Teil 1: Spektroskopie · Kapitel 4 · Infrarotspektroskopie

Infrarotspektroskopie

IR-Aufgaben fragen häufig nach Aktivitätsregel, Achsen, Bandeninterpretation, Geräteaufbau, Probenmaterialien und Einheitenumrechnung.

Originalseite aus Schrader Beispielaufgaben mit IR-Spektrum zu Ethoxy-Essigsäure

Originalaufgabe aus den Schrader-Beispielaufgaben. Nutze sie wie in der Klausur: erst Spektrumstyp und Achsen, dann funktionelle Gruppen, dann Rechnung.

Grundprinzip

IR-Strahlung regt Molekülschwingungen und Rotationen an. Eine Schwingung ist IR-aktiv, wenn sich während der Schwingung das elektrische Dipolmoment ändert. Symmetrische Schwingungen ohne Dipolmomentänderung sind IR-inaktiv oder sehr schwach.

Freiheitsgrade:

Z=3N-6

für nichtlineare Moleküle und

Z=3N-5

für lineare Moleküle. CO₂ ist linear: (Z=3\cdot3-5=4). Die symmetrische Streckschwingung ist IR-inaktiv, die asymmetrische Streckung und Deformationsschwingungen sind IR-aktiv.

Bereiche

Bereich	Wellenlänge	Bedeutung
NIR	0,7-2,5 µm	Ober- und Kombinationsschwingungen, oft quantitative Prozessanalytik
MIR	2,5-50 µm	Grundschwingungen, klassische funktionelle Gruppen
FIR	50-1000 µm	Rotationen, niedrige Schwingungsenergien

Die Achse im IR-Spektrum ist meist Wellenzahl in cm⁻¹. Hohe Wellenzahl bedeutet hohe Energie und kurze Wellenlänge.

\lambda[\mu m]=\frac{10^4}{\tilde\nu[cm^{-1}]}

Beispiel: 2400 cm⁻¹ entspricht (10^4/2400=4,17) µm.

Schwingungsmodell

Das Feder-Masse-Modell erklärt Trends:

\nu_0=\frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{D}{\mu}}

mit Kraftkonstante (D) und reduzierter Masse

\mu=\frac{m_1m_2}{m_1+m_2}

Stärkere Bindung und kleinere reduzierte Masse führen zu höherer Frequenz. Deshalb liegen X-H-Streckschwingungen hoch, schwere Atome niedriger. Reale Bindungen sind anharmonisch: Obertöne und Kombinationsschwingungen werden möglich, besonders im NIR.

Typische IR-Banden

Bereich	Typische Zuordnung	Klausurhinweis
3600-3200 cm⁻¹	O-H, N-H	oft breit bei H-Brücken
ca. 3000 cm⁻¹	C-H	oberhalb 3000 eher =C-H/aromatisch, darunter aliphatisch
2300-2400 cm⁻¹	CO₂	atmosphärische Störung möglich
1800-1650 cm⁻¹	C=O	meist stark, diagnostisch wichtig
1600-1500 cm⁻¹	C=C, Aromaten, Amid II	mit Kontext interpretieren
unter 1500 cm⁻¹	Fingerprint	Mustervergleich, nicht jede Bande einzeln deuten

Klausurfalle: Nie aus einer einzigen Bande eine Struktur “beweisen”. Besser: “Die starke Bande um … spricht für …, zusätzlich passt/nicht passt …”.

FT-IR

Originalfolie zum FT-IR-Messaufbau

Im FT-IR wird nicht jede Wellenlänge nacheinander gemessen. Ein Michelson-Interferometer erzeugt ein Interferogramm, das per Fourier-Transformation in ein Spektrum überführt wird. Ein Laser dient dabei typisch als Referenz für die Spiegelbewegung bzw. Wellenzahlachse.

Wichtige Bauteile:

IR-Quelle;
Strahlteiler und beweglicher Spiegel im Interferometer;
Probenraum;
IR-Detektor;
Rechner für Fourier-Transformation und Spektrum.

Vorteile: hoher Lichtdurchsatz, schnelle Messung, gute Wellenzahlgenauigkeit, Mittelung vieler Scans möglich. Wie bei anderen Methoden verbessert Mittelung das Signal/Rausch-Verhältnis nur ungefähr mit (\sqrt n).

Proben Und Materialien

Im mittleren IR ist normales Glas ungeeignet, weil es selbst absorbiert. Daher nutzt man Materialien wie KBr, NaCl, CaF₂ oder spezielle Kristalle. Wasser ist ebenfalls problematisch, weil es starke IR-Banden hat und manche Salzfenster angreift.

Klassische Probenpräparation:

KBr-Pressling für Feststoffe;
Film oder Lösung zwischen IR-Fenstern;
Gaszelle für Gase;
ATR für schnelle Oberflächen-/Feststoff-/Flüssigkeitsmessungen.

Originalfolie zur ATR-Messung

ATR bedeutet Attenuated Total Reflection. Der IR-Strahl wird im Kristall intern reflektiert; ein evaneszentes Feld dringt wenige Mikrometer in die Probe ein. Das ist praktisch, aber intensitäts- und matrixabhängig.

Raman Als Komplement

Raman-Spektroskopie misst inelastische Streuung. Eine Schwingung ist Raman-aktiv, wenn sich die Polarisierbarkeit ändert. Deshalb kann Raman Schwingungen zeigen, die im IR schwach oder inaktiv sind. Wasser stört Raman oft weniger stark als IR, Fluoreszenzuntergrund kann aber stark stören.

Kurzvergleich:

Methode	Aktivitätsbedingung	Stark bei
IR	Dipolmomentänderung	polare Bindungen, funktionelle Gruppen
Raman	Polarisierbarkeitsänderung	symmetrische, gut polarisierbare Bindungen

Für die Klausur reicht meist: IR und Raman liefern Schwingungsinformation, sind aber nicht identisch; die Auswahlregeln unterscheiden sich.

Abruf-Quiz

Frage 1 / 5

Eine Normalschwingung ist IR-aktiv, wenn sich während der Schwingung das Dipolmoment ändert.