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:

1. Quantenmechanik und ihre Anwendung
2. Molekülphysik
3. Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Materie
4. Festkörperphysik, Polymerphysik

Speziell

1. Quantenmechanik des harmonischen Oszillators und des starren Rotators
2. Schwingungs- und Rotationsspektren von Gasen
3. Rotationsschwingungsspektren von 2-atomigen, 3-atomigen, linearen und gewinkelten Molekülen.
4. Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen, Dipolstrahlung, Auswahlregeln, Absorption, Lambert-Beer’sches Gesetz
5. Gitterdynamik der linearen Kette, Phononendispersion im Festkörper
6. Polymere in Lösung, Polymere als Festkörper

Meßmethodik:

1. Aufbau und Funktion eines Zweistrahl-Gitterspektral-Apparates
2. Auswertung von Spektren (Grundlinienverfahren)
3. Integrale Absorption (Linienformen)
4. Auswertung der Meßergebnisse nach Frequenzen
5. Fehlerdiskussion (ist besser als rechnen mit Literaturwerten)

4.3  Aufgaben

4.3.1  Gase

1. Messen Sie die Schwingungsspektren von CO₂ im infraroten Spektralbereich
2. 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.
3. Aus den Infrarotbanden ermittle man die Schwingungsenergie und berechne daraus die Kraftkonstanten.
4. 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

1. 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.
2. 1. Präparation der Proben: 5 Konzentrationen von PS/Lösungsmittel: c / 3/4 c / 1/2 c / 1/4 c / 1/8 c.
   2. Registrierung der Spektren des reinen Lösungsmittels und der Lösungen.
   3. 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

1. Das IR-Spektrometer darf nur durch den Assistenten eingeschaltet werden.
2. Die NaCl-Einkristallfenster sind mit großer Sorgfalt zu behandeln - sie brechen leicht und sind ziemlich teuer-.
3. Die Fenster sind stark hygroskopisch und deshalb nur im Exsikkator auf zubewahren.
4. Blockschaltbilder und Daten des IR-Gerätes werden auf besonderen Beiblättern ausgegeben.