©Ulm University 2012, Othmar Marti
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Skripte]
4 Infrarot-Spektroskopie
4.1 Lernziel
Die IR-Spektroskopie ist eine Standarduntersuchungsmethode der Physik und Chemie
zur Konstitutionsaufklärung und in der Analytik. Der Student soll lernen, auf welche
Substanzgruppen diese Methode angewendet werden kann und welche Rückschlüsse auf
deren Struktur möglich sind. Die zugrunde liegende Theorie stellt gleichzeitig eine
hervorragende Anwendung der in der Quantenmechanik erworbenen Kenntnisse
dar.
4.2 Lerninhalt
Allgemein:
- Quantenmechanik und ihre Anwendung
- Molekülphysik
- Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Materie
- Festkörperphysik, Polymerphysik
Speziell
- Quantenmechanik des harmonischen Oszillators und des starren Rotators
- Schwingungs- und Rotationsspektren von Gasen
- Rotationsschwingungsspektren von 2-atomigen, 3-atomigen, linearen und
gewinkelten Molekülen.
- Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen, Dipolstrahlung, Auswahlregeln,
Absorption, Lambert-Beer’sches Gesetz
- Gitterdynamik der linearen Kette, Phononendispersion im Festkörper
- Polymere in Lösung, Polymere als Festkörper
Meßmethodik:
- Aufbau und Funktion eines Zweistrahl-Gitterspektral-Apparates
- Auswertung von Spektren (Grundlinienverfahren)
- Integrale Absorption (Linienformen)
- Auswertung der Meßergebnisse nach Frequenzen
- Fehlerdiskussion (ist besser als rechnen mit Literaturwerten)
4.3 Aufgaben
4.3.1 Gase
- Messen Sie die Schwingungsspektren von CO2 im infraroten Spektralbereich
- Nehmen Sie zusätzlich das Spektrum von CO2 zwischen 800 cm-1 und 600
cm-1 mit hoher Auflösung auf und ermitteln sie mit Hilfe des Rotationsterms
den (C-O)-Bindungsabstand.
- Aus den Infrarotbanden ermittle man die Schwingungsenergie und berechne
daraus die Kraftkonstanten.
- Nehmen Sie die Spektren von H2O-Dampf bzw. D2O-Dampf auf und deuten
Sie die Unterschiede. (Wie groß ist der Isotopieeffekt und wie ist er zu
verstehen? Vergleichen Sie mit der Theorie!) Es ist nicht erforderlich,
die komplizierten IR-Spektren von H2O und D2O zu analysieren. Es ist
jedoch der Isotopieeffekt zu zeigen. Dazu sind die IR-Spektren im gesamten
Spektralbereich aufzunehmen.
4.3.2 Polymerlösungen
- Ziel des Versuches ist die Verifizierung des Absorptionsgesetzes von
Lambert-Beer im Fall einer Lösung von Polystyrol (PS) in einem geeigneten
Lösungsmittel. Dabei soll die Schichtdicke d konstant bleiben und die
Konzentration c variiert werden. Die integrale Absorption A und die
Extinktion E werden dazu mit verschiedenen Wellenzahlen als Parameter
über der Konzentration aufgetragen.
-
- Präparation der Proben: 5 Konzentrationen von PS/Lösungsmittel: c /
3/4 c / 1/2 c / 1/4 c / 1/8 c.
- Registrierung der Spektren des reinen Lösungsmittels und der
Lösungen.
- Die quantitative Auswertung der Spektren wird nach der
Grundlinienmethode durchgeführt (siehe Brügel u. a.).
4.3.3 Polymerfolien
Polyäthylen zeigt seiner einfachen Struktur nach - im wesentlichen lange Zickzackketten
von CH2-Gruppen - ein relativ einfaches Ultrarotspektrum (siehe z. B. Zbinden, Seite
80, 110, 146, 99).
Aus der Frequenzlage der Banden bei 2900 cm-1 (Valenzschwingung) und 1460 cm-1
(Deformationsschwingung) und den daraus resultierenden Anregungsenergien berechnen
Sie die Valenz- und Defor mationskraftkonstanten mit Hilfe der in M.W. Wolkenstein
angegebenen Auswerteformeln. Was wird dabei vernachlässigt? Wie können Sie aus den
erhaltenen Spektren den Brechungsindex berechnen?
4.4 Literatur
-
Hellwege
- Einführung in die Physik der Moleküle
-
W. Brügel
- Einführung in die Ultrarotspektroskopie
-
H.A. Stuart
- Molekülstruktur
-
R. Zbinden
- Infrared Spectroscopy of High Polymers
-
Szymanski
- Theory and Practice of Infrared Spectroscopy
-
Szymanski
- Infrared Handbook
-
F.F. Bentley et al.
- Infrared Spectra and Characteristic Frequencies
-
M.W. Wolkenstein
- Struktur und physikalische Eigenschaften
-
H. Günzler, H. Böck
- Infrarotspektroskopie
-
H.W. Kroto
- Molecular Rotational Spectra
-
P.J. Flory
- Principals of Polymer Chemistry
-
Ch. Tanford
- Physical Chemistry of Macromolecules
4.5 Hinweise
- Das IR-Spektrometer darf nur durch den Assistenten eingeschaltet werden.
- Die NaCl-Einkristallfenster sind mit großer Sorgfalt zu behandeln - sie
brechen leicht und sind ziemlich teuer-.
- Die Fenster sind stark hygroskopisch und deshalb nur im Exsikkator auf
zubewahren.
- Blockschaltbilder und Daten des IR-Gerätes werden auf besonderen
Beiblättern ausgegeben.
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