ANALISIS REAKSI UNSUR KARBON DENGAN GAS NITROGEN, OKSIGEN DAN HIDROGEN DENGAN LIBS
Nyoman Wendri, Ni Nyoman Ratini, Ni Wayan Sariasih, Hery Suyanto
Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Udayana
Jl. Kampus Bukit Jimbaran, Badung-Bali. Telp/Fax : (0361)703137 [email protected] ; [email protected]
ABSTRAK
Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui mekanisme reaksi unsur karbon dengan gas nitrogen, oksigen dan hidrogen di udara. Sampel yang digunakan lempengan karbon grafit. Variabel yang digunakan untuk mengkarakterisasi unsur karbon C, molekul CN, CH dan CO adalah waktu tunggu deteksi (delay time detection) dari 0 μs sampai 4,5 μs dengan menggunakan metode laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) dengan energi laser 80 mJ, 100 mJ dan 120 mJ. Data menunjukkan bahwa pendeteksian unsur karbon C sebaiknya dilakukan sebelum 1 μs sedangkan molekul CN, CH dan CO yang merupakan hasil rekombinasi antara unsur C dengan gas N, O dan H dilingkungan sebaiknya pendeteksian dilakukan diantara 1,5 μs sampai dengan 3 μs. Data juga menunjukan bahwa energi laser yang cocok untuk karakteristik unsur karbon beserta molekulnya adalah 100 mJ.
Kata kunci: unsur C, LIBS, molekul :CN, CO, CH
ABSTRACT
The aim of the research is so study the reaction mechanism of carbon (C) with nitrogen (N) oxigen (O) and hidrogen (H) gases in the air. The sample used in this experiment was a graphite carbon sheet with a dimension of 0,5 x 1 x 4 cm. The variables used to characterize the C element, CN, CH, and CO molecules were delay time detection (0 µstill 4,5 µs) and laser energi (80 mJ, 100 mJ, and 120 mJ). The data show that the best time detection for carbon element was before 1µs meanwhile for CN, CH, and CO as result of recombination between C element and surrounding gas of air (N, O, and H gases) were between 1,5 µs till 3µs. The data also show that the suitable laser energi for this study were 100mJ for C elemen and 80 mJ for its molecules.
Keyword: C element, LIBS, CN, CO, and CH molecules
1. PENDAHULUAN
Karbon adalah unsur kimia non-logam yang disimbulkan C, bernomor atom 6dan bervalensi 4 yang dapat membentuk ikatan kovalen (Periodic Table 2007). Sifat-sifat fisika karbon bervariasi tergantung pada jenis alotropnya (invsee.asu.edu,2008). Intan memiliki konduktivitas listrik yang sangat rendah, sedangkan grafit adalah konduktor listrik yang sangat baik. Di bawah kondisi normal, intan memiliki konduktivitastermal yang tertinggi diantara materi-materi lain yang diketahui, tetapi grafit merupakan alotrop yang paling stabil secara termodinamikdi antara alotrop-alotrop lainnya dan mudah bereaksi pada suhu yang sangat tinggi (sekitar 500oC)bahkan dengan oksigen maupun nitrogen (Chemistry Operatoins,2008).
Berdasarkan sifat-sifat tersebut diatas, maka pada penelitian ini akan menganalisis unsur karbon baik secara teori maupun penerapannya dengan metode sebagai berikut. Bila laser difokuskan pada permukaan lempengan karbon, maka sebagian kecil karbon (~ 0.01 mg) akan terablasikan ke lingkungan dengan kecepatan tinggi dan terjadi kompresi adiabatik dengan gas penyangga lingkungan yang kemudian terbentuk gelombang kejut (shock wave)(W.S.
Budi,1999). Gelombang ini akan melepaskan energi dalam bentuk kalor yang bersuhu sekitar 50000K. Keadaan suhu sebesar ini, memungkinkan atom-atom C dapat bereaksi dengan unsur-unsur lain yang ada disekitarnya. Berhubung ablasi dilingkungan udara, maka atom C akan bereaksi dengan oksigen, nitrogen dan hydrogen membentuk senyawa CO, CN dan CH yang mana dapat dianalisis melalui spektra yang ditangkap oleh spektrometer HR 2500+. Dengan memvariasi waktu tunggu deteksi (delay time detection) dan energi laser, maka akan terlihat jelas spektrum senyawa tersebut. Sehingga dalam penelitian ini akan mencari kondisi optimum energi laser dan waktu pendeteksian
yang menghasilkan mekanisme reaksi CO, CN, CH dengan jelas. Semua analisis dalam penelitian ini menggunakan laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS)
2. BAHAN DAN METODE PENELITIAN.
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah karbon grafit berukuran 0,5 x 1 x 4 cm. Bila laser Nd-YAG (1064 nm, 7 ns) dengan energi 80 mJ, 100 mJ dan 120 mJ serta akumulasi 3 difokuskan pada permukaan sampel karbon (grafit), maka sebagian kecil sampel terablasikan dengan kecepatan tinggi dan terjadi kompresi adiabatik dengan lingkungan udara dan terbentuk plasma. Plasma berisikanelektron- elektron, atom-atom netral, ion-ion dan atom-atom tereksitasi (D.A.
Cremers, 2006).Elektronelektrondalam atom-atom C yang tereksitasi akan segera kembali ke keadaan dasar (ground state) sambil mengemisikan foton dengan panjang gelombang karbon C 247,8 nm, sedangkan ion C akan berekombinasi dengan gas lingkungan akan mengemisikan foton dengan panjang gelombang CN 387,1 nm, CO 421,29 nm, CH 422,55 nm. Emisi-emisi ini ditangkap oleh spectrometer HR 2500+ dan ditampilkan sebagai intensitas fungsi panjang gelombang. Untuk mengkarakterisasi serta menganalisis mekanisme reaksi unsur C dengan gas oksigen, nitrogen dan hydrogen maka menggunakan variabel waktu tunggu deteksi (delay)time detection) yaitu mulai dari 0 sampai dengan 4,5 μs
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Plasma terbentuk karena dipengaruhi oleh beberapa parameter yan
suatu bsi), kondisi gas dilingkungan (seperti jenis gas dan
tekanangas), dan karakteristik laser (panjang gelombang, energi dan durasi pulsa laser) serta waktu pendeteksian(delay time detection) (Suyanto,Hery,2013). Analisis mekanisme reaksi unsur C dengan gas N, O dan Hditentukan dengan parameter-parameter tersebut. Dalam penelitian ini parameter yang digunakan yaitu energi laser sebesar 80 mJ, 100 mJ dan120 mJ, dan delay time detection dengan rentang 0 μs hingga 4,5μs.
Laser dengan energi 80 mJ, 100 mJ, 120 mJ difokuskan pada permukaan sampel Kabon dan terbentuk plasma. Intensitas emisi unsur karbon dan molekul CN, CO, CH dalam plasma dideteksi sebagai fungsiwaktu tunggu reaksi yang hasilnya diplot seperti pada Gambar 1, Gambar 2, Gambar 3, Gambar 4.
Gambar 1, merupakan grafik intensitas emisi unsur karbon C I 247,85 nm fungsi waktu tunggu deteksi (delay time detection) di lingkungan udara. Grafikk menunjukkan bahwa intensitas emisi foton unsur C untuk masing-masing energi laser terus menurun seiring dengan bertambahnya delay time detection yangdiberikan. Pada delay time detection 0 μs sampai 1,5 μs untuk energi laser 120 mJ memiliki intensitas emisi foton unsur C yang paling tinggi. Hal ini karena tingginya energi laser di titik fokus sampel karbon yang menyebabkan banyak unsur C yang terablasi dengan kecepatan tinggi serta tereksitasi dalam waktu yang sangat singkat, yang menyebabkan sebagian besar unsur C belum sempat berikatan dengan unsur lain dari udara seperti N,O,H, sehingga intensitas emisi unsur C tinggi. Sedangkan saat karbon diiradiasi dengan energi laser 80 mJ intensitas emisi foton unsur C jauh lebih rendah dari intensitas dengan energi laser 120 mJ. Ini disebabkan karena sifat dari unsur C itu sendiri yaitu sangat ringan dan mudah bereaksi dengan unsur lain, sehingga ketika laser dengan energi 80 mJ diiradiasikan pada karbon, maka unsur C terablasi dengan kecepatan lebih lambat dibandingkan pada energi 120 mJ yang mana mengakibatkan unsur C mempunyai kesempatan berekombinasi dengan unsur-unsur N, O dan H di udara dan mengemisikan molekul CN, CO, dan CH seperti pada Gambar 2, Gambar 3 dan Gambar 4.
2188 | Kuta, 29-30 Oktober 2015
Gambar 1 Grafik intensitas fungsi waktu tunggu deteksi (delay time detection) untuk molekul CN 387,99 nm dilingkungan udara.
Gambar 2. Grafik intensitas fungsi waktu tunggu deteksi (delay time detection) unsur C I 247,85 nm dilingkungan udara.
Gambar 2 menunjukkan grafik intensitas emisi molekul CN 387,99 nm fungsi waktu tunggu deteksi (delay time detection) dilingkungan udara. Berdasarkan hasil pada Gambar 1, yang menyatakan bahwa pada energy laser 80 mJ unsur C berikatan dengan unsur lain dapat dijelaskan dengan grafik pada Gambar 2. Berdasarkan Gambar 2 pada saat sampel karbon diirradiasi dengan energi laser 80 mJ banyak unsur C berikatan dengan CN. Sehingga intensitas emisi rata-ratanya molekul CN pada energi laser 80 mJ lebih tinggi dibandingkan dengan energi laser 100 mJ dan 120 mJ. Hal ini kebalikan dengan intensitas emisi unsur C pada Gambar 1 dan sudah dijelaskan sebelumnya.
Sedangkan pada energi laser 100 mJ dan 120 mJ intensitasnya turun karena energi tersebut memiliki kecepatan yang tinggi untuk mengeksitasi unsur C. Pada delay time detection 1,5 μs sampai 3 μs intensitas emisi molekul CN terjadi fluktuasi hal ini dikarenakan mekanisme gelombang kejut (shock wave) yang membentuk resonansi dengan gas/udara disekelilingnya.
Unsur karbon di dalam plasma selain bereaksi dengan gas nitrogen di udara juga berikatan dengan gas oksigen dan hydrogen seperti ditunjukan pada gambar 3 dan gambar 4. Gambar 3 dan 4 masing-masing merupakan grafik intensitas emisi molekul CO dan CH fungsi delay time detection. Terlihat bahwa grafik tersebut mempunyai pola atau kecenderungan (trend) yang sama. Ini disebabkan karena gas oksigen O2 dan hidrogen H2 merupakan hasil uraian dari molekul H2O yang ada di udara
0 2 4 6 8 10 12 14
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Intensitas Emisi CN 387,99 nm (a.u)
Waktu Tunggu Deteksi (Delay Time Detection) (μs) 80 mJ
100 mJ 120 mJ
Bahan : Karbon Grafit Energi Laser : 80 mJ, 100 mJ, 120 mJ
Akumulasi : 3
Cleaning : 0
Delay time : 0 μs sampai 4,5 μs Tekanan Udara : 1 atm
0 20 40 60 80 100 120 140
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Intensitas Emisi C I 247,85 nm (a.u)
Waktu Tunggu Deteksi (Delay Time Detection) (μs)
80 mJ 100 mJ 120 mJ Bahan : Karbon Grafit Energi Laser : 80 mJ, 100 mJ, 120 mJ
Akumulasi : 3
Cleaning : 0
Delay time : 0 μs sampai 4,5 μs Tekanan Udara : 1 atm
Gambar 3 Grafik intensitas fungsi waktu tunggu deteksi (delay timedetection) untuk molekul CO 421,29 nm dilingkungan udara.
Gambar 4 Grafik intensitas fungsi waktu tunggu deteksi (delay time detection) untuk molekul CH 422,55 nm dilingkungan udara
Gambar 3 dan Gambar 4 pada saat delay time detection 1 μs dengan energi 120 mJ, intensitas emisi CO dan CH sangat tinggi. Hal ini dikarenakan lingkungan yang digunakan adalah udara, dan pada saat 1 μs tersebut energi gelombang kejut yang dihasilkan laser pada energi 120 mJ adalah tinggi yang mana menyebabkan molekul H2O terurai menjadi gas H2 dan O2 yang kemudian berekombinasi dengan C menjadi CO dan CH. Berdasarkan gambar 3 dan gambar 4 dapat disimpulkan bahwa gelombang kejut terjadi pada saat sebelum 1 μs, baik untuk energi 80 mJ, 100 mJ, maupun 120 mJ, sehingga disarankan bahwa pengambilan data untuk molekul CO dan CH sebaiknya setelah waktu 1 μs.
4. KESIMPULAN
Berdasarkan data penelitian bahwa ada korelasi nilai intensitas emisi atom karbon C dengan nilai intensitas emisi molekul CN, CO, CH pada eksperimen di lingkungan udara 1 atm. Penurunan intensitas emisi atom C fungsi waktu tunda deteksi akan diikuti peningkatan intensitas emisi molekul CN. Pendeteksian
0 10 20 30 40
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Intensitas Emisi CO 421,29 nm (a.u)
Waktu Tunggu deteksi (Delay Time Detection) (μs)
80 mJ 100 mJ 120 mJ Bahan : Karbon Grafit
Energi Laser : 80 mJ, 100 mJ, 120 mJ
Akumulasi : 3
Cleaning : 0
Delay time : 0 μs sampai 4,5 μs Tekanan Udara : 1 atm
0 400 800 1200 1600 2000
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Intensitas Emisi CH 422,55 nm (a.u)
Waktu Tunggu Deteksi (Delay Time Detection) (μs) 80 mJ 100 mJ 120 mJ Bahan : Karbon Grafit Energi Laser : 80 mJ, 100 mJ, 120 mJ
Akumulasi : 3
Cleaning : 0
Delay time : 0 μs sampai 4,5 μs Tekanan Udara : 1 atm
atom C sebaiknya dilakukan pada waktu tunggu deteksi antara waktu 0 – 1 μs, sedangkan untuk molekul CN,CO dan CH berada antara 1 – 3 μs. Energi laser yang cocok untuk analisi unsur C adalah 100 mJ sedangkan molekul CN,CO dan CH adalah 80 mJ.
4. UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis menyampaikan terimakasih atas dukungan pendanaan penelitian ini dari dana PNBP Universitas Udayana melalui skim Hibah Penelitian Unggulan Program Studi Tahun Anggaran 2015 dengan Surat Perjanjian Penugasan Nomor: 1308/UN14.1.28.1/PP/2015
5. DAFTAR PUSTAKA
Chemistry Operations (December 15, 2003). "Carbon". Los Alamos National Laboratory. Diakses 2008-10-09 (http://periodic.lanl.gov/elements/6.html.)
D.A. Cremers, L.J. Radziemski, 2006, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) Fundamentals and Applications, UK :Cambridge University Press, Cambridge.
Hery Suyanto,2013 “ Karakteristik dan Fenomena Perubahan Konsentrasi Oksigen dan Nitrogen di Udara dengan Proses Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), Jurnal Fisika, 2013, Vol.14, No.1 Februari 2013
"Periodic Table: Date of Discovery". http://www.chemical Elements.com/. Diakses 2007-03-13
"World of Carbon-Interactive Nano-visulisation in Science &Engineering Edukation (http://invsee.asu.edu/nmodules/carbonmod/point.html)". Diakses 2008-10-09.
W.S. Budi, H. Suyanto, K.H. Kurniawan, M.O. Tjia, K. Kagawa.” Shock Exitation and Cooling Stage in the Laser Plasma Induced by a Q-Swictched Nd:YAG laser at Low Pressure”. Appl. Spectroscopy. 1999.53(6).719-730
