IR-Spektroskopie
IR-Spektroskopie (genau: Infrarotspektroskopie) ist ein chemisches Analyseverfahrenverfahren, das mit infrarotem Licht arbeitet. Die IR-Spektroskopie (Infrarotspektroskopie) wird zur quantitativen Bestimmung von bekannten Substanzen oder zur Strukturaufklärung unbekannter Substanzen genutzt.Im infraroten Wellenlängenbereich (800 - 500 000 nm) wird aus spektroskopischer Sicht zwischen dem nahen Infrarot (NIR 800 - 2500 nm), dem mittleren oder klassischen (normalen) Infrarot (MIR 2500 - 50 000 nm) und dem fernen Infrarot (FIR 50 000 - 500 000 nm) unterschieden, weil unterschiedliche Phänomene die Absorption dieser Strahlung verursachen. Im fernen Infrarot absorbieren Molekülrotationen, im MIR Molekülbindungen und im NIR sind nur noch Obertöne bzw. Kombinationsschwingungen des MIR detektierbar (insbesondere von CH-, OH-, NH-Bindungen).
Die IR-Spektroskopie im mittleren Infrarot ist eine der leistungsfähigsten analytischen Techniken in der chemischen Analytik organischer Substanzen. Die Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) wird trotz ihrer dazu bescheidenen Möglichkeiten zur schnellen Analyse von Stoffgemischen genutzt.
IR-Spektren zeigen, im Gegensatz zu UV-Spektren, nicht die Absorption sondern die Transmission, welche in aufsteigender Richtung charakterisiert wird (Bereich geringer Durchlässigkeit der IR Strahlung ergeben einen Ausschalg nach unten).
Table of contents |
2 Molekülschwingungen 3 Absorption von IR Strahlung 4 Lage der IR Absorptionsbanden 5 Verwandte Artikel |
Die Bestrahlung von Molekülen mit elektromagnetischen Wellen des Infrarot-Bereichs führt dazu, dass Bindungen zur Schwingung angeregt werden. Dies führt gleichzeitig zu Energieabsorption. Anhand von charakteristischen Frequenzen des Infrarot-Lichts, welche nötig sind, um bestimmte Teile von Molekülen zur Schwingung anzuregen, können diese identifiziert werden.
Am einfachsten fällt dies natürlich bei zweiatomigen Molekülen.
Bei mehratomigen Molekülen kommt es zur Überlagerung von Grundschwingungen.
Dementsprechend sieht man eine Reihe von Absorptionsbanden, die interpretiert werden müssen.
In organischen Substanzen treten bei Absorption von Strahlung aus dem infraroten Bereich mechanische Schwingungen auf.
Es können zwei verschidene Arten von Schwingungen unterschiden werden:
1) Valenzschwingungen (Streckschwingungen): Schwingungen in Richtung der Bindungsachse zweier Atome oder Molekülteile durch eine Dehnung oder Stauchung der Bindung
2) Deformationsschwingungen (Biegeschwingungen): Schwingungen unter der Deformation des Bindewinkels
Da Molekülschwingungen bestimmter Atomgruppen besonders charakteristisch sind, eignet sich die IR-Spektroskopie zur Bestimmung der funktionellen Gruppen des untersuchten Moleküls. Weiters besitzt das komplette Molekül ein charakteristisches Spektrum welches zur Identifizierung der Substanz verwendet werden kann (fingerprint).
Ist eine Atomgruppe ein Dipol, so kann sie aufgrund der Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld IR Strahlung absorbieren. Dies ist jedoch nur möglich, wenn das Dipolmoment in den verschiedenen Schwingungszuständen der Atomgruppe unterschiedlich gross ist (IR aktiv).
In Molekülen mit Schwingungen symmetreisch zum Symmetriezentrum treten keine Änderungen des Dipolmoments auf (IR inaktiv).
Stärkere chemische Bindungen und Atome kleinerer Masse verursachen im IR-Spektrum Absorptionsmaxima bei grossen Wellenzahlen (hohe Energie), grosse Massen hingegen verursachen IR Absorptionsmaxima bei kleinen Wellenzahlen (niedrige Energie).
Die Intensität ist proportional zum Quadrat des permanenten Dipolmomentes. Daher liefern stark polare Moleküle intensive Rotationsübergange.
Vergleicht man allerdings die Intensitäten der Peaks eines einzelnen Moleküls miteinander, fällt auf, dass die Intensitäten der Übergänge mit wachsenden J zunächst schnell zunehmen, durch ein Maximum gehen und schließlich für große J wieder abfallen. Die Ursache dafür ist, dass die Intensität die Entartungen der verschiedenen Rotationszustände und die Besetzungszahlen der Rotationsniveaus im Ausgangszustand wieder spiegeln. Der Grad der Entartung nimmt mit steigendem J zu, was zu einer höheren Intensität führt. Andererseits nehmen die Besetzungszahlen mit steigender Energie ab, was schließlich zu einer Abnahme der Intensität führt.
HCl ist ein einfaches zweiatomiges Molekül mit einem ausgeprägtem Dipolmoment. Das HCl-Molekül kann vereinfacht als ein linearer Kreisel angesehen werden. Die Quantenmechanik liefert für ein lineares Molekül die spezielle Auswahlregel für einen Rotationsübergang:
Prinzip
Molekülschwingungen
Absorption von IR Strahlung
Lage der IR Absorptionsbanden
Das ideale Rotations-Schwingungs-Spektrum am Beispiel von HCl
oder
wobei J die Rotationsquantenzahl darstellt. Wenn ungepaarte Elektronen vorhanden sind, wäre bei einem zweiatomigen Molekül auch J=0 möglich.
Für einen Schwingungsübergang lautet die spezielle Auswahlregel:
oder
Die Übergänge zwischen den verschiedenen Rotationsniveaus (J=0,1,2...) des Schwingungsgrundzustandes (v=0) und den Rotationsniveaus (J'=0,1,2...) des angeregten Schwingungszustandes (v'=1) können in zwei Gruppen, den R-Zweig (rechts) für Übergange mit &Delta J = +1 und den P-Zweig (links) für Übergänge mit &Delta J =-1, unterteilt werden und sind in der Abbildung skizziert. Da &Delta J=0 für HCl nicht erlaubt ist, erscheint auch kein Q-Zweig.
Im oberen Bild ist das Energieniveauschema abgebildet. An Hand der Pfeillänge ist deutlich zu erkennen, dass jeder Übergang eine Energiezufuhr von
erfordert.
Für die Energiedifferenz zum benachbarten Übergang gilt damit
Im idealen Rotationsschwingungs-spektrum (unteres Bild) haben daher die Peaks einen konstanten Abstand von 2B.
Im Experiment weisen die Peaks etwas andere Abstände auf, da das Modell nicht
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