Treibhauseffekt O C O IR UV IR 800 700 400 500 600 IR UV

Ausgewählte Grundlagen der IR-Spektroskopie Grundlegende physikalisch-chemische Anwendungen

Gliederung Grundlegende Anwendungen der IR-Spektroskopie I. Informationen über die Molekülgeometrie - Grundschwingungen von Molekülen - IR-Aktivität von Schwingungen II. Gruppen- und Substanzidentifikation - Schwingungsfrequenzen funktioneller Gruppen - Fingerprintbereich

I. Informationen über die Molekülgeometrie Molekülanregung und IR-Aktivität der Schwingungen r Epot r0 Epot r Abstoßung Anziehung

Molekülanregung und IR-Aktivität der Schwingungen Federmodell: Rücktreibende Kraft (Hook`sches Gesetz): F = - k * ( r- r0 )

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 Epot bzw. V r0 v=0 h *  h* v=1 E = ( v + 1/2 ) * h * vib (vib = Schwingungsfrequenz)

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!)

Z = 3*3 - 5 = 4 Normalschwingungen Bsp.: CO2 3 Atome, linear: Z = 3*3 - 5 = 4 Normalschwingungen Unterscheidung der Grundschwingungen in: Streckschwingungen () Deformationsschwingungen() c) entartete (e): Bindungslängen und -winkel a) symmetrische (s): Änderung der Bindungslängen b) antisymmetrische (as): Änderung der Bindungswinkel

Schwingungsfreiheitsgrade des CO2  as  in der Ebene  senkrecht zur Papierebene

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  = 2-15m  = 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: 1. Bindungsstärke: je größer k, desto höher die Frequenz! 2. Masse der beteiligten Atome: je geringer m, 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