Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 20.09.10

horizontal rule

Ausgewählte Grundlagen der IR-Spektroskopie

Vortrag von Monika Klose im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", SS 2004

horizontal rule

Gliederung:

horizontal rule

1. Der Treibhauseffekt

Die Sonne erwärmt durch ihre UV-Strahlung die Erde. Damit sich die Erde nicht kontinuierlich aufheizt, muss sie genauso viel Energie wieder abgeben, wie zugeführt wird. So emittiert die Erde IR-Strahlung (Wärmestrahlung) in die Atmosphäre. Würde dieser Prozess ungehindert ablaufen, hätten wir eine Durchschnittstemperatur von –18 °C auf der Erde. Natürliche Klimagase, wie das Kohlenstoffdioxid sorgen in der Atmosphäre durch Absorption der IR-Strahlung dafür, dass die terrestrische Ausstrahlung vermindert wird und sich die Atmosphäre erwärmt.

Kohlenstoffdioxid kann IR-Licht absorbieren und wird dadurch in Schwingungen versetzt. Es versucht schließlich die aufgenommene Energie in alle Richtungen gleichzeitig wieder abzugeben und somit auch in Richtung Erde.

 

Abb. 1: Treibhauseffekt

Chemiker bezeichnen das Absorptions-Verhalten des CO2 auch als IR-Aktivität. CO2 ist ein IR-aktives Gas. Sie konnten das Verhalten mittels IR-Spektroskopie aufklären.

Grundlegende Anwendungen der IR-Spektroskopie in der Chemie ist das Thema dieses Vortrags.

horizontal rule

2. Anwendungen der IR-Spektroskopie

2.1 Aufklärung geometrischer Strukturen von Molekülen

a) IR-Aktivität von Eigenschwingungen

Um die erste Anwendungsmöglichkeit der Infrarot-Spektroskopie zu verstehen, muss man sich zunächst mit den Grundlagen und Voraussetzungen über Eigenschwingungen und IR-Aktivität von Molekülen auseinandersetzen.

Jedes Molekül, wie auch das eingangs erwähnte Kohlenstoffdioxid, unterliegt einer gewissen Eigenschwingung aufgrund innermolekularer Anziehungs- und Abstoßungskräfte.

 

Abb. 2: Moleküleigenschwingungen

Betrachtet man die Energieverteilungskurve eines Moleküls, in dem zwei Atome eine Bindung miteinander eingehen wollen, kann man zunächst ein Anziehungsverhalten der Atome beobachten. Sie schwingen aufeinander zu. Dies geschieht solange, bis eine räumliche Nähe erreicht ist, die die Grenzen der Bindungspartner so überschreitet, dass sie sich wieder abstoßen. Schließlich pendelt sich das Verhalten in einem Bereich des optimalen Bindungsabstandes r0 ein.

Vergleichbar ist dieses Verhalten mit einem Modell, aus zwei mit einer Feder verbundenen Kugeln. Verzerrt man die Kugeln (Atome) in x-Richtung um D r und lässt anschließend wieder los, folgt eine Schwingungsbewegung um die Gleichgewichtsachse, verursacht durch die rücktreibende Kraft k. Übertragen auf das Molekül stellt k die Bindungsstärke dar. Für den beschriebenen Vorgang gilt das Hook`sche Gesetz.

Abb. 3: Federmodell [9]

Aus diesem Gesetz leitet sich die potentielle Energie der Schwingung als Funktion des Kernabstandes r durch Integration ab. Graphisch dargestellt ergibt diese Potenzkurve eine Parabel.

 

Abb. 4: Potenzkurve der Schwingungsfrequenz [9]

Schauen wir uns unter quantenmechanischer Betrachtung nun noch einmal den Vorgang der IR-Absorption des CO2 an: Trifft ein Lichtquant auf das Molekül, so werden seine Eigenschwingungen verstärkt. Das bedeutet, es geht in einen energetisch höheren Zustand (v=1) über. Es schwingt mit einer höheren Frequenz. Dieser Vorgang findet jedoch nur dann statt, wenn die Strahlungsfrequenz der Frequenz der natürlichen Eigenschwingung entspricht.

 

Abb. 5: Quantenmechanische Schwingung

Die Frequenz des Zustandes v=1 stellt sich in der angegebenen Formel dar und wird in Wellenzahlen  (cm-1) errechnet.

Genau im Moment des Übergangs in ein höheres Schwingungsniveau wird also IR-Strahlung absorbiert. Die Absorption stellt das IR-Spektrum als negativen Peak bzw. als sog. Absorptionsbande graphisch dar. Denn ein IR-Spektrum misst nichts anderes, als die Durchlässigkeit einer Probe für IR-Strahlung in bestimmten Frequenzbereichen.

Abb. 6: IR-Spektrum von Kohlenstoffdioxid

Neben den gerade genannten Voraussetzungen zur IR-Aktivität von Molekülen, muss sich auch das Dipolmoment eines Moleküls ändern, um mit dem elektromagnetischen Feld der Strahlung wechselwirken zu können. Beim CO2 ist kein anfängliches Dipolmoment vorhanden. Zwar gibt es partielle Ladungen aber da das Molekül symmetrisch aufgebaut ist (linear), heben sich die Polaritäten auf. Es kann aber dennoch durch das IR-Licht zu einer sog. antisymmetrischen Streckschwingung angeregt werden, die ein dynamisches Dipol besitzt. Durch dieses Dipolmoment kann nun eine Übertragung der Gesamtenergie der Strahlung stattfinden.

Dies waren die wichtigsten Voraussetzungen und Grundlagen, unter denen Stoffe IR-Aktiv werden können. Welchen Nutzen die Chemiker aus der IR-Aktivität von Stoffen ziehen können, wird im Folgenden dargestellt.

b) Anzahl von Normalschwingungen

Als erste wichtige Anwendung sei die geometrische Strukturaufklärung von Molekülen genannt. Grundlegend ist dazu die Kenntnis der Anzahl der Normalschwingungen von Molekülen.

Ein Molekül aus N-Atomen hat 3N-Bewegungsfreiheitsgrade, den Raumkoordinaten x, y und z entsprechend. Davon fallen je 3 Freiheitsgrade auf die Translationsbewegung und drei weitere auf die Rotationsbewegung von Molekülen.

So ergeben sich die Formeln Z=3N-5 für lineare Moleküle und 3N-6 für gewinkelte Moleküle.

Wendet man diese Formel auf das CO2 an, ergeben sich 3*3-5= 4 Schwingungsfreiheitsgrade. Das heißt, wir erwarten im IR-Spektrum vier Absorptionsbanden für die unterschiedlichen Schwingungen des Moleküls.

Tatsächlich findet man jedoch nur drei Banden, da die erste Streckschwingung des Moleküls symmetrisch und somit nicht IR-aktiv ist, weil sie kein Dipolmoment enthält!

Man unterscheidet weiter die Grundschwingungen in Streckschwingungen und Deformations- oder Beugeschwingungen. Bei den Streckschwingungen ändern sich jeweils die Bindungslängen und bei Deformationsschwingungen die Bindungswinkel. Zudem unterteilt man beide Schwingungstypen zusätzlich in symmetrische (Änderung der Bindungslängen), antisymmetrische (Änderung der Bindungswinkel) und entartete Schwingungen (Änderung von Bindungslänge und –winkeln).

Abb. 7: Schwingungen des Kohlenstoffdioxid

Wie im Beispiel sichtbar, kann man also durch einfaches Abzählen der Absorptionsbanden auf den geometrischen Aufbau des Moleküls schließen.

2.2 Gruppen- und Substanzidentifikation

a) Charakteristische Gruppenfrequenzen und spektrale Lage

Die zweite ausgewählte Anwendung der IR-Spektroskopie bezieht sich auf die Identifikation von funktionellen Gruppen und Substanzen allgemein.

In der IR-Spektroskopie wird nacheinander und kontinuierlich ein bestimmter Wellenlängenbereich eingestrahlt, bei dem verschiedene Atomgruppen spezifisch und unterschiedlich stark angeregt werden. Durch sog. Vergleichsspektren kann man schließlich auf ganz charakteristische Frequenzbereiche funktioneller Gruppen schließen und sie dadurch identifizieren.

Betrachtet man dies am Beispiel eines Formaldehyd-Spektrums, kann man eine starke Absorptionsbande im Bereich von 1750 cm-1 feststellen. Dies ist der charakteristische bereich für Carbonylgruppenschwingungen. Mit wenigen Ausnahmen zeigen alle Substanzen, die diese Struktureinheit enthalten eine meist starke Bande, zwischen 1620-1830 cm-1 .

 

Abb. 8: Carbonylgruppenschwingung [8]

Weitere charakteristische Gruppenschwingungen, wie zum Bsp. die der O-H-Gruppe der Alkohole (3590-3600cm-1), der N-H-Gruppe der Amine (3300-3500cm-1) und der C-H-Gruppe der Aromaten (3000-3100cm-1), sind graphisch auf der Folie dargestellt.

 

Abb. 9: Spektrale Lage von Gruppenschwingungen [?]

Abhängig ist die spektrale Lage der Gruppen von der Bindungsstärke (je stärker, desto höhere Frequenz) und von der Masse der beteiligten Atome (je kleiner, desto höher die Frequenz). Dies lässt sich leicht am angegebenen Beispiel der spektralen Lage von Einfach- bis Dreifachbindungen zwischen C-Atomen erkennen.

Abb. 10: Abhängigkeit der spektralen Lage von k und m [1]

b) Fingerprintregion

Bereiche, die nicht so einfach bestimmten Bindungstypen oder Atomgruppen zugeordnet werden können, sondern eher charakteristisch für ein Gesamtmolekül sind, werden entsprechend dem individuellen Fingerabdruck eines Menschen Fingerprint-Region genannt. Sie liegen in einem Wellenzahlenbereich unterhalb 1500 cm-1.

2.3. Alltagsbezug

Zusammenfassend findet die IR-Spektroskopie also vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der analytischen aber auch präparativen Chemie. Sie erleichtert die Identifikation von Strukturen und funktionellen Gruppen in Substanzen oder ermöglicht sogar die Gesamtidentifikation von Substanzen, mit Hilfe von Vergleichsspektren.

Eine letzte Anwendung sei noch genannt, über die jeder von uns im Alltag schon mehrmals gestolpert ist und ohne es zu wissen, selbst bereits ein kleiner Experte für IR-Spektroskopie sein kann. Das Grillen einer Bratwurst stellt nämlich genau diesen Vorgang dar! Man "leitet" Wärmestrahlung über glühende Grillkohlen auf die Probe (Wurst), welche diese absorbiert und in verminderter, idealer Weise genussfähiger Form wieder abgibt! Guten Appetit!

horizontal rule

Service: Folien (und mehr) als PowerPoint-Datei, ppt 540k

3.Literatur:

[1] Schnepel, Frank-M.:IR-Spektroskopie. ChiuZ , Vol. 2, 1979, S. 33-42.
[2] Latscha, Klein: Basiswissen Chemie. Springer-Verlag, Berlin, 1994, S. 433ff
[3] Mortimer, Charles E.: Chemie. Thieme-Verlag, Stuttgart, 1996
[4] Becker, Heinz et al.: Organikum. Willey-Vch, Weinheim, 1999, S. 91ff.
[5] www.ir-spektroskopie.de/basics/  10.07.2004.
[6] http://www.fz-juelich.de/ibi/ibi-2/datapool/page/21/WS%202000_2.pdf, 10.07.2004.
[7] www.chemlin.de/chemie/ir_spektroskopie.htm, 10.07.2004.
[8] www.cem.msu.edu/~reusch/virtualText/Spectrpy/InfraRed/infrared.htm, 10.07.2004.
[9] http://www.fz-juelich.de/ibi/ibi-2/datapool/page/21/WS%202000_2.pdf, 16.07.2004.

horizontal rule

Didaktik der Chemie

top

Universität Bayreuth

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 20.09.10