarkan persamaan Bragg, jika seberkas sinar-X di jatuhkan pada sampel kristal, maka bidang kristal itu akan membiaskan sinar-X yang memiliki panjang gelombang sama dengan jarak antar kisi dalam kristal tersebut. Sinar yang dibiaskan akan ditangkap oleh detektor kemudian diterjemahkan sebagai sebuah puncak difraksi. Makin banyak bidang kristal yang terdapat dalam sampel, makin kuat intensitas pembiasan yang dihasilkannya. Tiap puncak yang muncul pada pola XRD mewakili satu bidang kristal yang memiliki orientasi tertentu dalam sumbu tiga dimensi. Puncak-puncak yang didapatkan dari data pengukuran ini kemudian dicocokkan dengan standar difraksi sinar-X untuk hampir semua jenis material. Standar ini disebut JCPDS.
b.
Kelebihan
Keuntungan
utama penggunaan sinar-X dalam karakterisasi material adalah kemampuan
penetrasinya, sebab sinar-X memiliki energi sangat tinggi akibat panjang
gelombangnya yang pendek.
c.
Cara Kerja
Sinar-X
adalah gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang 0,5-2,0 mikron. Sinar
ini dihasilkan dari penembakan logam dengan elektron berenergi tinggi. Elektron
itu mengalami perlambatan saat masuk ke dalam logam dan menyebabkan elektron
pada kulit atom logam tersebut terpental membentuk kekosongan. Elektron dengan
energi yang lebih tinggi masuk ke tempat kosong dengan memancarkan kelebihan
energinya sebagai foton sinar-X.
Metode difraksi sinar X digunakan untuk mengetahui struktur dari lapisan tipis yang terbentuk. Sampel diletakkan pada sampel holder difraktometer sinar X. Proses difraksi sinar X dimulai dengan menyalakan difraktometer sehingga diperoleh hasil difraksi berupa difraktogram yang menyatakan hubungan antara sudut difraksi 2θ dengan intensitas sinar X yang dipantulkan. Untuk difraktometer sinar X, sinar X terpancar dari tabung sinar X. Sinar X didifraksikan dari sampel yang konvergen yang diterima slit dalam posisi simetris dengan respon ke fokus sinar X. Sinar X ini ditangkap oleh detektor sintilator dan diubah menjadi sinyal listrik. Sinyal tersebut, setelah dieliminasi komponen noisenya, dihitung sebagai analisa pulsa tinggi. Teknik difraksi sinar x juga digunakan untuk menentukan ukuran kristal, regangan kisi, komposisi kimia dan keadaan lain yang memiliki orde yang sama.
Metode difraksi sinar X digunakan untuk mengetahui struktur dari lapisan tipis yang terbentuk. Sampel diletakkan pada sampel holder difraktometer sinar X. Proses difraksi sinar X dimulai dengan menyalakan difraktometer sehingga diperoleh hasil difraksi berupa difraktogram yang menyatakan hubungan antara sudut difraksi 2θ dengan intensitas sinar X yang dipantulkan. Untuk difraktometer sinar X, sinar X terpancar dari tabung sinar X. Sinar X didifraksikan dari sampel yang konvergen yang diterima slit dalam posisi simetris dengan respon ke fokus sinar X. Sinar X ini ditangkap oleh detektor sintilator dan diubah menjadi sinyal listrik. Sinyal tersebut, setelah dieliminasi komponen noisenya, dihitung sebagai analisa pulsa tinggi. Teknik difraksi sinar x juga digunakan untuk menentukan ukuran kristal, regangan kisi, komposisi kimia dan keadaan lain yang memiliki orde yang sama.
3.
Gugus fungsional
Penentuan gugus fungsional dapat dilakukan
dengan menggunakan metode spektrum infra merah.
a)
Prinsip dasar
Spektrum
infra merah suatu molekul adalah hasil transisi antara tingkat energi getaran
yang berlainan. Gerakan getaran molekul menyerupai gerakan suatu bola yang
dipasang pada pegas, yaitu pengosilasi harmoni. Model bola dan pegas digunakan
untuk mengembangkan konsepsi gerakan getaran. Jika senyawa organik dikenai sinar
infra-merah yang mempunyai frekuensi tertentu (bilangan gelombang 500 -4000 cm-1),
sehingga beberapa frekuensi tersebut diserap oleh senyawa tersebut. Berapa
banyak frekuensi tertentu yang melewati senyawa tersebut diukur sebagai 'persentasi
transmitasi' (percentage transmittance). Persentasi transmitasi dengan
nilai 100 berarti semua frekuensi dapat melewati senyawa tersebut tanpa diserap
sama sekali. Transmitasi sebesar 5% mempunyai arti bahwa hampir semua frekuensi
tersebut diserap oleh senyawa itu.
b)
Penafsiran spektrum infra merah
Identifikasi
pita absopsi khas yang disebabkan oleh berbagai gugus fungsi merupakan dasar penafsiran
spektrum infra merah. Jadi frekuensi regang O-H menimbulkan pita absorpsi kuat
di daerah 3350 cm‑1. Adanya pita kuat di daerah 3350 cm-1
pada spektrum infra merah suatu senyawa merupakan petunjuk kuat bahwa molekul
itu mengandung gugus O-H. Berikut adalah tabel delapan daerah terpenting dan
telah ditentukan dengan baik yang digunakan pada pemeriksaan pendahululan
spektrum.
Daerah spektrum, Bilangan gelombang
(cm-1)
|
Ikatan yang menyebabkan absorpsi
|
3750 -3000
|
Regang O-H; N-H
|
3300 -2900
|
Regang C-H : -CΞ C-H; C=C-H; Ar-H
|
3000 -2700
|
Regang C-H : CH3; CH2; -H
|
2400 -2100
|
Regang CΞC; CΞN
|
1900 -1650
|
Regang C=O (asam , aldehida, keton, amida, ester,
anhidrida)
|
1675 -1500
|
Regang C=C (alifatik dan aromatik); C=N
|
1475 -1300
|
Lentur C-H
|
1000 -650
|
Lentur C=C-H; Ar-H (luar bidang)
|
Sampel yang dapat di analisis dan preparasinya
Ada berbagai
tehnik untuk persiapan sampel, bergantung pada bentuk fisik sampel yang akan
dianalisis.
·
Padat
Jika zat yang
akan dianalisis berbentuk padat, maka ada dua metode untuk persiapan sampel
ini, yaitu melibatkan penggunaan Nujol mull atau pelet KBr.
1. Nujol Mull
Cara persiapan
sampel dengan menggunakan Nujol Mull yaitu: Sampel digerus dengan mortar dan
pestle agar diperoleh bubuk yang halus. Dalam jumlah yang sedikit bubuk
tersebut dicampur dengan Nujol agar terbentuk pasta, kemudian beberapa tetes
pasta ini ditempatkan antara dua plat sodium klorida(NaCl) (plat ini tidak
mengabsorbsi inframerah pada wilayah tersebut). Kemudian plat ditempatkan dalam
tempat sampel pada alat spektroskopi inframerah untuk dianalisis.
2. Pelet KBr
Sedikit sampel
padat (kira-kira 1 - 2 mg), kemudian ditambahkan bubuk KBr murni (kira-kira 200
mg) dan diaduk hingga rata. Campuran ini kemudian ditempatkan dalam cetakan dan
ditekan dengan menggunakan alat tekanan mekanik. Tekanan ini dipertahankan
beberapa menit, kemudian sampel (pelet KBr yang terbentuk) diambil dan kemudian
ditempatkan dalam tempat sampel pada alat spektroskopi inframerah untuk
dianalisis.
·
Cairan
Bentuk ini
adalah paling sederhana dan metode yang paling umum pada persiapan sampel.
Setetes sampel ditempatkan antara dua plat KBr atau plat NaCl untuk membuat
film tipis. Kemudian plat ditempatkan dalam tempat sampel alat spektroskopi
inframerah untuk dianalisis.
·
Gas
Untuk
menghasilkan sebuah spektrum inframerah pada gas, dibutuhkan sebuah sel
silinder/tabung gas dengan jendela
pada setiap akhir pada sebuah material yang tidak aktif inframerah seperti KBr,
NaCl atau CaF2. Sel biasanya mempunyai inlet dan outlet dengan keran
untuk mengaktifkan sel agar memudahkan pengisian dengan gas yang akan
dianalisis.
Contoh
karakterisasi dengan spektrometer IR
4.
Jari-jari pori
5.
Termal stabilitas
Dua jenis teknik analisa termal yang utama
adalah analisa termogravimetrik (TGA), yang secara otomatis merekam perubahan
berat sampel sebagai fungsi dari suhu maupun waktu, dan analisa diferensial
termal (DTA) yang mengukur perbedaan suhu, T, antara sampel dengan material
referen yang inert sebagai fungsi dari suhu. Teknik yang berhubungan dengan DTA
adalah diferential scanning calorimetry (DSC).
i.
Thermogravimetric
Analysis (TGA)
a.
Prinsip dasar
Thermogravimetri
adalah teknik untuk mengukur perubahan berat dari suatu senyawa sebagai fungsi
dari suhu ataupun waktu. Hasilnya biasanya berupa rekaman diagram yang kontinu;
reaksi dekomposisi satu tahap yang skematik diperlihatkan pada Gambar 1.
b.
Pengkondisian sampel
Sampel
yang digunakan, dengan berat beberapa miligram, dipanaskan pada laju konstan,
berkisar antara 1 – 20oC /menit, mempertahan berat awalnya , Wi,
sampai mulai terdekomposisi pada suhu Ti. Pada kondisi pemanasan dinamis, dekomposisi
biasanya berlangsung pada range suhu tertentu, Ti – Tf, dan daerah konstan
kedua teramati pada suhu diatas Tf, yang berhubungan harga berat residu Wf.
Berat Wi, Wf, dan ΔW adalah harga-harga yang sangat penting.
c.
Perhitungan
Bertolak belakang dengan berat, harga Ti dan Tf, merupakan harga
yang bergantung pada beragam variabel, seperti laju pemanasan, sifat dari
padatan ( ukurannya) dan atmosfer di atas sampel. Efek dari atmosfer ini dapat
sangat dramatis, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2 untuk dekomposisi
CaCO3; pada kondisi vakum, dekomposisi selesai sebelum ~ 500 0C, namun dalam
CO2 tekanan atmosfer 1 atm, dekomposisi bahkan belum berlangsung hingga suhu di
atas 900oC. Oleh sebab itu, Ti dan Tf merupakan nilai yang sangat
bergantung pada kondisi eksperimen, karenanya tidak mewakili suhu-suhu
dekomposisi pada equilibrium.
ii.
Differential
thermal analysis (DTA) dan differential scanning calorimetry (DSC)
a.
Prinsip dasar
Analisa termal diferensial adalah teknik dimana suhu dari sample
dibandingkan dengan material referen inert selama perubahan suhu terprogram.
Suhu sample dan referen akan sama apabila tidak terjadi perubahan, namun pada
saat terjadinya beberapa peristiwa termal, seperti pelelehan, dekomposisi atau
perubahan struktur kristal pada sample, suhu dari sample dapat berada di bawah
(apabila perubahannya bersifat endotermik) ataupun di atas ( apabila perubahan
bersifat eksotermik) suhu referen. Karena ketidaksensitivannya, teknik ini
memiliki aplikasi yang terbatas; penggunaan utama pada awalnya adalah pada
‘metode kurva pendinginan’ yang digunakan pada penentuan diagram fasa; dimana
suhu sample direkam pada proses pendinginan dan bukan pemanasan, karena efek
panas yang diasosiasikan dengan solidifikasi dan kristalisasi biasanya cukup
besar sehingga dapat dideteksi dengan metode ini.
b.
Cara kerja
Sampel dan referen ditempatkan bersebelahan dalam heating block
yang dipanaskan ataupun didinginkan pada laju konstan; termokopel identik
ditempatkan pada keduanya dan dikoneksikan. Ketika sampel dan referen berada
pada suhu yang sama, output bersih dari pasangan termokopel ini akan sama
dengan nol. Pada saat suatu peristiwa termal berlangsung pada sampel, perbedaan
suhu, ΔT, timbul antara keduanya yang kemudian terdeteksi dari selisih tegangan
dari kedua termokopel. Termokopel ketiga (tidak diperlihatkan pada gambar)
digunakan untuk memonitor suhu heating block dan hasilnya diperlihatkan sebagai
ΔT versus suhu. Baseline horizontal, menunjukkan ΔT=0, sedangkan penyimpangan
dari baseline akan berupa puncak yang tajam sebagai akibat dari berlangsungnya
peristiwa termal pada sampel. Suhu puncak yang muncul dapat ditentukan dari
suhu dimana deviasi mulai timbul, T1,ataupun pada suhu puncak, T2. Penggunaan
T1 mungkin saja lebih tepat, namun seringkali kurang jelas kapan puncak
bermula, dan karenanya lebih umum digunakan T2. Ukuran dari puncak dapat
diperbesar sehingga peristiwa termal dengan perubahan entalpi yang kecil dapat
terdeteksi.
6.
Morfologi
Berikut adalah alat yang dapat digunakan dalam
analisis morfologi suatu unsur.
i.
SEM
SEM
(Scanning Electron Microscope) adalah salah satu jenis mikroscop electron yang
menggunakan berkas electron untuk menggambarkan bentuk permukaan dari material
yang dianalisis.
a.
Prinsip kerja
Prinsip
kerja dari SEM ini adalah dengan menggambarkan permukaan benda atau material
dengan berkas electron yang dipantulkan dengan energy tinggi. Permukaan
material yang disinari atau terkena berkar electron akan memantulkan kembali
berkas electron atau dinamakan berkas electron sekunder ke segala arah. Tetapi
dari semua berkas electron yang dipantulkan terdapat satu berkas electron yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Detector yang terdapat di dalam
SEM akan mendeteksi berkas electron berintensitas tertinggi yang
dipantulkan oleh benda atau material yang dianalisis. Selain itu juga dapat
menentukan lokasi berkas electron yang berintensitas tertinggi itu. Ketika
dilakukan pengamatan terhadap material, lokasi permukaan benda yang
ditembak dengan berkas elektron yang ber intensitas tertinggi di – scan
keseluruh permukaan material pengamatan. Karena luasnya daerah pengamatan kita
dapat membatasi lokasi pengamatan yang kita lakukan dengan melakukan zoon – in
atau zoon – out. Dengan memanfaatkan berkas pantulan dari benda tersebut maka
informasi dapat di ketahui dengan menggunakan program pengolahan citra yang
terdapat dalam computer.
b.
Kelebihan
SEM
(Scanning Electron Microscope) memiliki resolusi yang lebih tinggi dari pada
mikroskop optic. Hal ini di sebabkan oleh panjang gelombang de Broglie yang
memiliki electron lebih pendekdek daripada gelombang optic. Karena makin kecil
panjang gelombang yang digunakan maka makin tinggi resolusi mikroskop.
c.
Dilengkapi dengan EDX
Alat
ini dilengkapi dengan detektor dispersi energi (EDX) sehingga dapat digunakan
untuk mengetahui komposisi elemen-elemen pada sampel yang dianalisis. Adapun
tujuan SEM-EDX dalam penelitian ini adalah untuk mengetahui kegradulaan
struktur mikro dan komposisi unsur