Die Infrarot-Spektroskopie gehört zu den Spektroskopiearten, die den infraroten Teil des elektromagnetischen Spektrums verwenden. Die Absorbtion der IR-Strahlung beschränkt sich auf Stoffe mit kleinen Energiedifferenzen für die Schwingungs- und Rotationszustände. Um eine Absorption zu erreichen, muss sich das Dipolmoment des Moleküls verändern.
IR-Spektroskopie
Alexandra Tchernook
Theorie
Die Infrarot-Spektroskopie gehört zu den Spektroskopiearten, die den infraroten Teil des elektromagnetischen Spektrums verwenden. Die Elektronenübergänge sind nicht induziert, da die Energie der infraroten Strahlung dafür nicht ausreicht. Dies wäre nur mit UV/Vis-Stahlung möglich. Die Absorbtion der IR-Strahlung beschränkt sich auf Stoffe mit kleinen Energiedifferenzen für die Schwingungs- und Rotationszustände. Um eine Absorption zu erreichen, muss sich das Dipolmoment des Moleküls verändern. Die Strahlung wird absorbiert, wenn die Frequenz des eingestrahlten Lichts mit der Schwingungsfrequenz des Moleküls übereinstimmt. Die Übereinstimmung der Frequenzen verursacht eine Amplitudenveränderung der Molekülschwingung.
Für die Molekülrotation wird das Modell des starren Rotators verwendet. Die Rotationsniveaus sind gequantelt. Die Auswahlregel für die Rotationsquantenzahl J besagt, dass Rotationsübergänge nur für J = 1 möglich sind.
In der Realität sind die Atome nicht starr und gehören zu einer Anzahl unterschiedlicher Schwingungen. Es gibt zwei Grundarten der Schwingung: Biege- und Streckschwingung.
Wenn der zwischenatomare Abstand verändert wird, handelt es sich um eine Streckschwingung. Eine Streckschwingung kann symmetrisch oder asymmetrisch sein.
Biegeschwingung bedeutet die Veränderung des Winkels zwischen zwei Bindungen. Es gibt 4 Arten der Biegeschwingung: scherend, schaukelnd, wackelnd und verdreht. Für die Molekülschwingung geht man von dem harmonischen Oszillator aus. Die Auswahlregel für die Quantenzahlen der harmonischen Schwingung ist = 1.
In der Realität werden die anharmonischen Schwingungen beobachtet, sodass man = 1, 2, 3,...vorfindet. Diese Übergänge werden als Obertöne bezeichnet.2
Auswertung
2.1. Kohlenstoffdioxid
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Aufgrund innermolekularer Anziehungs- und Abstoßungskräfte unterliegt ein Molekül einer gewissen Eigenschwingung. Wenn zwei Atome eine Bindung miteinander eingehen wollen, schwingen diese aufgrund des Anziehungsverhaltens zunächst aufeinander zu. Dies geschieht solange, bis eine räumliche Nähe erreicht ist. Danach stoßen sich die Atome wieder ab. Im Bereich des optimalen Bindungsbereiches r0 pendelt sich dieses Verhalten ein. Trifft nun ein Lichtquant auf das Kohlenstoffdioxid-Molekül, so werden seine Eigenschwingungen verstärkt. Das bedeutet, dass es in einen energetisch höheren Zustand übergeht (v=1). Es schwingt mit einer höheren Frequenz. Dieser Vorgang kann allerdings nur stattfinden, wenn die Strahlungsfrequenz der Frequenz der natürlichen Eigenschwingung entspricht.
IR-Strahlung wird beim Übergang in ein höheres Schwingungsniveau absorbiert. Das IRSpektrum misst somit die Durchlässigkeit einer Probe für IR-Strahlung in bestimmten Frequenzbereichen.
Damit das Molekül mit dem elektromagnetischen Feld der Strahlung wechselwirken kann, benötigt es zusätzlich ein Dipolmoment. Dies ist bei CO2 nicht der Fall, da das Molekül symmetrisch aufgebaut ist und sich somit die Polaritäten aufheben. Die IR-Strahlung verstärkt die antisymmetrische Streckschwingung des CO2-Moleküls.
Allgemein gilt, dass die Moleküle mit N-Atomen 3N-Bewegungsfreiheitsgrade besitzen.
Davon sind 3 Freiheitsgrade Traslationsfreiheitsgrade und 3 Rotationsfreiheitsgrade.
Allerdings fällt für lineare Moleküle ein Rotationsfreiheitsgrad weg. So gilt für CO2: 3*3-5= 4 Schwingungsfreiheitsgrade, da die Gesamtfreiheitsgrade sich aus den Translations-, Rotations- und Schwingungsfreiheitsgraden zusammensetzt. Somit erwartet man 4 Absorptionsbanden im IR-Spektrum. Allerdings sind in Wirklichkeit nur 3 Banden sichtbar. In dem Schwingungsspektrum von CO2 sind zwei Schwingungsarten zu erkennen. Zum einen die unsymmetrische Streckschwingung bei 2348,82 1/cm und zum anderen die Biegeschwingung bei 667,62 1/cm. Die symmetrische Streckschwingung ist nicht sichtbar, weil keine Änderung des Dipolmoments auftritt. Da die symmetrische Streckschwingung nicht sichtbar ist, schließen wir auf eine lineare Struktur des Moleküls.
2.2. Lachgas
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Das Lachgas-Spektrum weist laut Literatur drei Schwingungsarten nach. Das Molekül ist linear. Es ist isoelektronisch mit Kohlenstoffdioxid. Jedoch handelt es sich bei dem Lachgas um einen Dipol.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die asymmetrische Streckschwingung liegt bei 2223.92 1/cm und die symmetrische Biegeschwingung liegt bei 1285.25 1/cm. Die Biegeschwingung liegt theoretisch bei 600 1/cm. Aufgrund des kleineren Messbereiches ist sie bei uns nicht deutlich sichtbar.
Im Gegensatz zu CO2 ist die symmetrische Biegeschwingung sichtbar, da es sich bei dem Molekül um einen Dipol handelt. Die Schwingungen von CO2 liegen etwas höher als die vom Lachgas.
4.1. Berechnung von Bv’ und Bv’’ (von HCl)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
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- Alexandra Tchernook (Author), 2006, Versuchsprotokoll zur Infrarotspektroskopie von Gasen, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/184155
