IR-Spektroskopie

Hallo und herzlich willkommen!

Das Thema dieses Videos lautet: Infrarot-Spektroskopie, auch IR-Spektroskopie genannt.

Nach dem Video weißt du: 1. was IR-Spektroskopie ist, 2. wie sie funktioniert und 3. wo sie eingesetzt wird.

Um dieses Video zu verstehen, solltest du allerdings bereits wissen, was Spektroskopie im Allgemeinen ist und wie UV-Vis-Spektroskopie im Besonderen funktioniert. Des Weiteren ist es wichtig, dass du weißt, was das elektromagnetische Spektrum ist und außerdem, was ein Dipol ist.

Zunächst zur Frage: Was ist IR-Spektroskopie? An dieser Stelle ist es sinnvoll, sich noch einmal die Funktionsweise der UV-Vis-Spektroskopie ins Gedächtnis zu rufen. Ihr erinnert euch? Wir hatten einen durchsichtigen Probenbehälter, in dem sich die Substanz befand, die untersucht werden sollte. Der Behälter wurde dann mit elektromagnetischer Strahlung einer bestimmten Wellenlänge durchstrahlt, wobei ein Teil dieser Strahlung von der Probe absorbiert wurde und ein Teil der Strahlung die Probe durchdringen konnte. Hinter der Probe befand sich ein Detektor, der messen konnte, wie viel Strahlung die Probe durchdringen konnte, wodurch dann auch Rückschlüsse gezogen werden konnten, wie viel Strahlung von der Probe absorbiert wurde. Die Methode lief also darauf hinaus, dass die Absorption der elektromagnetischen Strahlung gemessen wurde, bei unterschiedlichen Wellenlängen, die allerdings alle innerhalb eines bestimmten Spektralbereiches lagen, und zwar dem Bereich des ultravioletten Lichtes, also des UV-Lichtes und des sichtbaren Lichtes.

Genauso funktioniert eigentlich auch die IR-Spektroskopie, mit dem einzigen Unterschied, dass Infrarotstrahlung genommen wird, anstelle von UV-Strahlung oder sichtbarem Licht. Infrarotstrahlung hat eine Wellenlänge, die ungefähr im μm-Bereich liegt und ist somit wesentlich energieärmer, als UV-Strahlung oder sichtbares Licht. Besaß das UV- bzw. auch sichtbare Licht genug Energie, um Valenzelektronen in den Atomen anzuregen, so reicht die Energie der IR-Strahlung nur dazu, Schwingungen der Moleküle auszulösen. Und das ist dann auch der Grund dafür, warum man anstelle von IR-Spektroskopie häufig von Schwingungsspektroskopie spricht.

Aber wie funktioniert das genau? Was passiert genau, wenn ein Molekül zur Schwingung angeregt wird? Das möchte ich anhand der Schwingungen des SO2-Moleküls demonstrieren. Das Schwefeldioxid-Molekül besteht aus 1 Schwefelatom und 2 Sauerstoffatomen und besitzt, aufgrund des freien Elektronenpaares am Schwefelatom, eine gewinkelte Molekülform. Dieses Molekül kann 3 verschiedene Schwingungsarten ausführen. Bei der 1. dieser Schwingungen schwingen die beiden Sauerstoffatome im Gleichtakt entlang ihrer Bindungen. Das sieht in etwa so aus. Bei der 2. Schwingung schwingen ebenfalls die beiden Sauerstoffatome entlang ihrer Bindungen, aber nicht mehr im Gleichtakt, z. B. so. Bei der 3. Schwingung deformiert sich das ganze Molekül dahingehend, dass der Bindungswinkel größer und kleiner wird, etwa so. Die 1. dieser 3 Schwingungsarten nennt man die symmetrische Streckschwingung, die 2. ist die asymmetrische Streckschwingung und die 3. ist die Beugeschwingung. Mehr Schwingungsarten als diese 3 sind beim SO2 nicht möglich.

Nun ist es aber so, dass jede dieser 3 Schwingungen eine eigene Energiemenge benötigt, um zum Laufen zu kommen. Und diese Energie liefert die eingestrahlte IR-Strahlung, und zwar in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Genau 3 Wellenlängen des IR-Bereiches werden vom SO2 absorbiert und folglich wird unser IR-Spektrum auch 3 Absorptionsmaxima enthalten, für jede Schwingungsart 1.

Nun noch ein ganz wichtiger Hinweis: Damit IR-Strahlung überhaupt absorbiert werden kann, muss eine ganz bestimmte Voraussetzung erfüllt sein. Und zwar muss sich im Verlauf der Schwingung das Dipolmoment des Moleküls ändern. Mit anderen Worten: Nur Schwingungen, bei denen sich das Dipolmoment des Moleküls ändert, ergeben ein IR-Signal. Das möchte ich mal anhand der Streckschwingungen des CO2-Moleküls demonstrieren. Auch hier haben wir eine symmetrische und eine asymmetrische Streckschwingung. Vergleicht man nun die beiden Schwingungszustände der asymmetrischen Schwingung, dann wird man feststellen, dass sie ein unterschiedliches Dipolmoment aufweisen. Das heißt, im Verlauf der Schwingung ändert sich das Dipolmoment. Wer diesen Punkt nicht versteht, möge sich bitte das entsprechende Video "Dipole" anschauen. Bei der symmetrischen Schwingung hingegen besitzen beide Schwingungszustände ein Dipolmoment von 0. Folglich kann man sagen: Das Dipolmoment ändert sich nicht. Deshalb würde die asymmetrische Schwingung in unserem IR-Spektrum als Signal auftauchen, die symmetrische Schwingung dagegen nicht.

Nun noch ein paar Worte zur Darstellung von IR-Spektren. Aus der UV-Spektroskopie wisst ihr ja bereits, dass dort das Spektrum in ein Diagramm eingetragen wurde, welches aus einer y- und einer x-Achse besteht, wobei die x-Achse die Wellenlänge bezeichnete und die y-Achse die Extinktion, das heißt, das absorbierte Licht. m Prinzip könnte man das in der IR-Spektroskopie genauso machen. Es hat sich hier aber eingebürgert, die Achsen anders zu bezeichnen, obwohl die gleichen Informationen natürlich dargestellt werden. Die y-Achse wird in der Regel mit einem großen T bezeichnet, die x-Achse mit einem kleinen ν mit einer Welle oben drauf. Das große T steht für die Transmission, das heißt, für die Intensität der durchgelassenen Strahlung, und zwar angegeben in Prozent der eingestrahlten Strahlung. Der Maximalwert liegt logischerweise bei 100%, was nichts anderes heißt, als dass 100% des Lichtes durchgelassen wurden und 0% absorbiert wurden.

ν^~ nennt man auch die Wellenzahl und es handelt sich dabei um nichts anderes, als um den Kehrwert der Wellenlänge: ν^~=1/λ. Folglich ist ihre Einheit auch das Reziproke einer Strecke, und zwar nimmt man in der Regel cm^-1. Üblicherweise verwendete Wellenzahlen liegen im Bereich von 2800-400 pro cm. Das Spektrum des vorhin als Beispiel gezeigten SO2 sieht ungefähr so aus. Jeder Peak steht hier für eine Schwingung, der linke Peak für die asymmetrische Streckschwingung, der mittlere Peak für die symmetrische Streckschwingung und der rechte Peak für die Beugeschwingung. Nun ist SO2 ja ein relativ kleines, relativ primitives Molekül. Es besteht aus wenigen Atomen und kann demzufolge auch relativ wenige Schwingungsarten ausführen.

Die IR-Spektroskopie wird aber meistens in der organischen Chemie eingesetzt, das heißt, wir haben es mit sehr viel komplizierteren Molekülen zu tun. Entsprechend kompliziert sehen dann auch die Spektren aus. Bei diesem Spektrum handelt es sich hier jetzt erst mal um ein Fantasie-Spektrum, aber es weist die typischen Merkmale auf. Man kann IR-Spektren typischerweise nämlich in 2 Bereiche einteilen. Da ist zum Einen der Bereich zwischen 2800 und ungefähr 1500 pro cm, welcher jenen Bereich bezeichnet, in dem einzelne funktionelle Gruppen typische Schwingungen ausführen. Der 2. Bereich umfasst ungefähr die Wellenzahlen 1500 bis 400 pro cm und steht für den Bereich, in dem ein komplexes organisches Molekül als Ganzes Schwingungen ausführt. Man nennt diesen Bereich üblicherweise auch den Fingerprint-Bereich, was durchaus sinnvoll ist, denn er ist so etwas wie ein typischer Fingerabdruck eines bestimmten Moleküls.

Und es ist auch naheliegend, welche Informationen man aus diesen beiden Bereichen nun ziehen kann. Anhand des 1. Bereiches kann man einzelne, im Molekül vorhandene, funktionelle Gruppen identifizieren. Das heißt, man kann auch voraussagen, um welche Stoffklasse es sich handelt, um ein Alkohol, ein Alkan oder was auch immer. Der Fingerprintbereich dagegen dient zur Identifizierung des exakten Moleküls, und zwar geschieht das in der Regel anhand von Vergleichsspektren. Wenn 2 Verbindungen im IR-Spektrum einen identischen Fingerprintbereich aufweisen, dann handelt es sich in der Regel auch um identische Moleküle. In früheren Zeiten war das Vergleichen von Fingerprintbereichen eine äußerst mühevolle Tätigkeit. Heutzutage erledigen das die Computer.

Und damit sind wir eigentlich auch schon bei der Frage: Wo wird IR-Spektroskopie überhaupt eingesetzt? Nun ja, das Haupteinsatzgebiet der IR-Spektroskopie liegt auf der Hand: Es ist die Identifizierung von Verbindungen in der organischen Chemie. Ein weiteres Gebiet ist die Verfolgung von Reaktionsverläufen. Dies geschieht so, dass man zu verschiedenen Zeitpunkten eine Probe aus dem Reaktionsgemisch entnimmt und sie dann untersucht und dann feststellen kann, ab welchem Zeitpunkt das Produkt entstanden ist, das man wünscht. Zum Beispiel spielt diese Methode bei der Prozesskontrolle in der chemischen Industrie eine äußerst wichtige Rolle. Ein weiteres, eher akademisches Einsatzgebiet der IR-Spektroskopie ist die Messung bzw. Berechnung von Bindungsstärken. Da die Schwingungen des Moleküls ja um die Bindungen herum stattfinden, kann man sich denken, dass die Energie, bei der eine Schwingung einsetzt, auch von der Bindungsstärke abhängt. Aus diesem Zusammenhang lassen sich dann viele Informationen über die Art oder Stärke einer Bindung ableiten.

So und damit wären wir auch schon am Ende dieses Videos angelangt. Wir haben darin gelernt: 1. was IR-Spektroskopie ist, 2. wie sie funktioniert, nämlich über die Anregung von Molekülschwingungen, und 3. wo sie eingesetzt wird.

Danke fürs Zuschauen. Tschüss und bis zum nächsten Mal!