Bagian 2/10 - Pembahasan Soal OSN Kab/Kota 2025 (Soal tentang Spektroskopi)

Berikut pembahasan soal-soal OSN Kimia tingkat kabupaten/kota tahun 2025. Pada postingan ini disajikan khusus soal-soal yang melibatkan bahasan spektroskopi. Soal tentang bahasan ini berjumlah 6 item soal.

Bahasan Soal OSN Kab/Kota 2025 Bidang Kimia lainnya dapat dibaca pada tautan berikut:

Bagian-1	Bagian-6
Bagian-2	Bagian-7
Bagian-3	Bagian-8
Bagian-4	Bagian-9
Bagian-5	Bagian-10

Soal OSN Kab/Kota tentang Spektroskopi-1

Suatu senyawa organik mengandung atom C, H, O, dan N dengan data analisis unsur sebagai berikut: C 59,37%; H 10,96%; N 13,85%, dan O 15,82%. Data spektrum massa senyawa ini menunjukkan puncak m/z pada 101,08. Senyawa ini memiliki puncak serapan khas pada spektrum IR di sekitar bilangan gelombang 1700 cm^–1, serta sinyal khas pada geseran kimia 202 ppm dalam spektrum ¹³C-NMR. Senyawa ini memiliki spektrum ¹H-NRM sebagai berikut.

Berdasarkan informasi wacana data spektroskopi di atas, struktur senyawa ini adalah ....

Analisis Prediksi Struktur Senyawa Organik

Nama senyawa sesuai opsi yang diberikan:

1. 1-(tetrahidrofuran-2-il)etan-1-amina (mr = 115)
2. N-metilbutiramida  (mr = 101)
3. 4-amino-4-metilpentan-2-on  (mr = 115)
4. 3,5-dimethylmorpholine  (mr = 115)
5. 3-(dimethylamino)propanal  (mr = 101)

Penentuan Rumus Molekul

a. Menghitung jumlah mol masing-masing unsur (asumsi sampel 100g):

Karbon (C): \( \dfrac{59,\!37\text{ g}}{12,\!01\text{ g/mol}} = 4,\!944\text{ mol} \)

Hidrogen (H): \( \dfrac{10,\!96\text{ g}}{1,\!008\text{ g/mol}} = 10,\!87\text{ mol} \)

Nitrogen (N): \( \dfrac{13,\!85\text{ g}}{14,\!01\text{ g/mol}} = 0,\!9886\text{ mol} \)

Oksigen (O): \( \dfrac{15,\!82\text{ g}}{16,\!00\text{ g/mol}} = 0,\!9888\text{ mol} \)

b. Membagi dengan nilai jumlah mol terkecil (≈0,9886) untuk menentukan rumus empiris (RE):

C: \( \dfrac{4,\!944}{0,\!9886} \approx 5 \)

H: \( \dfrac{10,\!87}{0,\!9886} \approx 11 \)

N: \( \dfrac{0,\!9886}{0,\!9886} = 1 \)

O: \( \dfrac{0,\!9888}{0,\!9886} \approx 1 \)

Rumus Empiris: \( \text{C}_5\text{H}_{11}\text{NO} \)

c. Tentukan Rumus Molekul:

Massa Rumus Empiris:
\( (5 \times 12) + (11 \times 1) + 14 + 16 = 101\text{ g/mol} \)

Spektrum massa menunjukkan puncak pada m/z 101,08 (sesuai massa RE).

∴ Rumus Molekul: \( \text{C}_5\text{H}_{11}\text{NO} \)

Sampai tahap ini tersisa 2 kemungkinan jawaban yang benar, yaitu B dan E mr-nya tepat 101.
Untuk A, C, D mr-nya lebih dari 101 (115), jadi ini sudah dapat dipastikan salah.

Analisis Gugus Fungsional

a. Spektrum IR:

Puncak serapan 1700 cm⁻¹ menunjukkan gugus karbonil (C=O):

• Karakteristik untuk aldehid (R-CHO)

b. Spektrum ¹³C-NMR:

Sinyal pada 202 ppm sangat khas untuk:

• Karbon aldehid (O=CH-)

c. Indeks Defisiensi Hidrogen (IDH):

\( \text{IDH} = C + 1 - \dfrac{H + X - N}{2} \)

\( \text{IDH} = 5 + 1 - \dfrac{11 + 0 - 1}{2} \)

\( \text{IDH} = 1 \)

Menunjukkan adanya 1 ikatan rangkap/gugus karbonil.
C = jumlah atom C; H = jumlah atom H; X = jumlah atom halogen; N = jumlah atom N

b. Spektrum ¹H-NMR:

Integrasi sesuai rasio jumlah H = 1H : 2H : 6H : 2H.

3. Perbandingan Struktur Kandidat

Fitur Analitik	3-(dimetilamino)propanal O=CH-CH₂-CH₂-N(CH₃)₂	N-metilbutanamida CH₃-CH₂-CH₂-CONH-CH₃
Rumus Molekul (C₅H₁₁NO)	✅ Sesuai	✅ Sesuai
Spektrum Massa (m/z 101)	✅ Sesuai	✅ Sesuai
IR ~1700 cm⁻¹	✅ Aldehid (tepat)	❌ Amida (biasanya < 1700 cm⁻¹
¹³C-NMR (202 ppm)	✅ Karbonil aldehid	❌ Tidak umum untuk amida
Sinyal H-NMR 9-10 ppm (1H)	✅ O=CH- aldehid	❌ Tidak ada proton >9 ppm
Sinyal H-NMR 3,5-4 ppm (2H)	✅ CH₂-CHO	❌ CH₂-C=O amida (biasanya ~2-2,5)
Sinyal H-NMR 2,50 ppm (2H)	✅ CH₂-N	❌ Tidak ada lingkungan yang cocok
Sinyal H-NMR~3 ppm (6H)	✅ N(CH₃)₂	❌ Hanya punya 1 CH₃ (N-CH₃)
Indeks Defisiensi Hidrogen	✅ Terpenuhi oleh C=O	✅ Terpenuhi oleh C=O

Struktur yang benar:

O=CH-CH₂-CH₂-N(CH₃)₂

Nama IUPAC: 3-(dimetilamino)propanal

Jawaban yang tepat E.

.

Soal OSN Kab/Kota tentang Spektroskopi-2

Dalam spektrum ¹H NMR, sebuah sinyal proton muncul sebagai triplet dengan intensitas puncak yang sama (1:2:1). Apa yang ditunjukkan oleh pola pemisahan ini tentang lingkungan proton tersebut?

1. Proton tersebut berdekatan dengan satu proton lain
2. Proton tersebut berdekatan dengan dua proton setara (ekuivalen)
3. Proton tersebut tidak berpasangan dengan proton tetangga mana pun
4. Proton tersebut berdekatan dengan tiga proton yang setara (ekuivalen)
5. Proton tersebut berdekatan dengan empat proton yang setara (ekuivalen)

Pembahasan soal:

Dalam spektrum ¹H NMR, pola pemisahan (splitting) sinyal proton ditentukan oleh jumlah proton tetangga yang setara (ekivalen) melalui aturan n+1, di mana n adalah jumlah proton tetangga tersebut.

• Triplet (1:2:1) menunjukkan bahwa proton tersebut berinteraksi dengan 2 proton tetangga yang setara (n = 2), karena:
  • Jumlah puncak = n + 1 = 2 + 1 = 3 (triplet).
  • Rasio intensitas mengikuti pola binomial 1:2:1 (sesuai dengan aturan pasangan spin).

Pengecekan tiap opsi:

A (1 proton tetangga): Akan menghasilkan doublet (1:1).

B (2 proton tetangga): Akan menghasilkan triplet (1:2:1).

C (tidak ada proton tetangga): Akan menghasilkan singlet (tidak terpisah).

D (3 proton tetangga): Akan menghasilkan quartet (1:3:3:1).

E (4 proton tetangga): Akan menghasilkan quintet (1:4:6:4:1).

Kesimpulan:
Pola triplet (1:2:1) menunjukkan bahwa proton tersebut berdekatan dengan 2 proton setara.
Jawaban yang tepat: B.

Soal OSN Kab/Kota tentang Spektroskopi-3

Sebuah molekul menyerap radiasi gelombang elektromagnetik pada panjang gelombang 6,67 mm. Aktivitas molekul yang terkait dengan penyerapan ini adalah ....

1. Transisi elektronik
2. Transisi rotasional
3. Transisi vibrasi molekul
4. Transisi pembalikan spin inti
5. Transisi translasi

Pembahasan soal:

Penjelasan Transisi Molekul pada Panjang Gelombang 6,67 µm dan analisisnya

1. Mengonversi Panjang Gelombang ke Bilangan Gelombang:

Bilangan gelombang (\(\tilde{\nu}\)) dihitung dengan rumus:

\[ \tilde{\nu} = \frac{1}{\lambda} \]

Diketahui \(\lambda = 6,67\ \mu\text{m} = 6,67 \times 10^{-6}\ \text{m}\), maka:

\[ \tilde{\nu} = \frac{1}{6,67 \times 10^{-6}\ \text{m}} \approx 1500\ \text{cm}^{-1} \]

2. Mengidentifikasi Daerah Spektrum:

• Daerah inframerah (IR) mencakup bilangan gelombang sekitar 400–4000 cm\(^{-1}\), yang terkait dengan transisi vibrasi molekul (getaran ikatan kimia).
  
  
• Bilangan gelombang 1500 cm\(^{-1}\) termasuk dalam daerah inframerah tengah, ciri khas untuk vibrasi seperti tekukan (bending) atau regangan (stretching) ikatan.

3. Mengeliminasi Opsi Lain:

• A. Transisi elektronik: Terjadi pada daerah ultraviolet/visible (panjang gelombang lebih pendek).
  
  
• B. Transisi rotasional: Terjadi pada gelombang mikro atau IR jauh (bilangan gelombang < 100 cm\(^{-1}\)).
  
  
• D. Transisi pembalikan spin inti: Terkait dengan NMR (gelombang radio).
  
  
• E. Transisi translasi: Tidak menyerap radiasi secara signifikan.

Kesimpulan: Penyerapan pada 6,67 µm (1500\ \text{cm}^{-1}) disebabkan oleh transisi vibrasi molekul.
Jawaban yang tepat: C

Soal OSN Kab/Kota tentang Spektroskopi-4

Panjang gelombang foton yang dipancarkan pada transisi elektronik dari keadaan tereksitasi ketiga ke keadaan tereksitasi pertama pada ion He⁺ adalah ....

1. 25,6 nm
2. 51,2 nm
3. 102,4 nm
4. 121,5 nm
5. 486,0 nm

Pembahasan Soal Panjang Gelombang Foton

Untuk atom/ion hidrogenik:

• Tingkat dasar (ground state) →  n = 1
• Keadaan tereksitasi pertama → n = 2
• Keadaan tereksitasi kedua → n = 3
• Keadaan tereksitasi ketiga → n = 4

Untuk transisi dari \( n = 4 \) ke \( n = 2 \) pada ion \( \text{He}^+ \) (\( Z = 2 \)):

1. Menggunakan Rumus Rydberg untuk Ion Hidrogenik

$$\begin{aligned} \frac{1}{\lambda} &= R_H Z^2 \left( \frac{1}{n_f^2} - \frac{1}{n_i^2} \right) \\ &= (1,\!097 \times 10^7 \, \text{m}^{-1}) \times 2^2 \left( \frac{1}{2^2} - \frac{1}{4^2} \right) \end{aligned}$$

2. Menghitung Bagian dalam Kurung

$$\begin{aligned} \frac{1}{2^2} - \frac{1}{4^2} &= \frac{1}{4} - \frac{1}{16} \\ &= \frac{4}{16} - \frac{1}{16} \\ &= \frac{3}{16} \end{aligned}$$

3. Substitusi dan Hitung

$$\begin{aligned} \frac{1}{\lambda} &= 4,\!388 \times 10^7 \, \text{m}^{-1} \times \frac{3}{16} \\ &= 8,\!2275 \times 10^6 \, \text{m}^{-1} \end{aligned}$$

4. Menghitung Panjang Gelombang

$$\begin{aligned} \lambda &= \frac{1}{8,\!2275 \times 10^6 \, \text{m}^{-1}} \\ &= 1,\!215 \times 10^{-7} \, \text{m} \\ &= 121,\!5 \, \text{nm} \end{aligned}$$

Hasil perhitungan menunjukkan panjang gelombang 121,5 nm.

Jawaban yang tepat : D.

Soal OSN Kab/Kota tentang Spektroskopi-5

Dalam spektrum massa dari suatu senyawa, teramati dua puncak ion molekul pada m/z = 78 dan m/z = 80, dengan rasio intensitas relatif sekitar 3:1. Fitur struktur atau rumus molekul manakah yang paling mungkin untuk senyawa ini?

1. Senyawa mengandung satu atom brom
2. Senyawa mengandung dua atom brom
3. Senyawa mengandung dua atom klor
4. Senyawa mengandung satu atom klor
5. Senyawa mengandung satu atom sulfur

Analisis Puncak Massa dan Rasio Intensitas

Untuk menjawab pertanyaan ini, perlu menganalisis pola puncak massa dan rasio intensitas relatif yang diamati dalam spektrum massa senyawa tersebut.

Langkah 1: Analisis Puncak Massa dan Rasio Intensitas

• Terdapat dua puncak ion molekul pada m/z = 78 dan m/z = 80, dengan rasio intensitas 3:1.
• Pola ini menunjukkan bahwa senyawa tersebut mengandung satu atom halogen yang memiliki dua isotop alami dengan kelimpahan relatif sekitar 3:1.

Langkah 2: Identifikasi Halogen yang Mungkin

• Klorin (Cl) memiliki dua isotop stabil:
  • ³⁵Cl (kelimpahan ~75%, massa 35)
  • ³⁷Cl (kelimpahan ~25%, massa 37)
  • Rasio isotop Cl adalah 3:1 (75% : 25%).
    
    
• Bromin (Br) memiliki dua isotop stabil:
  • ⁷⁹Br (kelimpahan ~50%, massa 79)
  • ⁸¹Br (kelimpahan ~50%, massa 81)
  • Rasio isotop Br adalah ~1:1 (tidak sesuai dengan data spektrum yang diberikan).

Langkah 3: Hitung Massa Molekul Dasar

• Jika senyawa mengandung satu atom klorin (Cl), maka:
  • Ion molekul dengan ³⁵Cl akan memberikan puncak pada M (misalnya, massa sisa = 78 - 35 = 43).
  • Ion molekul dengan ³⁷Cl akan memberikan puncak pada M+2 (43 + 37 = 80).
  • Rasio M : (M+2) = 3 : 1, sesuai dengan data spektrum.

Langkah 4: Eliminasi Opsi Lain

1. Senyawa mengandung satu atom brom: Bromin memiliki rasio isotop ~1:1, tidak sesuai dengan rasio 3:1.
   
   
2. Senyawa mengandung dua atom brom: Pola isotop akan kompleks dengan rasio ~1:2:1, tidak sesuai.
   
   
3. Senyawa mengandung dua atom klor: Pola isotop akan memiliki puncak M+4 dengan rasio 9:6:1, tidak sesuai.
   
   
4. Senyawa mengandung satu atom klor: Sesuai dengan rasio 3:1 dan pola dua puncak.
   
   
5. Senyawa mengandung satu atom sulfur: Sulfur memiliki isotop ³⁴S dengan kelimpahan hanya ~4%, sehingga rasio M : (M+2) jauh lebih besar dari 3:1.

Jawaban yang tepat D. 

Soal OSN Kab/Kota tentang Spektroskopi-6

Suatu sampel senyawa dianalisis menggunakan spektroskopi UV-Vis. Diketahui bahwa serapan maksimum (λ_maks) terjadi pada panjang gelombang 280 nm, Transisi elektronik manakah yang paling mungkin bertanggung jawab atas serapan ini?

1. σ → σ*
2. π → π *
3. n → σ*
4. n → π*
5. σ → n*

Pembahasan soal:

Analisis alternatif jawaban untuk menentukan transisi elektronik yang paling mungkin bertanggung jawab atas serapan pada panjang gelombang 280 nm:

1. σ → σ*

Transisi ini biasanya terjadi pada senyawa jenuh (seperti alkana) dan membutuhkan energi tinggi (panjang gelombang pendek, umumnya <150 nm). Jadi, tidak mungkin terjadi pada 280 nm.

2. π → π*

Transisi ini terjadi pada senyawa tak jenuh (seperti alkena, alkuna, atau senyawa aromatik) dan biasanya memiliki serapan pada daerah UV (200–400 nm). Panjang gelombang 280 nm termasuk dalam rentang ini, sehingga transisi π → π* mungkin terjadi.

3. n → σ*

Transisi ini melibatkan pasangan elektron bebas (n) dari atom seperti N, O, atau S ke orbital σ*. Biasanya terjadi pada panjang gelombang 150–250 nm, sehingga 280 nm agak panjang untuk transisi ini.

4. n → π*

Transisi ini terjadi pada senyawa dengan gugus karbonil (C=O) atau senyawa tak jenuh lainnya yang memiliki pasangan elektron bebas. Serapannya biasanya pada panjang gelombang yang lebih panjang (250–400 nm), sehingga 280 nm termasuk dalam rentang ini.

5. σ → n*

Opsi ini tidak umum dalam spektroskopi UV-Vis dan biasanya tidak relevan untuk analisis serapan.

Kesimpulan:

Pada panjang gelombang 280 nm, transisi yang paling mungkin adalah π → π* (terutama untuk senyawa aromatik atau terkonjugasi) atau n → π* (jika ada gugus karbonil atau heteroatom dengan pasangan elektron bebas).

Namun, karena π → π* lebih kuat dan lebih umum untuk serapan di rentang ini, jawaban terbaik adalah B. π → π*.
Jika senyawa mengandung gugus karbonil atau heteroatom, n → π* (opsi D) juga mungkin.

Dalam konteks soal ini, karena tidak ada informasi tambahan tentang senyawa, jawaban yang paling umum adalah B. π → π*. 

Jawaban yang tepat B.

Mohon koreksi bila ada pembahasan yang kurang tepat. Terima kasih.