Treibhauseffekt

IR UVIR

O C O

800 700 400500600IR UV

Ausgewählte Grundlagen der IR-Spektroskopie

Grundlegende physikalisch-chemische Anwendungen

Gliederung

I. Informationen über die Molekülgeometrie - Grundschwingungen von Molekülen - IR-Aktivität von Schwingungen

II. Gruppen- und Substanzidentifikation - Schwingungsfrequenzen funktioneller Gruppen - Fingerprintbereich

Grundlegende Anwendungen der IR-Spektroskopie

I. Informationen über die Molekülgeometrie

Molekülanregung und IR-Aktivität der Schwingungen

Epot

r

Abstoßung

Anziehung

r

Epot

r0

Federmodell:

Rücktreibende Kraft (Hook`sches Gesetz):

F = - k * ( r- r0 )

Molekülanregung und IR-Aktivität der Schwingungen

Integration liefert potentielle Energie Epot als Funktion des Kernabstandes r:

Vr = 1/2 * k *( r )2

r

Epot

bzw. Vr

r0

v=0

Quantenphysikalische Betrachtung

h *

v=1h*

E = ( v + 1/2 ) * h * vib

(vib = Schwingungsfrequenz)

r

Epot

bzw. V

r0

v=0

Quantenmechanik: Schwingungsquantenzahl v (= 0,1,2...)

Das Molekül schwingt mit der Frequenz:

IR-Spektrum von CO2

1,2

0,9

0,6

0,3

0,0

[cm-1]

% T

Merke: (IR-Aktivität der Schwingungen)

• IR-Strahlung verstärkt Eigenschwingungen von Molekülen

• Die Strahlungsfrequenz muss gleich der natürl. Schwingungsfrequenz des Moleküls sein

• Für IR-Absorption muss sich das Übergangsdipolmoment des Moleküls ändern!

Anzahl von Normalschwingungen:

• Anzahl der Z Schwingungsfreiheitsgrade ist:

Z= 3 * N - 5 für lineare Moleküle

Z= 3 *N - 6 für gewinkelte Moleküle (N = Anzahl der Atome)

• davon fallen 3 auf Translationsbewegung in x, y, z- Richtung

• 3 weitere auf Rotation um die Hauptträgheitsachse (bei linearen Molekülen 2!)

Bsp.: CO2

3 Atome, linear:

Z = 3*3 - 5 = 4 Normalschwingungen

Unterscheidung der Grundschwingungen in:

c) entartete (e): Bindungslängen und -winkel

a) symmetrische (s): Änderung der Bindungslängen b) antisymmetrische (as): Änderung der Bindungswinkel

Streckschwingungen () Deformationsschwingungen()

senkrecht zur Papierebene in der Ebene

as s

Schwingungsfreiheitsgrade des CO2

IR-Spektrum von CO2

1,2

0,9

0,6

0,3

0,0

[cm-1]

% T

II. Substanz- und Gruppenidentifikation durch IR-Spektroskopie

• Aufzeichnen eines IR-Spektrums durch Einstrahlung von = 2-15m = 5000 - 600cm-1

• unterschiedliche Anregung verschiedener Atomgruppen (z.B. funktionelle Gruppen)

• Gruppenfrequenzen liegen bei =4000-1250cm-1

Formaldehyd

(charakteristische Frequenzen fkt. Gruppen)

Bsp.: Carbonylgruppenschwingung bei: = 1620-1830cm-1

Spektrale Lage charakteristischer Gruppenschwingungen:

Abhängigkeit der spektralen Lage von:

2. Masse der beteiligten Atome:

je geringer m, desto höher die Frequenz!

1. Bindungsstärke: je größer k, desto höher die Frequenz!

Zusammenfassung

• IR-Strahlung kann von Molekülen absorbiert werden

• Analytischer Einsatz zur Strukturaufklärung und Substanzidentifizierung

• praktischer Einsatz im Alltag

Literaturangaben:

• Schnepel, Frank-M., ChiuZ, Vol.2, 1979, 33-42• Latscha, Klein, Basiswissen Chemie, Springer-Verlag,

Berlin, Heidelberg, 1994, 433ff• Mortimer, Charles E.: Chemie, Thieme-Verlag, Stuttgart,

1996• Becker, Heinz et. al., Organikum, Willey-Vch, Weinheim,

1999, 91ff• www.ir-spektroskopie.de/basics/• www.marvin1.pc.ruhr-uni-bochum.de/~arnold/ir• www.orgchem.uni-essen.de/chemie_im_www/IR-

www.html• www.cem.msu.edu/%7Ereusch/virtual/ext/Spectrpy/

Infrared/infrared.htm#ir1