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Aspekte der modernen Analytik
Modul 2: Spektroskopie
Inhalt des Seminars:
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Modul 1:
Einführung in die Analytik
Auswahl der analytischen Methoden
Validierung der Methoden
Statistik und Auswertung
Modul 2:
Spektroskopische Methoden
Modul 3:
Chromatografische Methoden
Modul 4:
Analytische Kopplungstechniken
Modul 5:
Perspektiven der Laborarbeit
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Aspekte der Analytik / Gottwald 2001
Aspekte der modernen Analytik
Modul 2: Spektroskopie
Die Weiterbildungs-Stiftung präsentiert:
Modul 2
• Einführung
• UV/VIS-Spektroskopie
• IR-Spektroskopie
• NMR-Spektroskopie
• AAS
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Aspekte der modernen Analytik
Modul 2: Spektroskopie
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Einführung in die Spektroskopie
UV/VIS-Spektroskopie
IR-Spektroskopie
NMR-Spektroskopie
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Atomabsorptionsspektroskopie (AAS)
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Modul 2: Spektroskopie
Die Weiterbildungs-Stiftungsstiftung präsentiert:
Modul 2
• Einführung
• UV/VIS-Spektroskopie
• IR-Spektroskopie
• Massenspektroskopie
• NMR-Spektroskopie
• AAS
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Alle realen IR-Spektren sind der folgenden INTERNET-Bibliothek
entnommen:
SDBS-1H MNR und SDBS-IR
www.aist.go.jp/RIODB/SDBS/sdbs/owa/sdbs_sea.cre_frame_sea
Einige Abbildungen sind aus „Gottwald/Wachter:
IR-Spektroskopie für Anwender“ entnommen.
Wir bedanken uns für die Überlassung der IR- Spektren und
Abbildungen.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Entwicklung der IR-Spektroskopie
Um 1830 wurde das Thermoelement erfunden, mit dem sich die
unsichtbare IR-Strahlung exakter nachweisen lässt, weil ein
Thermoelement deutlich empfindlicher reagiert. Der Zusammenbau
von mehreren Thermoelementen zu einer Thermosäule erhöhte die
Nachweisfähigkeit der IR-Strahlen.
Die erste Entwicklung eines brauchbaren IR-Spektralphotometers
erfolgte im Jahre 1937 durch E. Lehrer in Ludwigshafen (BASF).
In den USA begann etwa ab 1944 die konsequente Entwicklung von
IR-Spektralphotometern, die in der Lage waren, gut aufgelöste
Spektren innerhalb von wenigen Minuten in einem normalen Labor
ohne Dunkelkammer zu liefern.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Entwicklung der IR-Spektroskopie
Nach dem Einbau von Gittern in die IR-Spektrometer (die
sogenannte dispersive IR) wurde der auch heute noch übliche
Untersuchungsbereich zwischen 2 m und 50 m Wellenlänge
möglich.
Ab 1980 findet immer mehr die Fouriertransformations-Technik
(FT-IR) Eingang in die IR-Spektroskopie.
Mit der FT-IR gelingt es, außerordentlich schnell mit einem hohen
Energiedurchsatz ein Spektrum aufzunehmen. Außerdem konnte
durch die FT-Technik der Messbereich deutlich erweitert werden,
nämlich auf etwa 1 m bis 1000 m Wellenlänge.
.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Die Abbildung
zeigt
das IR-Spektrum
einer Polystyrolfolie
Abszisse: Wellenzahl
Wellenlänge
Ordinate: Transmission,
Extinktion oder
Absorption
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Methodik der IR-Spektrokopie
Qualitative IR-Spektroskopie
Aus dem IR-Spektrum werden bei der qualitativen Arbeitsweise die
Lage, die Form und die Intensität der sogenannten Banden
herausgelesen.
Im Bereich zwischen den Wellenzahlen 1500 cm-1 und 600 cm-1 sind
besonders viele und auffällige Banden zu ersehen ( der sogenannte
„Fingerprintbereich“).
Im qualitativen Zweig der IR-Spektroskopie haben sich drei
unterschiedliche und grundsätzliche Arbeitsmethoden zur
Identifizierung der zu bestimmenden Substanzen herausgebildet
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Qualitative IR-Spektroskopie
 Stoffidentifizierung durch einen
IR-Spektrenvergleich von Probe und Vergleichssubstanz,
Katalog oder Datensammlung
 Stoffidentifizierung durch einen „vorher/nachher"
Vergleich bei einer durchgeführten Synthese
(Edukte und Produkte)
 Stoffidentifizierung oder Strukturaufklärung durch direkte
Spektreninterpretation mit sog. Korrelationstabellen.
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IR
Methodik der quantitativen Arbeitsweise:
Bei einer Quantifizierung mit Hilfe der IR-Spektroskopie wird die
Extinktion bei einer Wellenzahl ins Verhältnis zur Konzentration der
betreffenden Substanz gesetzt.
Über eine Kalibrierkennlinie ist dann eine Konzentrationsbestimmung möglich.
Es empfiehlt sich die Anwendung statistischer Grundlagen auf
die Kalibrierkennlinie (Korrelation, Verfahrensstandardabweichung
etc.).
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Gesetzmäßigkeiten der elektromagnetischen Strahlung
 In fast jedem IR-Spektrum kann eine mehr oder weniger waagerecht
verlaufende Trendlinie ausgemacht werden, die als Grundlinie
bezeichnet wird.
 Durch Eigenabsorption des Einbettungsmittels bei der Messung und
durch andere Ursachen verläuft sie nicht bei 100 %, sondern
gewöhnlich 10 - 30 % darunter.
 Jede Abweichung des Kurvenzuges von der Grundlinie in Richtung
von 0 % T bedeutet eine verstärkte Absorption von IR-Strahlen durch
das Molekül.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Gesetzmäßigkeiten der elektromagnetischen Strahlung
 Werden Strahlen aus dem IR-Bereich des elektromagnetischen
Spektrums von der Materie absorbiert, kann bei idealen Bedingungen
die Lage oder die Bindungslänge zwischen Atomen oder
Atomgruppen in Molekülen verändert werden.
 Die Veränderung der Bindungswinkel oder Bindungslängen verläuft
nicht unilateral, sondern schwingungsartig hin und her (Hin- und
Rückschwingung).
 Ein Teil der der Materie zugeführten Energie durch die IREinstrahlung wird demnach in Bewegungsenergie umgesetzt.
 Diese Wechselwirkung zwischen der aufgenommenen Energie aus
der elektromagnetischen Strahlung und der Bindungsschwingung ist
das Wesentliche der IR-Spektroskopie.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Gesetzmäßigkeiten der elektromagnetischen Strahlung
 Eine elektromagnetische Strahlung kann mit der Wellenlänge  , mit
der Frequenz  und mit der Wellenzahl ~ charakterisiert werden.
 Unter der Wellenlänge  versteht man die Strecke, die eine
sinusförmige elektromagnetische Welle mit ihrem Wellenberg und
dem Wellental einschließt.
 Der Wellenausschlag nach oben und unten (Amplitude) hat dagegen
keinen Einfluss auf die Wellenlänge, sondern ist eine Größe, die
die Intensität der Strahlung repräsentiert.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Gesetzmäßigkeiten der elektromagnetischen Strahlung
Die Wellenlängeneinheit  ist der Meter, angegeben wird die
Wellenlänge aus praktischen Gründen in den verkleinerten
Einheiten mm (10–3 m), m (10–6 m) und nm (10-9 m).
Das Spektrum der gesamten elektromagnetischen Strahlung kann
durch die Wellenlänge charakterisiert werden.
Die Frequenz  der elektromagnetischen Strahlung beschreibt die
Anzahl der Schwingungen in einer bestimmten Zeiteinheit,
üblicherweise die Schwingungsanzahl pro Sekunde. Die Einheit der
Frequenz ist 1/s oder Hz (Hertz).
Wellenlänge und Frequenz sind über die Lichtgeschwindigkeit c
miteinander verknüpft.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Gesetzmäßigkeiten der elektromagnetischen Strahlung
 In der IR-Spektroskopie wird eine dritte Größe zur Beschreibung der
elektromagnetischen Strahlung benutzt, die Wellenzahl.
 Die Wellenzahl gibt an, wie viel Wellen (jeweils Wellenberg und
Wellental) längs der Strecke von einem Zentimeter gezählt werden
können.
 Eine Wellenzahl von z. B. 3000 cm–1 bedeutet, dass beim
gradlinigen Fortschreiten des Strahls auf einem Zentimeter 3000
Einzelschwingungen (jeweils Wellental und Wellenberg) gezählt
werden können.
 Wellenzahl und Frequenz verhalten sich proportional zueinander.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Gesetzmäßigkeiten der elektromagnetischen Strahlung
 Je größer die Wellenzahl ist, um so kleiner ist die Wellenlänge.
Wellenzahl und Frequenz verhalten sich proportional
zueinander.
 Zur Umrechnung der Wellenlänge zur Wellenzahl dient die
Gleichung:
~ 
10000

(m zu cm-1)
 Die Angabe der Wellenzahlen in der IR-Spektroskopie hat den
Vorteil, dass sie der Frequenz des Lichtes direkt proportional ist.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
IR-Absorption
Beispiel HBr
 Modellhaft sind die beiden Atome Br und H
mit einer elastischen Feder (Bindung)
verbunden. Man stellt sich die beiden
Atome als kleine Kugeln mit sehr geringen
Massen (Punktmassen) vor. Die
Bindung schwingt bei Anregung, das
bedeutet, dass die Bindungslänge
periodisch zwischen Br und H abund zunimmt.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
IR-Absorption
 Je stärker die Bindung und je geringer die atomare Masse der beteiligten
Atome ist, um so höher liegt die Schwingungsfrequenz (Wellenzahl) der
Bindung.
 Die Beispiele für Bindungsschwingungen bei folgenden Wellenzahlen
zeigen den Zusammenhang zwischen Bindungsstärke und Strahlungsfrequenzen:
CC-Bindung
CC-Bindung
CC-Bindung
CBr-Bindung
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ca. 2200 cm–1
ca. 1640 cm–1
ca. 1000 cm–1
ca. 650 cm–1
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Modul 2: Spektroskopie
IR
IR-Spektroskopie
 Die Aufnahme der Lichtenergie und die Erhöhung des
Grundzustandes in den Zustand n = 1 (Normalschwingung) oder die
Erhöhung des Grundzustandes in den Zustand n = 2 oder n = 3
(Oberschwingung) ist nur dann möglich, wenn die Energie der
einfallenden IR-Strahlung genau so groß ist, wie die zu
überwindende Energiedifferenz.
 Man nennt diese Energiegleichheitsbedingung für eine optimale
Energieübertragung „Resonanzbedingung“.
 In der Praxis wird wegen der Resonanzbedingung die Probe nicht
mit monochromer IR-Strahlung, also mit Strahlung einer
Wellenlänge, durchstrahlt, sondern mit einer, die aus vielen
Wellenlängen zusammengesetzt ist (polychromatisches Licht).
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Modul 2: Spektroskopie
IR
IR-Absorption
 Außer der Resonanzbedingung ist für das Auftreten von sichtbaren
Signalen im IR-Spektrum eine weitere Bedingung notwendig: die
Schwingung der Bindung muss zu einer periodischen Änderung des
Dipolmomentes führen.
 Bei einem permanenten Dipol kann dessen Stärke durch das
Dipolmoment beschrieben werden
 Q d
 Kommt eine Bindung ins Schwingen, wird sich der Ladungsabstand
periodisch ändern und auf diese Weise auch das Dipolmoment .
P
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Modul 2: Spektroskopie
IR
IR-Absorption
Dipol
von
Wasser
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Modul 2: Spektroskopie
IR
IR-Absorption
 Die Intensität eines Signals im IR-Spektrum verhält sich in etwa
direkt proportional zum Quadrat der Dipoländerung bei der
Schwingung:
S   2
 Wenn das betreffende Molekül keine Polarität aufweist, also ohne
Dipolmomentänderung, wird die Signalintensität im Spektrum
entweder Null oder nur sehr klein sein: eine IR-inaktive
Schwingung.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Schwingungsarten
 Die maximale Anzahl von Schwingungen in einem Molekül lässt sich
theoretisch ableiten.
 Die maximale Schwingungsanzahl ist jedoch meistens nicht identisch mit
der tatsächlich vorhandenen Bandenzahl im Spektrum.
 Die Anzahl der prinzipiellen Schwingungsfreiheitsgrade Z kann ermittelt
werden mit:
Z  3N 6
 Die Gleichung gilt nur für ein gewinkeltes, nichtlineares Molekül (z. B.
Wasser). Moleküle, die eine lineare Struktur (z. B. Kohlendioxid) besitzen,
verfügen über einen Freiheitsgrad mehr:
Z  3N 5
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Modul 2: Spektroskopie
IR
 Nach der Gleichung
hat das dreiatomige,
gewinkelte
Molekül Wasser
Z=33-6=3
Schwingungsfreiheitsgrade.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Schwingungsarten
 Die Schwingung, die als Nr. 1 bezeichnet wird, verändert den
Bindungswinkel des Moleküls. Eine solche Schwingung nennt man
Deformationsschwingung (oder Beugeschwingung).
 Bei den Schwingungen Nr. 2 und Nr. 3 erfährt das Wassermolekül
keine Winkeländerung, sondern die Bindungslängen zwischen
Sauerstoff und Wasserstoff werden verändert. Man nennt solche
Schwingungen Valenzschwingungen (oder Streckschwingung).
 Bei der Schwingung Nr. 2 handelt es sich um eine symmetrische
Valenzschwingung, da die Bildungslängen symmetrisch verändert
werden.
 Die Schwingung Nr. 3 ist eine antisymmetrische Valenzschwingung,
die Bildungslängen werden unterschiedlich verändert.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Die Wellenzahlen der zugehörigen Banden sind:
Wellenzahlen der Schwingungsbanden von Wasser
Schwingung Nr. Wellenzahl (cm–1)
1
1595
2
3657
3
3756
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Schwingungsart
Deformation
symmetrische Valenz
antisymmetrische
Valenz
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Modul 2: Spektroskopie
IR
 Die Schwingungsfreiheitsgrade
eines dreiatomigen,
linearen Moleküls, wie
z. B. Kohlendioxid, berechnen
sich:
Z=33-5=4
 Die vier Schwingungen des
Kohlendioxids sind
neben dargestellt.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Schwingungsarten
 Bei der Schwingung Nr. 4, einer Deformationsschwingung, bewegen
sich die beiden Sauerstoffatome beim Schwingungsvorgang aus der
Papierebene heraus (zum Betrachter hin), das Kohlenstoffatom
bewegt sich hinter die Ebene.
 Bei den Schwingungen Nr. 1 und Nr. 2 handelt es sich um eine
symmetrische und eine antisymmetrische Valenzschwingung, die
Schwingungen Nr. 3 und 4 sind dagegen
Deformationsschwingungen.
 Die Bande bei 1285 cm–1 wird man im Spektrum nicht finden.
Bei der symmetrischen Valenzschwingung von Kohlendioxid
(Schwingung Nr. 1) wird das Molekül keine Dipolmomentänderung
erfahren, weil sich der Massenschwerpunkt nicht bewegt. Die
Schwingung ist daher IR-inaktiv.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
–1
Schwingung Nr. Wellenzahl (cm )
1
1285
2
2349
3
4
667
667
Schwingungsart
symmetrische Valenz
antisymmetrische
Valenz
Deformation
Deformation
IR-Spektrum
von
CO2
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Modul 2: Spektroskopie
IR
IR-Absorption
 Alle bisher beschriebenen Schwingungen, die die genannten
Bedingungen erfüllen, nennt man Normalschwingungen.
 Neben diesen Normalschwingungen beobachtet man noch weitere
charakteristische Banden im IR-Spektrum:
z. B.
die Oberschwingungsbanden und
die Kombinationsbanden.
 In einem IR-Spektrum treten manchmal Banden auf, die durch
Kombination der Frequenzen von zwei oder mehreren
Normalschwingungen entstehen.
 Die Kombinationsbanden sind gewöhnlich schwach ausgeprägt
und bei geringer Probenschichtdicke manchmal gar nicht zu
finden.
P
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Modul 2: Spektroskopie
IR-Absorption
Mit Dipoländerung
Direkt die Abbildungen doppelklicken
Animation
symm. CH3
symm. CH3
asymm. CH3
Streck- oder Valenzschwingung
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Modul 2: Spektroskopie
IR-Absorption
Direkt die Abbildungen doppelklicken
Animation
Nick
Torsion
Schaukel
Scheren
wagging
twisting
rocking
scissoring
Deformationsschwingungen
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Schwingungsformen
und
Wellenzahlen
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Schwingungsarten
 Die bisherige Einteilung der Normalschwingung in Valenz- und
Deformationsschwingungen ist zu trivial, um alle Schwingungen
genau zu kennzeichnen. Wir werden folgende Bezeichnungen
verwenden:
 sy symmetrische Valenzschwingung
 as antisymetrische Valenzschwingung
 sy symmetrische Deformationsschwingung
 as antisymmetrische Deformationsschwingung
mit den Unterformen:
r
Schaukelschwingung (rocking)

Scherenschwingung (scissoring)
t
Torsionschwingung (twisting)

Nickschwingung (wagging)

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Modul 2: Spektroskopie
IR
Die Schwingungen der CH2-Gruppe
P
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Modul 2: Spektroskopie
IR
IR-Spektrometer
 Meistens wird eine apparative Einrichtung benutzt(Spektralapparat),
mit deren Hilfe die IR-Durchlässigkeit (engl.: transmission, am.:
transmittance) einer Probe in Abhängigkeit von der Wellenlänge (µm)
bzw. Wellenzahl (cm–1) gemessen werden kann.
 Ein derartiges Instrument wird als Infrarotspektrometer (kurz IRSpektrometer) bezeichnet.
 Man unterscheidet „nicht-dispersive IR-Photometer“, „dispersive IRSpektrometer“ und „Fourier-Transform-IR-Spektrometer“
(kurz: FT-IR-Spektrometer).
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Prinzipieller
Aufbau
des
IR-Gerätes
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Dispersives Gerät mit optischem Nullabgleich
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Dispersives
Element
Gitter
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Modul 2: Spektroskopie
IR
IR-Spektrometer: FT-IR
 Anstelle des Monochromators im dispersiv arbeitenden
Spektrometer bildet ein Interferometer die optische
Hauptkomponente im Fourier- Transform-IR-Spektrometer
(kurz FT-IR- Spektrometer).
 Die in der Spektrometrie gebräuchlichsten Interferometer leiten sich
vom sog. MICHELSON-Interferometer ab.
 Die wichtigsten Bestandteile eines Michelson- Interferometers sind
ein Strahlteiler, ein feststehender und ein beweglicher Spiegel.
Der Strahlteiler lässt auftreffende IR-Strahlung jeweils
zur Hälfte durchtreten bzw. reflektiert sie.
P
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Prinzip
des
MichelsonInterferometer
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Modul 2: Spektroskopie
IR
IR-Spektrometer: FT-IR
 Ein Teil der auf den Strahlteiler auftreffenden IR-Strahlung wird auf
den feststehenden Spiegel reflektiert. Der durch den Strahlteiler
durchtretende Strahlungsanteil trifft auf den beweglichen Spiegel.
 Beide Teilstrahlen werden an den Spiegeln jeweils zurückreflektiert
und treffen wieder auf den Strahlteiler. Den optischen Weg
„Strahlteiler-Spiegel-Strahlteiler“ nennt man „Interferometerarm“.
 In Richtung Detektor überlagern sich die Strahlenbündel aus beiden
Interferometerarmen. Das Ergebnis dieser Interferenz ist abhängig
von der Wegdifferenz zwischen beiden Interferometerarmen und
damit von der jeweiligen Position des beweglichen Spiegels.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
IR-Spektrometer: FT-IR
Bildung
von
Interferenzen
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Modul 2: Spektroskopie
IR
IR-Spektrometer: FT-IR
Direkt die Abbildungen doppelklicken
Animation
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Modul 2: Spektroskopie
IR
IR-Spektrometer: FT-IR
Interferogramm (oben)
und zugehörendes
IR-Spektrum (unten)
einer Backgroundaufnahme
(4 cm–1 Auflösung,
s Registrierzeit)
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Modul 2: Spektroskopie
IR
IR-Spektrometer: FT-IR
 Ein weiterer Unterschied zwischen IR-Spektrum und Interferogramm
besteht darin, dass im Gegensatz zum IR-Spektrum, wo jeder Messwert
einer bestimmten Wellenzahl zugeordnet ist, im Interferogramm jeder
Punkt Informationen über den gesamten Spektralbereich enthält.
 Um die im Interferogramm „verschlüsselt“ vorliegenden spektralen
Informationen wie Wellenzahlen und dazugehörende Signalintensitäten
der Auswertung zuführen zu können, muss das Interferogramm in die
dem Analytiker geläufige Spektrenform überführt („decodiert“) werden.
Dazu dient das mathematische Verfahren der sog.
„Fourier-Transformation“.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Spektrometer: FT-IR
 Während geräteabhängige Signalbeeinflussung oder atmosphärische
Störungen durch Wasserdampf und Kohlendioxid in der dispersiven
Technik durch das Zweistrahl-System „on-line“, d. h. während der
Spektrenaufnahme kompensiert werden, muss bei der EinstrahlTechnik der kommerziellen FT-IR-Spektrometer zunächst ein Spektrum
ohne Probe („Background-Spektrum“) und danach das Spektrum mit
Probe registriert werden.
 Der Quotient Probenspektrum/Background-Spektrum liefert das
geräteunabhängige und korrigierte Analytspektrum.
 Das Interferometer zeichnet sich gegenüber dem dispersiven
Spektralapparat durch eine konstante Auflösung über den gesamten
Spektralbereich aus. Das Rauschen des Detektors wird dadurch über
den gesamten Spektralbereich verteilt
P
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Spektrengewinnung
in der FT-IR-Technik
(Einstrahlverfahren)
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Seite 49
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Modul 2: Spektroskopie
IR
IR-Spektroskop: Detektoren
 Aufgabe des Detektors (Strahlungsempfängers) ist die Umwandlung
des optischen Signals in ein elektrisches.
 Unterschiedliche physikalische Materialeigenchaften wie
temperaturabhängige Änderung der Thermospannung,
pyroelektrischer Effekt oder Halbleitereigenschaften sind
Arbeitsgrundlagen für IR-Detektoren.
 Kriterien zu ihrer Beurteilung sind neben Haltbarkeit insbesondere
deren Empfindlichkeit. Weitere Kriterien sind die
Ansprechgeschwindigkeit und vor allem das Signal/RauschVerhalten.
 Man unterteilt IR-Detektoren in zwei Gruppen: Thermische Detektoren
und Quantendetektoren.
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Seite 50
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Modul 2: Spektroskopie
IR
IR-Spektrometer: FT-IR
Gesamtaufbau
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Modul 2: Spektroskopie
IR
IR-Spektroskop
Gesamtaufbau
(Perkin-Elmer)
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Seite 52
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Feststoffpräparation
 Für die Feststoffprobenpräparation bieten sich Verfahren an, durch
die der zu analysierende Stoff in sog. Einbettungsmittel verteilt und
eingebettet wird. Damit werden die optisch störenden Luft-FeststoffÜbergänge im pulverisierten Material beseitigt.
Als gebräuchlichste Verfahren gelten:
 KBr-Preßtechnik,
 Suspensionstechnik.
P
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Probenpräparation: KBr-Presstechnik
 Eine gute Spektrenqualität aus Presslingen setzt voraus, daß
 das Einbettungsmittel einen ähnlichen
Brechungsindex wie die zu
untersuchende Substanz besitzt, und
 Substanz und Einbettungsmittel
homogenisiert und fein pulverisiert sind.
Die Korngröße sollte nicht größer sein als
die kleinste gemessene Wellenlänge im
IR-Spektrum;
 das Einbettungsmittel spektroskopische
Reinheit bzw. den Reinheitsgrad „pro
analysi (pa)“ besitzt.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Halb-Mikro- und Makro-Presstechnik im Vergleich
Halb-MikroPresstechnik
Benötigte
Probenmenge
/ Pressling
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MakroPresstechnik
50 µg Substanz
1 mg Substanz
Benötigte Menge
KBr /
Pressling
20 mg KBr
300 mg KBr
Durchmesser des
Presslings
3 mm
13 mm
Dicke des
Presslings
1 mm
1 mm
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Aspekte der modernen Analytik
Modul 2: Spektroskopie
IR
Gebräuchliche Einbettungsmittel
Einbettungsmittel
20
Nutzbarer
Spektralbereich
nD
Brechungsindex
(cm-1)
NaCl
bis 600 cm-1
1,53 (bei 5000 cm-1)
1,49 (bei 1000 cm-1)
KBr
bis 400 cm-1
1,54 (bei 5000 cm-1)
1,49 (bei 500 cm-1)
CsJ
bis 200 cm-1
1,75 (bei 5000 cm-1)
1,73 (bei 500 cm-1)
1,69 (bei 250 cm-1)
RbJ
bis 170 cm-1
1,61 cm-1
PE
650 cm-1 bis
50 cm-1
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Modul 2: Spektroskopie
IR
KBr-Presstechnik
Herstellung
einer
KBr-Tablette
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Aspekte der modernen Analytik
Modul 2: Spektroskopie
IR
KBr-Presstechnik
Herstellung
einer
KBr-Tablette
P
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Modul 2: Spektroskopie
IR
KBr-Presstechnik
KBr+Substanz
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Aspekte der modernen Analytik
Modul 2: Spektroskopie
IR
KBr-Presstechnik
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Modul 2: Spektroskopie
IR
KBr-Presstechnik
KBr- Tablette
im
Halter
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Probenpräparation: KBr-Presstechnik
Achtung: Wasser verändert die Spektren!
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Probenpräparation: Suspensionstechnik
 Wenn die KBr-Presstechnik nicht zum Ziel führt, weil beispielsweise
das Einbettungsmittel KBr mit dem Analyten reagiert oder die
Restfeuchtigkeit in KBr mit dem Analyten unverträglich ist, bietet
sich bei unlöslichem Probenmaterial die Suspensionstechnik als
Alternative an.
 Das Einbettungsmittel sollte im interessierenden Spektralbereich
keine oder möglichst wenig Absorptionsbanden zeigen.
 Am häufigsten werden als Einbettungsmittel für die
Suspensionstechnik verwendet:
 Nujol, ein Gemisch langkettiger flüssiger
Paraffine
 Voltalef, ein fluoriertes und chloriertes
Paraffin (Poly-Chlortrifluorethylen-Öl),
P
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Probenpräparation: Suspensionstechnik
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Probenpräparation: Suspensionstechnik
Zerlegbare
Küvette
ohne
Einfüllstutzen
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Probenpräparation: Flüssigkeiten
 IR-spektrometrische Untersuchungen flüssiger Proben oder
Lösungen erfordern im Durchlichtverfahren Flüssigkeitsküvetten mit
geeigneten Schichtdicken und Fenstermaterialien.
 Übliche Schichtdickenwerte bewegen sich bei den meisten
Untersuchungen von Flüssigproben im Millimeter- bzw.
Mikrometerbereich.
 Neben der Wahl der Fenstermaterialien kann auch der Aufbau der
Küvette je nach Aufgabenstellung mehr oder weniger vorteilhaft sein.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Probenpräparation: Flüssigkeiten
IR-Fenstermaterialien und ihre wichtigsten Eigenschaften
Material
Reflex- Brechgsionsver- index bei
lust in % 5000 cm-1
Nutzbarer
Bereich
(cm-1)
Bemerkungen
Infrasil
(SiO2)
6
1,44 5000- 2500 empfindlich gegen
Alkaliverbindungen, sonst sehr
widerstandsfähig,
wasserunlöslich
Irtran-1
(MgF2)
5
1,37 6500- 1300 temperaturbeständig bis über
800° C, Wasserlöslichkeit: 0,008
g / 100 g Wasser (18° C)
Irtran-3
(CaF2)
10
1,42 2500- 1000 temperaturbeständig: - 200° bis
1000°C, löslich in NH4Salzlösungen, wasserunlöslich
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Probenpräparation: Flüssigkeiten
KRS-5
(TlBr/TlJ)
28,4
2,39 2000 - 250
giftig!, weich, unter Druck kaltfließend,
löslich in Alkohol, HNO3, Wasserlöslichkeit: 0,05 g pro 100 g Wasser (20°
C)
Si
46,1
3,45 6500 - 200
löslich in Mischung HF/HNO3, temperaturbeständig, wasser-unlöslich
Polyethylen
P
600 - 50
nicht bandenfrei, kann quellen,
wasserunlöslich
CaF2
5,6
1,42 6500- 1250 löslich in NH4-Salzen, Wasser-löslichkeit:
0,0017 g / 100 g Wasser (26° C)
NaCl
7,5
1,53
5000- 600
wenig löslich in Alkohol, hygroskopisch,
KBr
8,4
1,54
5000- 400
hygroskopisch,
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Probenpräparation: Flüssigkeiten
Zerlegbare
Küvette
mit
zwei
Einfüllstutzen
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Probenpräparation: Flüssigkeiten
 Größtmögliche Flexibilität hinsichtlich ihrer Schichtdicke bietet die
variable Küvette, deren interner Fensterabstand stufenlos zwischen 10
µm und 6 mm (6000 µm) mit einer Ablesegenauigkeit von besser als 1
µm eingestellt werden kann.
 Die variable Küvette findet ihren Einsatz überall dort, wo sowohl
größtmögliche Freiheit in der Schichtdickenwahl, als auch Präzision in
der Einstellung erwartet wird. Sie wird auch zur Überprüfung der
Ordinatenlinearität eines IR-Meßplatzes eingesetzt, die als wichtige
Prüfgröße für die Gerätetauglichkeit in der quantitativen IRSpektrometrie gilt.
Zu ihrer Beurteilung wird die Extinktion der Cyclohexanbande bei
1987 cm–1 als Funktion der Schichtdicke aufgetragen.
Voraussetzung: Gute Auflösung und hohes Signal/Rauschverhältnis!
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Variable
Küvette
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Bearbeitung des IR-Spektrums
Die entstehenden Banden werden
durch ihre Wellenzahl
= spektrale Lage, ihre
Intensität, ihre Halbwertsbreite
und ihre Form näher
charakterisiert.
Die Güte eines Spektrums
wird durch Spektrometereigenschaften
sowie durch die Aufnahmeparameter bestimmt.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Bearbeitung des IR-Spektrums
Die heute gebräuchlichste Darstellung sind Durchlässigkeitsund Extinktions-Spektren.
Von den meisten Spektroskopikern wird das
Transmissionsspektrum ( % T) bevorzugt.
Die Ordinatenskala erstreckt sich von 0 -100 % T (oder nur
Ausschnitte davon)
Grundlage für die quantitative Auswertung bilden die
Extinktionsspektren.
P
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Bearbeitung des IR-Spektrums
Darstellung
Transmission
und Extinktion
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Bearbeitung des IR-Spektrums
Manchmal wird die Abszisse nicht mit der Wellenzahl,
sondern mit der Wellenlänge in m angegeben.
Die Wellenzahlskalierung findet man in zwei Varianten:
mit und ohne Skalierungswechsel bei 2000 cm-1.
Bei der Darstellung des Spektralbereiches kleiner 2000 cm-1
wird die Abszisse so gedehnt, dass Details in der
Gerüstschwingung deutlich hervorgerufen werden.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Geräteeinstellung: FT-IR-Gerät
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Interpretation von Spektren
Die IR-Spektroskopie wird hauptsächlich in der qualitativen Analyse
und für die Strukturaufklärung eingesetzt. Grundsätzlich gibt es dazu
drei Aufgabenstellungen:



Überprüfung, ob zwei Substanzen (Probe und
Referenzsubstanz) identisch sind.
Reaktionskontrolle auf Veränderung der funktionellen Gruppe
(Produkt vor und nach einer Reaktion).
Identifizierung von funktionellen Gruppen oder die
Strukturaufklärung einer Verbindung.
Zum Identitätsvergleich zweier Stoffe ist es notwendig, dass von
beiden Substanzen (Probe und Referenzsubstanz) unter gleichen
Bedingungen (Probenaggregatzustand, Einbettmittel, Druck etc.)
jeweils ein IR-Spektrum aufgenommen wird.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Interpretation von Spektren
Im Bereich von 1500 bis 600 cm–1 befinden sich gewöhnlich die
meisten Banden, so daß gerade dieser Bereich besonders für einen
Spektrenvergleich interessant ist. Diesen Bezirk nennt man in Analogie
zu Identifizierungen in der Kriminalistik auch Fingerprint-Bereich.
Nach einem positiven Vergleichsergebnis werden die beiden
Substanzen (Probe und Referenzsubstanz) miteinander vermischt
(aufgestockt) und von dem Gemisch ein IR-Spektrum aufgenommen.
Dabei ist auf Abweichungen gegenüber den Originalspektren,
besonders im Fingerprintbereich, zu achten.
Auf der Grundlage eigener Spektrensammlungen oder kommerzieller
Katalogen kann man manchmal eine Substanz direkt identifizieren,
ohne dass eine Referenzsubstanz vorliegen muß.
P
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Interpretation von Spektren
Kompliziert ist eine Strukturaufklärung mit Hilfe der IR-Spektroskopie,
d. h. die Suche nach allen funktionellen Gruppen und dem Gerüst.
Meist müssen außer der IR-Spektroskopie noch andere Methoden, wie
z. B. die NMR-Spektroskopie und die Massenspektrometrie,
herangezogen werden.
Vor der eigentlichen Strukturaufklärung mit der IR-Spektroskopie
sollten immer zuerst allgemeine und leicht zu erhaltene
Stoffkonstanten wie Schmelzpunkt, Siedepunkt, Brechungsindex etc.
von der Substanz bestimmt werden.
Weiterhin ist es notwendig, die Reinheit der Substanz zu kennen.
Spektren von Substanzgemischen lassen eine sinnvolle qualitative
Spektreninterpretation nicht zu.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Interpretation von Spektren
Die Grundlage der IR-Spektreninterpretation ist die empirische
Feststellung, dass den funktionellen Gruppen sogenannte
Gruppenfrequenzen zugeordnet werden können.
Dazu kommt noch, dass jedes Molekül ein für sein Grundgerüst
typisches Gerüstschwingungsmuster besitzt, das gewöhnlich gut
erkannt werden kann.
Die in den Korrelationstabellen aufgeführten Bandenlagen sind nur als
gemittelte Orientierungswerte zu verstehen. Die Aufnahmetechnik, die
Probenpräparation, verschiedene Wechselwirkungen, der
Aggregatzustand und die Temperaturverhältnisse können zu
beträchtlichen Abweichungen in der Bandenlage im IR-Spektrum
führen.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Interpretation von Spektren
Neben der Bandenlage ist auch die Bandenintensität und die
Bandenbreite (gemessen als sogenannte "Halbwertsbreite", d. h. die
Breite in der halben Höhe der Bande) von großem Interesse.
Liegt ein aussagekräftiges IR-Spektrum vor, wird zuerst versucht, den
Aufbau des Molekülgerüsts (z. B. Ketten, gerade oder verzweigt,
Cyclen, Aromaten etc.) und die Kohlenstoff-Bindungsordnung
(Einfach- oder Mehrfachbindung) zu erkennen.
Man vergleicht typische Banden des aufgenommenen IR-Spektrums
mit den Angaben aus den Korrelationstabellen.
Weiterhin kann man Blocktabellen verwenden, in denen die
Gruppenfrequenzen von funktionellen Gruppen sehr anschaulich und
übersichtlich zusammengestellt wurden.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Interpretation von Spektren
Der Anwender kann aus dem Spektrum die zu untersuchende Bande,
von der er glaubt, dass sie typisch für eine funktionelle Gruppe sei,
hinsichtlich der Bandenlage, Bandenintensität und Bandenform näher
untersuchen und sie mit den Angaben in der jeweiligen
Korrelationstabelle vergleichen.
Zu unterscheiden sind dabei sogenannte Schlüsselbanden und
Kontrollbanden. Während die typische Schlüsselbande für die
betreffende Struktur unbedingt vorhanden sein muß, werden die
Kontrollbanden benutzt, um das erhaltene Ergebnis abzusichern.
Auch das Nichtvorhandensein von eigentlich erwarteten Banden kann
Rückschlüsse auf ein Strukturelement geben.
Es gilt auf diesem Weg so viele funktionelle Gruppen wie möglich zu
identifizieren.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Interpretation von Spektren
Abschließend ist ein Vergleich mit einem Referenzspektrum
(Spektrenbibliothek oder Spektrum der Referenzsubstanz)
vorzunehmen.
Dazu dient neben der Betrachtung der Gruppenfrequenzen ein
Vergleich des Fingerprintmusters in den Spektren.
Durch Interpretation des Referenzspektrums und dem Vergleich mit
dem Probenspektrum ist der Befund zu sichern oder neu zu
interpretieren.
P
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Interpretation von Spektren
Bevor eine genauere Untersuchung der Banden im Spektrum erfolgt,
sollten erste Hinweise auf das Gerüst und die funktionelle Gruppe
durch einen Überblick gewonnen werden. Diese Hinweise können dann
durch eine genauere Untersuchung bestätigt, akzeptiert oder wieder
verworfen werden.
Nach einer ersten ganzheitlichen Betrachtung des Spektrums sollten in
der angegebenen Reihefolge folgende Bandenbereiche überprüft
werden.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Interpretation von Spektren
Bereich zwischen 3800 und 2250 cm–1:
Eine Bandengruppe zwischen 3000 und 2850 cm–1 weist auf ein
gesättigtes Kohlenwasserstoffgerüst hin. Sind Banden zwischen 3100
und 3000 cm–1 vorhanden, liegt ein aromatisches oder ungesättigtes
Grundgerüst vor.
Breite Banden zwischen 3300 und 2250 cm–1 weisen auf assoziierte OHGruppen oder auf NH-Gruppen hin.
Kumulierte Doppelbindungen und Dreifachbindungen haben im
Bereich zwischen 2260 bis 1930 cm–1 typische Banden.
Bereich zwischen 1900 und 1500 cm–1:
Substanzen mit olefinischen Doppelbindungen haben Banden
zwischen 1685 und 1630 cm–1, aromatische Ringe zwischen 1600 und
1460 cm–1. Starke Banden zwischen 1950 und 1660 cm–1 weisen fast
immer auf Carbonylgruppen (CO) hin.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Interpretation von Spektren
Bereich zwischen 1400 und 1350 cm–1:
Banden in diesem Bereich deuten auf Methylgruppen hin, wobei
geminale Dimethyl- oder Trimethylgruppen typische Dubletten
ausbilden.
Bereich zwischen 1250 und 1000 cm–1:
Sehr starke Banden im Bereich von 1250 und 1000 cm–1 werden
meistens von CO-haltigen Verbindungen, wie z. B. Ester, Ether,
Alkohole und Phenole, hervorgerufen.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Interpretation von Spektren
IR-Spektren sollten zunächst auf die Merkmale des
Kohlenwasserstoffgerüsts untersucht werden. Dazu gehört die
Zuordnung zu gesättigten oder ungesättigten (olefinischen oder
aromatischen) Verbindungsklassen und die Untersuchung des Gerüsts
auf Verzweigungen.
Alkane
Alkane, deren CH3 -, CH2 - und CH-Gruppen bei Anregung mit IRStrahlen schwingen können, besitzen als Schlüsselbande für die CHGruppierung schmale Banden zwischen 3000 und 2860 cm–1. Eine
weitere, wichtige CH-Schwingung ist die Deformationsschwingung,
deren Bande im Bereich von 1480 bis 1350 cm–1 erfolgt.
Ein relativ sicheres diagnostisches Indiz für Alkane ist die lagestabile
Bande bei 1380 cm–1, die eine Methylgruppe anzeigt.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
3-Methylpentan
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Interpretation von Spektren
Alkene
Alkene, also einfach ungesättigte Kohlenwasserstoffe mit
Doppelbindungen, haben im IR-Spektrum zwischen 3100 bis 3000 cm–1
eine typische Bande. Die Bande ist relativ gut zu erkennen, weil sie
oberhalb der CH-Schwingungsbande von Alkanen erscheint.
Informationen zum Typ (z. B. cis-trans) liefern Banden im Bereich von
1005 bis 675 cm–1. Weiterhin werden Banden um 1690 bis 1620 cm–1
beobachtet.
P
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Modul 2: Spektroskopie
IR
2-Hexen
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Interpretation von Spektren
Alkine
Verbindungen mit Dreifachbindungen haben Valenzschwingungsbanden im Bereich von 2260 bis 2100 cm–1.
Für monosubstituierte Alkine werden dazu sehr schmale Banden im
Bereich von 3380 bis 3250 cm–1 beobachtet, die diagnostisch gut
auszuwerten sind.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
2-Hexin
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Interpretation von Spektren
Aromaten
Aromaten besitzen Valenzschwingungsbanden im Bereich von 3100 bis
3000 cm–1. Durch diese Bande allein ist ein Aromat von einem Alken
nicht zu unterscheiden.
Durch die Banden bei ca. 1600, 1500 und 1460 cm–1 sind die
Aromaten jedoch relativ gut und sicher zu identifizieren. Weiterhin
liegen noch starke Banden bei 900 bis 650 cm–1 vor.
Eine zusätzliche diagnostische Hilfe zur Identifizierung von Aromaten
und zur Bestimmung des Substitutionstyps sind
Oberschwingungsbanden, die im Bereich von 2000 bis 1650 cm–1
auftreten können.
Wichtig ist auch das Gesamtbild der Bandengruppe. Dieses
Gesamtbild wird häufig als Aromaten- oder Benzolfinger bezeichnet.
P
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Modul 2: Spektroskopie
IR
p-Xylol
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Interpretation von Spektren
Aromaten
Das Bild der Aromatenfinger ist abhängig vom Substitutionstyp. In der
folgenden Abbildung sind typische Aromatenfinger für
disubstituierte Aromaten aufgeführt. Zur endgültigen Identifizierung
des Substitutionstyps sind aber auch die Banden im Bereich von 900
bis 650 cm–1 zu beachten.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Interpretation von Spektren
Aus den Korrelationstabellen ist entnehmbar, dass bestimmte
funktionelle Gruppen und Gerüste im IR-Spektrum eine große
Wellenzahlbandbreite einnehmen können.
Je nachdem, welche weiteren Gruppen und Atome z. B. an die COGruppe direkt gebunden ist, wird sich die Bandenlage der
Schwingung charakteristisch verändern. Die Verschiebung der
Bandenlage kann aber auch Gründe haben, die sich aus der
Messmethode ergeben.
Häufig sind Bandenverschiebungen bei der Analyse von festen
Proben nach der Einbettung der Probensubstanz in einen
Kaliumbromid- oder Kaliumiodidpressling zu erwarten.
Manche instabile Verbindungen zersetzen sich unter dem KBrEinfluss und das IR-Spektrum wird folglich ganzheitlich verändert.
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Beispielspektren
P
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Modul 2: Spektroskopie
IR
1-Hexanol
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Modul 2: Spektroskopie
IR
1-Heptanon
P
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Anilin
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Essisäuremethylester
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Bromhexan
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Anisol
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Übungsbeispiel
1
P
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IR
Übungsbeispiel
2
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Übungsbeispiel
3
p-Kresol
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Übungsbeispiel
4
Cyclohexanol
wird mit Chemikalien
behandelt
und es entsteht
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Modul 2: Spektroskopie
IR
Modernste Entwicklung: IR-Fotografie
aus 132 000 Spektren zusammengesetzt
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Modul 2: Spektroskopie
Wir danken den
Autoren, Firmen und
Verlagen
für die
Einbindung
von Abbildungen
in diese
Weiterbildungspräsentation.
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Modul 2: Spektroskopie
Ende des Moduls
“Spektroskopie”
Wir bedanken uns für
Ihre Mitarbeit.
P
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