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IR-Spektroskopie


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IR-Spektroskopie (genau: Infrarotspektroskopie) ist ein chemisches Analyseverfahren mit infrarotem Licht arbeitet. Die IR-Spektroskopie (Infrarotspektroskopie) zur quantitativen Bestimmung von bekannten Substanzen oder Strukturaufklärung unbekannter Substanzen genutzt.

Im infraroten Wellenlängenbereich (700-400.000 nm) wird aus spektroskopischer Sicht dem nahen Infrarot (NIR 700-5.000 nm) dem oder klassischen Infrarot (MIR 5.000-40.000 nm) und fernen Infrarot (FIR 40.000-400.000 nm) unterschieden weil Phänomene die Absorption dieser Strahlung verursachen. Im Infrarot absorbieren Molekülrotationen im MIR Molekülbindungen und NIR sind nur noch Obertöne bzw. Kombinationsschwingungen MIR detektierbar (insbesondere von CH- OH- NH-Bindungen).

Die IR-Spektroskopie im mittleren Infrarot ist der leistungsfähigsten analytischen Techniken in der chemischen organischer Substanzen. Die Nahinfrarot-Spektroskopie ( NIRS ) wird trotz ihrer dazu bescheidenen Möglichkeiten schnellen Analyse von Stoffgemischen genutzt.

Inhaltsverzeichnis

Prinzip

Die Bestrahlung von Molekülen mit elektromagnetischen Wellen des Infrarot -Bereichs führt dazu dass Bindungen zur Schwingung angeregt werden. Dies führt gleichzeitig zu Anhand von charakteristischen Frequenzen des Infrarot-Lichts welche sind um bestimmte Teile von Molekülen zur anzuregen können diese identifiziert werden. Am einfachsten dies natürlich bei zweiatomigen Molekülen. Bei mehratomigen kommt es zur Überlagerung von Grundschwingungen. Dementsprechend man eine Reihe von Absorptionsbanden die interpretiert müssen.

das ideale Rotations-Schwingungs-Spektrum am Beispiel von HCl

HCl ist ein einfaches zweiatomiges Molekül einem ausgeprägtem Dipolmoment. Das HCl-Molekül kann vereinfacht ein linearer Kreisel angesehen werden. Die Quantenmechanik liefert für ein lineares Molekül die Auswahlregel für einen Rotationsübergang:

 <math> \Delta J = +1 </math> <math> \Delta J = -1 </math>  
wobei J die Rotationsquantenzahl darstellt. Wenn Elektronen vorhanden sind wäre bei einem zweiatomigen auch J=0 möglich. Für einen Schwingungsübergang lautet spezielle Auswahlregel:
 <math> \Delta v = +1 </math> <math> \Delta v = -1 </math>  
Die Übergänge zwischen den verschiedenen Rotationsniveaus 1 2...) des Schwingungsgrundzustandes (v=0) und den (J'=0 1 2...) des angeregten Schwingungszustandes (v'=1) in zwei Gruppen den R-Zweig (rechts) für mit &Delta J = +1 und den (links) für Übergänge mit &Delta J =-1 werden und sind in der Abbildung skizziert. &Delta J=0 für HCl nicht erlaubt ist auch kein Q-Zweig. Im oberen Bild ist Energieniveauschema abgebildet. An Hand der Pfeillänge ist zu erkennen dass jeder Übergang eine Energiezufuhr
 <math> \Delta E = E(J+1) - = (J+1) BJ \cdot hc </math>  
erfordert. Für die Energiedifferenz zum benachbarten gilt damit
 <math> \Delta \Delta E = \Delta - \Delta E_{Nachbar} = 2B \cdot hc  
Im idealen Rotationsschwingungs-spektrum (unteres Bild) haben die Peaks einen konstanten Abstand von 2B. Experiment weisen die Peaks etwas andere Abstände da das Modell nicht
  • die Anharmonizität der Schwingung
  • den gedehnten Atomabstand durch die Zentrifugalkräfte
  • und die Wechselwirkung von Schwingungs- und beachtet

die Intensität der Peaks

Die Intensität ist proportional zum Quadrat permanenten Dipolmomentes. Daher liefern stark polare Moleküle Rotationsübergange. Vergleicht man allerdings die Intensitäten der eines einzelnen Moleküls miteinander fällt auf dass Intensitäten der Übergänge mit wachsenden J zunächst zunehmen durch ein Maximum gehen und schließlich große J wieder abfallen. Die Ursache dafür dass die Intensität die Entartungen der verschiedenen und die Besetzungszahlen der Rotationsniveaus im Ausgangszustand spiegeln. Der Grad der Entartung nimmt mit J zu was zu einer höheren Intensität Andererseits nehmen die Besetzungszahlen mit steigender Energie was schließlich zu einer Abnahme der Intensität

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