Pembahasan Soal Nomor 7 OSP Kimia 2023 (Polimer-Spektroskopi)

Berikut pembahasan soal OSP Kimia Tahun 2023 yang terdiri 9 soal. Setiap soal akan diberikan dalam tautan berbeda.

• Soal #1: Termodinamika
• Soal #2: Kinetika
• Soal #3: Elektrokimia
• Soal #4: Sifat Koligatif Larutan
• Soal #5: Termokimia-Kesetimbangan
• Soal #6: Struktur Molekul
• Soal #7: Polimer-Spektroskopi
• Soal #8: Kesetimbangan Asam-basa
• Soal #9: Kimia Organik

Polimer dan Spektroskopi (14 poin)

Polimer dan Spektroskopi (14 poin)

Masing-masing soal bernilai 2 poin

Reaksi berikut merupakan reaksi sintesis polimer Kevlar antara para-fenilendiamina dengan tereftaloyl klorida. Kevlar merupakan polimer yang dikenal sebagai bahan rompi anti peluru.

Sintesis Kevlar dari Para-fenilendiamina dan Tereftaloil Klorida

Reaksi polimerisasi kondensasi: para-fenilendiamina (1,4-diaminobenzena) + tereftaloil klorida (C₈H₄Cl₂O₂) → Kevlar (poliamida aromatik) + 2n HCl.

1. Jika para-fenilendiamina diukur spektrum ¹³C NMR, maka akan memberikan ________ sinyal karbon.

Pembahasan bagian a.
Langkah 1: Penomoran cincin
Para-fenilendiamina memiliki dua gugus −NH₂ yang identik, terikat pada C1 dan C4 dari cincin benzena. Enam karbon cincin: C1(NH₂), C2, C3, C4(NH₂), C5, C6.
Langkah 2: Menentukan karbon yang setara secara kimiawi
Karena kedua substituen sama persis (NH₂ = NH₂), molekul ini memiliki simetri lebih tinggi dibanding disubstitusi-para dengan dua gugus berbeda:
• C1 dan C4 setara (keduanya karbon ipso yang mengikat −NH₂) → 1 jenis sinyal.
• C2 (orto terhadap C1, meta terhadap C4) memiliki lingkungan kimia yang identik dengan C3 (meta terhadap C1, orto terhadap C4), karena kedua substituen pemberi efeknya sama (NH₂). Akibatnya C2 ≡ C3 ≡ C5 ≡ C6 → hanya 1 jenis sinyal untuk keempat CH tersebut.
Pola ini sama seperti pada senyawa disubstitusi-para simetris lain (hidrokuinon, p-xilena, p-diklorobenzena) yang secara eksperimen memang hanya menunjukkan 2 sinyal karbon aromatik, bukan 3 atau 4 seperti pada disubstitusi-para dengan dua gugus berbeda.
Jawaban: 2 sinyal karbon

2. Berikut merupakan spektrum massa tereftaloyl klorida (C₈H₄Cl₂O₂)

   

   Nilai massa molar molekul tereftaloyl klorida adalah ________ (Jawaban dalam bilangan bulat)

Pembahasan bagian b.
Menjumlahkan massa atom relatif (A_r standar)
$$ \begin{aligned} M_r(\text{C}_8\text{H}_4\text{Cl}_2\text{O}_2) &= 8(12{,}011) + 4(1{,}008) + 2(35{,}45) + 2(16{,}00) \\[4pt] &= 96{,}09 + 4{,}03 + 70{,}90 + 32{,}00 \\[4pt] &= 203{,}02 \end{aligned} $$
Jawaban: 203 g/mol

3. Nilai massa eksak tersebut berasal dari kombinasi isotop klor ...

   • ³⁵Cl dan ³⁵Cl
   • ³⁵Cl dan ³⁷Cl
   • ³⁶Cl dan ³⁵Cl
   • ³⁷Cl dan ³⁷Cl
   • tidak tahu
Pembahasan bagian c.
Perlu dibedakan dua istilah: massa molar rata-rata (dihitung dari A_r yang sudah mempertimbangkan kelimpahan alami semua isotop, hasilnya 203 seperti pada bagian b) versus massa eksak/monoisotopik (nilai yang muncul sebagai puncak pada spektrometer massa, dihitung memakai massa isotop tunggal yang paling melimpah dari tiap unsur).
Langkah 1: Isotop klor yang paling melimpah
Klor memiliki dua isotop alami: ³⁵Cl (≈75,77%) dan ³⁷Cl (≈24,23%). Karena ³⁵Cl jauh lebih melimpah, kombinasi isotop yang paling mungkin muncul, dan menghasilkan puncak ion tertinggi pada gugus isotop molekul (M, M+2, M+4), adalah kedua atom Cl sama-sama ³⁵Cl.
Langkah 2: Verifikasi dengan nilai massa eksak
$$ \begin{aligned} m_{\text{eksak}} &= 8(12{,}0000) + 4(1{,}00783) + 2(34{,}9689) + 2(15{,}9949) \\[4pt] &= 96{,}0000 + 4{,}0313 + 69{,}9378 + 31{,}9898 \\[4pt] &\approx 201{,}96 \end{aligned} $$
Nilai ini sedikit lebih kecil dari massa molar rata-rata (203) karena massa eksak tidak memperhitungkan kontribusi ³⁷Cl yang lebih berat.
Jawaban: ³⁵Cl dan ³⁵Cl

4. Puncak basis (base peak) spektrum tersebut berada pada m/z = ________ (Jawaban dalam bilangan bulat)

Pembahasan bagian d.
Pada spektrometri massa senyawa asil klorida, ion molekuler (M⁺) cenderung tidak stabil dan mudah kehilangan satu atom Cl (radikal) untuk membentuk kation asilium yang lebih stabil secara resonansi. Fragmentasi ini biasanya menghasilkan puncak yang jauh lebih intens daripada ion molekuler utuh.
Membaca spektrum
Puncak tertinggi (100% intensitas relatif) pada spektrum berada pada m/z ≈ 167, disertai puncak pendamping dua satuan lebih tinggi (m/z ≈ 169) dengan intensitas ≈32%, rasio ≈100:32 ini adalah ciri khas pola isotop untuk fragmen yang masih mengandung satu atom Cl (rasio kelimpahan ³⁵Cl:³⁷Cl ≈ 76:24 ≈ 100:32), bukan dua atom Cl (yang akan memberi pola tiga puncak M, M+2, M+4 dengan rasio ≈9:6:1).
Jawaban: m/z = 167

5. Puncak basis tersebut berkorelasi dengan fragmen dengan rumus ...

   • C₈H₄ClO₂
   • C₈H₄Cl₂O₂
   • C₈H₄O₂
   • C₈H₄ClO
   • C₈H₄Cl₂
   • tidak tahu
Pembahasan bagian e.
Langkah 1: Menentukan fragmen yang hilang
Ion molekuler C₈H₄Cl₂O₂^+• (m/z ≈ 202, memakai ³⁵Cl) kehilangan satu atom ³⁵Cl (radikal, massa 35) membentuk kation asilium yang distabilkan resonansi oleh cincin aromatik dan gugus karbonil yang tersisa:
$$ \begin{aligned} \text{C}_8\text{H}_4\text{Cl}_2\text{O}_2^{+\bullet} &\rightarrow \text{C}_8\text{H}_4\text{ClO}_2^{+} + \text{Cl}^{\bullet} \end{aligned} $$
Langkah 2: Verifikasi massa
$$ \begin{aligned} m/z(\text{C}_8\text{H}_4\text{ClO}_2^+) &= 8(12)+4(1)+35+2(16) \\[4pt] &= 96+4+35+32 \\[4pt] &= 167 \end{aligned} $$
Nilai ini persis cocok dengan puncak basis pada bagian d.
Jawaban: C₈H₄ClO₂

6. Ketika membandingkan spektrum infra merah monomer tereftaloyl klorida dan produk kevlarnya, didapat serapan yang diduga berasal dari gugus karbonil (C=O) pada daerah bilangan gelombang 1769 cm⁻¹ pada spektrum A dan 1664 cm⁻¹ pada spektrum B.

   Berdasarkan data tersebut, spektrum A adalah spektrum infra merah dari ________ dan spektrum B adalah spektrum infra merah dari ________.

Pembahasan bagian f.
Langkah 1: Karakteristik serapan C=O berdasarkan gugus fungsi
• Asil klorida (−COCl): serapan C=O berada pada bilangan gelombang paling tinggi di antara turunan asam karboksilat (umumnya ≈1790–1815 cm⁻¹ untuk alifatik, sedikit lebih rendah ≈1765–1785 cm⁻¹ untuk aril asil klorida akibat konjugasi dengan cincin aromatik), karena atom Cl yang sangat elektronegatif menarik rapatan elektron dari karbon karbonil, memperkuat (memperpendek) ikatan rangkap C=O sehingga frekuensi vibrasinya naik.
• Amida (−CONH−, seperti pada Kevlar): serapan C=O jauh lebih rendah (umumnya ≈1630–1700 cm⁻¹, "pita amida I"), karena delokalisasi pasangan elektron bebas nitrogen ke gugus karbonil (resonansi amida) mengurangi karakter ikatan rangkap C=O, ditambah ikatan hidrogen antar-rantai polimer yang semakin menurunkan frekuensinya.
Langkah 2: Mencocokkan dengan data
1769 cm⁻¹ (lebih tinggi) sesuai dengan gugus asil klorida pada monomer, sedangkan 1664 cm⁻¹ (lebih rendah) sesuai dengan gugus amida pada polimer hasil kondensasi.
Jawaban: Spektrum A = tereftaloil klorida (monomer, gugus asil klorida)  |  Spektrum B = Kevlar (polimer, gugus amida)

---