Im Versuch sollen UV/Vis - und IR – Spektroskopie genutzt werden um unterschiedliche Präparate zu untersuchen. Unter anderem soll auch die zu identifizierende Gruppensubstanz untersucht werden.
UV/Vis - und IR – Spektroskopie sind optische Methoden zur Analytik. Während bei der UV/Vis – Spektroskopie elektronische Übergänge angeregt werden, werden in der IR –Spektroskopie Schwingungsspektren angeregt.
1. Einleitung
Im Versuch sollen UV/Vis - und IR - Spektroskopie genutzt werden um unterschiedliche Präperate zu untersuchen. Unteranderem soll auch die zu identifizierende Gruppensubstanz untersucht werden.
UV/Vis - und IR - Spektrsokopie sind optische Methoden zur Analytik. Während bei der UV/Vis - Spektroskopie elektronische Übergänge angeregt werden, werden in der IR - Spektroskopie Schwingungsspektren angeregt.
2. Aufgabenstellung
a) UV/Vis - Spaektrum
Zunächst soll das UV/Vis - Spektrum der Gruppensubstanz aufgenommen werden. Die Messung erfolgt in einem Wellenlängen Bereich von 200 bis 700nm. Vor der Mesung muss eine geeignete Verdünnung der Probe hergestellt werden (um die Bedingungen des Lambert Beerschen Gesetz einzuhalten), als Lösungsmittel wird abs. Ethanol verwendet. Ein UV/Vis - Spektrum einer weiteren Substanz wird als Ausdruck zur Verfügung gestellt, anhand dieses Spektrums sollen die Extinktionskoeffizienten für die angegebenen Wellenlängen berechnet werden.
Beide UV/Vis - Spektren sind bezüglich der Struktur der Substanzen zu disskutieren.
b) IR - Spektren
Zwei IR Spektren (die zu identifizierende Gruppensubstanz und eine weitere unbekannte Substanz) sollen aufgenommen werden, in einem Frequenzbereich Bereich von 400 bis 4000 cm-[[1]]. Die Proben werden zwischen 2 KBr Platten vermessen, bzw. als KBr Pressling. Alle IR - Spektren sollen mit Hilfe von IR - Absorbtionstabellen disskutiert werden. Dadurch sollen auch die unbekannten Substanzen klassifiziert und ein Strukturvorschlag erarbeitet werden.
c)Schwingungsbandenlage bei Ver ä nderung der Masse
Die Lage der Schwingungsbande von „normalem“ und deuteriertem Aceton soll disskutiert werden. Dazu soll das anhand des Modells des Harmonischen Oszillators errechnete Verhältnis der Wellenzahlen von C - H und C - D Valenzschwingungen mit dem experimentell ermittelten verglichen werden, wodurch auch eine Aussage über die Qualität des Modells gemacht werden kann.
d) ATR - Technik
Es sind IR - Spektren von Polymeren mit Hilfe der ATR - Technik zu erfassen. In der Auswertung sollen die Banden identifiziert werden und eine Bestimmung der Kunststoffe vorgenommen werden.
e) Rotationsschwingungsspektren von Gasen
Das Rotationsschwingungsspektrum von Kohlenstoffmonoxid soll aufgenommen werden. Hierzu wird Zigarettenrauch in eine Küvette gefüllt und mit hoher Auflösung vermessen. Sowohl die Karftkonstante der CO Bindung als auch die Bindungslänge der CO Bindung können aus den Spektrenangaben ermittelt werden. Mit Hilfe der Position der CO Valenzschwingung kann mit Hilfe des Modells des harmonischen Oszillators auf die Karftkonstante zurückgeschlossen werden. Durch die Rotationskonstante B kann mittels des Modells des starren Rotators die Bidnungslänge des CO Bindung zu ermitteln. Die Bindungsstärke des CO soll mit anderen Molekülen verglichen werden und anahnd von mosomeren und induktiven Effekten disskutiert werden.
f)Quantitative IR - Spektroskopie
Der Gehalt an Aceton in einer n - Hexan Lösung (Farbverdünner) soll ermittelt werden.
Die Ermittlung des Aceton Gehalts soll mit Hilfe einer externen Kalibrierung vorgenommen werden.
3. Durchführung und Auswertung
a) UV/Vis Spektroskopie
Zunächst wurde unsere unbekannte Substanz in spektroskopie reinem Ethanol gelöst und in eine Glasküvette mit einem Durchmesser von 1cm gefüllt. Die Küvette wurde mit einem Papiertuch abgewischt und in das UV/Vis Spektrometer eingesetzt. Die Messung wurde in einem Wellenlängenbereich von 200 bis 700nm durchgeführt. Die Verdünnung der Probe hing vor allem von der Intensität der Signale ab.
Im folgenden soll zunächst die für alle Gruppen gleiche Substanz der Zimtsäre - n - propylester diskutiert werden. Dazu werden zunächst die Extinktionkoeffizienten für die 3 Maxima im Spektrum berechnet werden.
Das zugehörige Spektrum ist im Anhang dieses Protokolls zu finden.
Tabelle 1: Extinktionsmaxima des Zimts ä ure - n - propylester
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Dicke der Küvette beträgt 1cm. Die Konzentration der Lösung lässt sich aus der Angabe das 0,07mg der Substanz in 10ml EtOH gelöst wurden und der Molarenmasse des Zimtäuren-propylester berechnet werden.
Daraus können dann die folgenden Werte für die unterschiedlichen Wellenlänegn ermittelt werden:
Tabelle 2: Extinktionskoeffizienten des Zimts ä ure-n-propylesters
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Das angegebene Spektrum zeigt eine Bande bei 218nm (Nr. 2) diese ist auf das verwedete Lösungsmittel zurückzuführen, die Bande Nr. 3 ist die charakteristische für den Zimtsäure-n- propylester, sie ist auf das konjugierte Π System zurück zu führen und wird durch einen Π → Π* Übergang erzeugt. Die Bande Nr. ist schwierig zu zu ordnen, es ist auch im Bereich des möglichen, dass sie nicht charakteristisch für den Zimtsäure-n-propylester ist, sondern von Verunreinigungen oder Ähnlichem herrührt.
b) IR Spektren von unbekannten Substanzen
Hier wurden 2 Substanzen untersucht, Zunächst eine flüssige Zusatzsubstanz, welche eine rote Farbe hatte und unsere Gruppensubstanz.
Die rote flüssige Substanz konnte mittels der Dünnfilmethode untersucht werden. Dazu werden 1-2 Tropfen der Substanz auf eine KBr Scheibe getropft eine andere KBr Scheibe wird deckungsgleich darauf gelegt und mittels einer mechanischen Vorrichtung festgeschraubt. Diese Vorrichtung wird dann in das IR Spektrometer gehängt. Als Referrenz wird die KBr Küvette ohne Inhalt (also mit der Restluft) vermessen.
Die Gruppeneigene unbekannte Substanz ist ein Feststoff, dieser muss zu einem KBr Pressling geformt werden. Dazu wird die Substanz mit KBr gemörsert und in eine Vorrichtung zum Pressen überführt. Durch einen hohen Druck über längere Zeit kann ein KBr Pressling geformt werden, welcher vom IR Strahl durchdrungen werden kann. Dieser Pressling befindet sich in einem Ringer, welcher ebenfalls in eine mechanische Vorrichtung eingebracht wird und in das Spektrometer gehängt wird. Als Referrenz wird ebenfalls Luft gemessen, vor allem weil ein reiner KBr Pressling zu viel Reflektieren würde.
Alle Substanzen wurden zwischen 400 und 4000cm-1 vermessen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 1: Zimts ä ure-n-propylester
Zusätzlich wurd uns das IR Spektrum des Zimtsäure - Propylester ausgehändigt, dieses ist im Anhang zu finden.
Zu sehen ist um 3000cm-1 die CH Valenzschwingung, dieses Signal hat einige Aufspaltunge, was auf CH Verbindungen mit unterschiedlich hybridisierten Kolenstoffen hinweist. Bei 1700cm-1 ist die C=O Valenzschwingung zu sehen. Bei ca. 1200cm-1 lässt sich auch die COC Valensschwingung erkennen. Das am System ein Aromat betiligt ist lässt sich an den aromatischen Gerüstschwingungen mit mittlerer Intensität im Bereich von 1400 bis 1500cm- 1, sowie an den „Benzolfingern“ bei 1950cm-1, hierbei handelt es sich um die Oberschwingungen des Aromaten. Das es sich bei der Verbindung um eine ungesättigte handelt lässt sich auch auch an der Bande bei ungefähr 1620cm-1 festmachen, da diese die C=C Valenzschwingungen representiert.
Als nächstes wurde die unbekannte flüssige, rote Zusatzsubstanz untersucht. Das resultierende Spektrum wurde ausgedruckt und ist ebenfalls im Anhang einsehbar.
Auffällig ist hier die sehr breite Bande um 3300cm-1, sie liegt im Bereich der OH Valenzschwingung (oder der NH2, aber diese Signale wären weit aus schmaler). Diese energetisch höher als die CH Valenzschwingung liegende Breite Bande weit auf einen Alkohol hin. Diese Vermutung wird durch die erkennbare OH Deformationsschwingung bei 650cm-1 (mittlere Intensität) unterstützt. Bei 3000cm-1 gibt es auch eine mittel intensive CH Valenzschwingung, allerdings sehr wenig intensiv. Bei der V. erbindung könnte es sich um eine Aromatische Verbindung handeln, diese Vermutung wird gestützt durch die Benzolfinger bei ca. 1900cm-1 und durch die Grüstschwingungen im Bereich 1300 bis 1500cm-1. Die Bande bei 1600cm-1 ist energetisch zu niedrig für eine C=O Valenzschwingung, sie könnte eher auf ein C=C Valenzschwingung hinweisen, was die theorie eines Aromaten stützen würde.
Zu guter letzt wurde die zu ermittelnde Gruppensubstanz vermessen, auch dieses Spektrum ist im Anhang beigefügt.
Bemerkenswert ist zunächst der so genannte Säuresack im Bereich von 3000cm-1, es handelt sich hierbei um eine OH Valenzschwingung, welche in dieser Form und dieser Position mit mittlerer Intensität charakteristisch für eine Carbonsäure ist. Am unteren Ende der OH Valenzbande gibt es soch zwei kleine spitze Ausformungen, welche die CH Valenzschwingungen representieren. Sehr intensiv, aber wiet aus weniger breit ist die C=O Valenzschwingung bei 1700cm-1, auch dieses Signal im Spektrum ist eine weitere Stütze für die Vermutung, dass es sich um eine Carbonsäure handelt. Da es neben der C=O Valenzbande keine weitere in diesem Bereich gibt scheint es sich um eine gesättigte Verbindung zu handeln.
Aus der MS gab es den Hinweis, dass die Verbindung Brom enthällt, diese Vermutung kann durch eine Bende bei 650cm-1 gestützt werden, da diese charakteristisch für eine C - Br Valenzschwingung ist.
Auf Grundlage der IR sollte es sich also um eine gesättigte Carbonsäure mit mindestens einem Brom, welches an einen Kolenstoff gebunden ist handeln.
Auf Grundlage der IR Spektroskopie gibt es auch Signale, die auf einen Aromaten hinweisen könnten, so gibt es auch in diesem Spektrum Gerüstschwingungen im Bereich zwischen 1300 und 1500cm-1, auch könnte bei 1980cm-1 ein Benzolfinger erkannt werden. Allerdings kann diese Vermutung (die auch nur sehr schwach begründet ist) verworfen werden, da aus dem MS und dem NMR hervorgeht, dass es sich definitiv nicht um einen Aromaten handelt. Aus der Kombination dieser Informationen aus dem IR und der Molmasse (MS) und der chemischen Verschiebung und Abschiermung der Cohlen und Wasserstoffe kommt eigendlich nur folgende Verbindung in Frage:
Abb. 2:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
c) Einfluss der Masse auf die Bandenlage im IR Spektrum
Um den Masseeinfluss auf die Lage der Schwingungsbanden zu untersuchen wurden Aceton und deuteriertes Aceton in einem IR Spektrometer vermessen. Der Versuchablauf verlief sehr ähnlich wie in Teil b, wobei in diesem Verusuch etwas mahr Flüssigkeit in die KBr Küvette gegeben wurde, da Aceton sehr flüchtig ist. Die Messung erfolgte ebenfalls zwische 400 und 4000cm-1.
Die ermittelten Spektren für Aceton - D0 und Aceton - D6 wurden uns ausgedruckt zur Verfügung gestellt und sind im Anhang einsehbar.
Im Aceton gibt es zwei sehr charakteristische Schwingungen, die CH bzw. CD Valenzschwingung und C=O Valenzschwingung. Im Folgenden sind die Wellenzahlen der unterschiedlichen Schwingungen im deuterierten wie nicht deuterierten Aceton in einer Tabelle zusammengestellt:
Tabelle 3: Bandenlage des Acetons - D 0 und - D 6
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Werte zeigen, dass die Schwingungen des deuterierten Aceton weniger energetisch sind. Dieser Umstand kann aus dem Modell des harmonischen Oszillators abgeleitet werden:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Kraftkonstante der Bindung wird durch den Austausch von Wasserstoff durch Deuterium nicht beieinfluss, da das Überlappungsintegarl durch die Masse der Bindung nur maginal beeinflusst wird. Nur die Reduzierte Nasse veränder sich, wenn diese größer wird, was bei beim Austausch durch Deuterium der Fall wird die Wellenzahl kleiner, was die Verschiebung der Banden allgemein erklärt.
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- Quote paper
- Katharina Niebergall (Author), 2015, Analytische Untersuchungen mittels Infrarotspektroskopie, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/441391
