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 ka rbon dengan ga s nitrogen, oksigen dan hidrogen di uda ra. Sampel yang digunakan lempengan karbon grafit. Variabel yang digunakan untuk karakteristik unsur karbon adalah 100 mJ dan 80 mJ untuk molekul CN, CH dan CO.
Kata kunci: unsur C, LIBS, molekul :CN, CO, CH
Abstract
The aim of this resea rch is to study the reaction mechanism of carbon (C) with nitrogen (N), oxygen (O) and hydrogen (H) gases in the air. The sample used in this experiment wa s 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 µs till 4.5 µs ) and laser energy ( 80 mJ, 100 mJ and 120 mJ ). The data show that the best time detection for carbon element wa s before 1 µs, meanwhile for CN, CH and CO as results of recombination between C element and surrounding gas of air (N, O and H gases) were between 1.5 µs till 3
µs. The data also show that the suitable laser energy for this study were 100 mJ for C element and 80 mJ for its molecules
Keywords : C element, LIBS, CN, CO and CH molecules
1. PENDAHULUAN
Karbon adalah unsur kimia non-logam yang disimbolkan C, bernomor atom 6 dan bervalensi 4 yang dapat membentuk ikatan kovalen (Periodic Table,2007). Sifat-sifat fisika karbon bervariasi bergantung pada jenis alotropnya (invsee.asu.edu, 2008). Intan memiliki konduktivitas listik yang sangat rendah, sedangkan grafit adalah konduktor listrik yang sangat baik. Di bawah kondisi normal, intan memiliki konduktivitas termal yang tertinggi di antara materi-materi lain yang diketahui, tetapi grafit merupakan alotrop yang paling stabil secara termodinamik di antara alotrop-alotrop lainnya dan mudah bereaksi pada suhu yang sangat tinggi (sekitar 50000C), bahkan dengan oksigen maupun nitrogen (Chemistry Operations,2008).
sebesar ini, memungkinkan atom-atom C dapat bereaksi dengan unsur-unsur lain yang ada disekitarnya. Berhubung ablasi di lingkungan udara, maka atom C akan bereaksi dengan oksigen, nitrogen dan hidrogen 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 berisikan elektron-elektron, atom-atom netral, ion-ion dan atom-atom tereksitasi (D.A. Cremers, 2006
)
. Elektron-elektron dalam 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 µs3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Plasma terbentuk karena dipengaruhi oleh beberapa parameter yang diantaranya sifat fisik suatu sampel (kekerasan sampel dan koefisien absorbsi), kondisi gas dilingkungan (seperti jenis gas dan tekanan gas), 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 H ditentukan dengan parameter-parameter tersebut. Dalam penelitian ini parameter yang digunakan yaitu energi laser sebesar 80 mJ, 100 mJ dan120 mJ, dan delay time detectiondengan rentang 0 μs hingga 4,5 μs.
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 fungsi waktu tunggu reaksi yang hasilnya diplot seperti pada Gambar 1, Gambar 2, Gambar 3, Gambar 4.
Gambar 1. Grafik intensitas fungsi waktu tunggu deteksi (delay time detection) unsur C I 247,85 nm dilingkungan udara.
Gambar 2 Grafik intensitas fungsi waktu tunggu deteksi (delay time detection)
untuk molekul CN 387,1 nm dilingkungan udara.
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.
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)
Gambar 3 dan Gambar 4 pada saat delay time detection1 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 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.
5. 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
6. 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
