IR-Spektroskopie

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Physikalische Grundlagen

In der IR-Spektroskopie werden Molekülschwingungen- und -rotationen untersucht. Angeregt werden die Moleküle durch infrarote Strahlung, die normalerweise in einem Wellenlängenbereich von 2.5 μm − 15 μm liegt. In der IR-Spektroskopie werden die Einheit nicht in Wellenlängen, sondern in Wellenzahlen angegeben. für die Umrechnung gilt:

Somit ist die Einheit der Wellenzahlen der reziproke Meter (1/m), allgemein aber angegeben in reziproken Zentimetern (1/cm). Die Verwendung der Wellenzahlen hat den Vorteil, dass diese, im Gegensatz zu Wellenlängen direkt proportional zur Energie der Strahlung sind.

Die Messbereiche der IR-Spektroskopie lassen sich nach den unterschiedlichen Wellenzahlen der eingesetzten Strahlung einteilen in „Nahes Infrarot “ (NIR), „Mittleres Infrarot “ (MIR) und „Fernes Infrarot “ (FIR):

  • NIR: 13000 cm−1 − 4000 cm−1 bzw. 800 − 2500nm
  • MIR: 4000 cm−1 − 400 cm−1 bzw. 2.5 − 50 μm
  • FIR: 400 cm−1 − 10 cm−1 bzw. 50 − 1000 μm

Wie eingangs bereits erwähnt, werden Molekülschwingungen- und -rotationen durch Absorption von infraroter Strahlung angeregt. Zu dieser Absorption kann es allerdings nur kommen, wenn das Molekül ein induzierbares Dipolmoment aufweist, d. h. IR-aktiv ist und sich das Dipolmoment während der Schwingung in gleicher Periode zu der Schwingung der Strahlung ändert. In symmetrischen Molekülen führen symmetrische Schwingungen zu keiner Änderung des Dipolmoments, d. h. das Molekül ist IR-inaktiv. Es können zwei Hauptarten von Schwingung unterschieden werden:

  • Valenzschwingungen, auch Streckschwingungen genannt, sind Schwingungen entlang einer Bindungsachse.
  • Deformationsschwingungen sind Schwingungen, die den Bindungswinkel in einer Ebene (Biege-/Beugeschwingungen) oder außerhalb einer Ebene (Dreh-/Kippschwingungen) verändern.

Die zur Anregung der Schwingung notwendigen Energien sind charakteristisch für eine bestimmte Bindung und Schwingungsart. Zur energetischen Beschreibung der Schwingung kann ein mechanisches Modell, der harmonische Oszillator oder der anharmonische Oszillator verwendet werden. An dieser Stelle soll nur der anharmonische Oszillator behandelt werden, da er im Gegensatz zum harmonischen Oszillator die Dissoziation von Molekülen nicht vernachlässigt.

Du möchtest es noch ein wenig genauer wissen? Dann schau mal in den Artikel zum PCF-Versuch FTIR-Spektroskopie.

Das IR-Spektrum

In IR-Spektren wird die Wellenzahl gegen die Durchlässigkeit, auch Transmission genannt, aufgetragen. Dazu wird eine Probe mit Infrarot-Strahlung bestrahlt und der Anteil der Infrarot-Strahlung gemessen, der die Probe durchdrungen hat. Weisen die Moleküle in der Probe IR-aktive-Schwingungen auf sind im Transmissionsspektrum Bereiche geringerer Intensität zu beobachten.

… Beispielspektrum

Die Bereiche einer geringen Transmission werden Banden genannt. Solche Banden treten bei Wellenzahlen auf, bei denen das Molekül befähigt ist IR-Strahlung zu absorbieren, da die Energie dieser Strahlung einen jeweiligen Schwingungsübergang anregen kann.

Interpretation von IR-Spektren

Übersichtstabellen der Wellenzahlen wichtiger funktioneller Gruppen

Diverse Bücher stellen Übersichtstabellen zu den Wellenzahlen wichtiger funktioneller Gruppen bereit, für Studierende der CAU steht auf der Seite der spektroskopischen Abteilung unter dem Seitenleisteneintrag „Chem 302 – BSc Kurs“ solche bereit.

An dieser Stelle soll später unsere Übersichtstabelle zur Verfügung stehen.

IR-Spektrometer

Schematischer Aufbau eines IR-Spektrometers
Schematischer Aufbau eines IR-Spektrometers

Weblinks

Interpretation von IR-Spektren (englisch)

Literatur