IR-Spektroskopie (mittleres Infrarot) umfaßt die Spektralbereiche der elektromagnetischen Strahlung
| 400...4000 cm-1 | |
| 25...2,5 µm | |
| 12...120 THz | |
| 50...500 meV |
Voraussetzung für die IR-Anregung ist, daß sich dabei das dynamische Dipolmoment der anzuregenden Schwingung ändert. Dies sei anhand der Anregung einer Methylengruppe dargestellt:
Die Methylengruppe kann symmetrische und antisymmetrische Schwingungen ausführen. Im Bild oben ist die symmetrische Streckschwingung als Beispiel dargestellt. Durch unterschiedliche Elektronenaffinitäten der C und der H-Atome besitzt die CH-Bindung (die Ladungsverteilung der Bindungsorbitale) einen leicht polaren Anteil in der kovalenten Bindung. Die Methylengruppe besitzt ein Dipolmoment, das aus der winkelhalbierenden Gerade des HCH-Winkels liegt. Würde sich die Methylengruppe komplett in Ruhe befinden, so wäre diese Dipolmoment statisch vorhanden und würde sich nicht &ändern. Es würde "dynamisch" ruhen
Schwingen nun beide H-Moleküle synchron in der Bindungslänge, so ändert sich während der Schwingung das Dipolmoment (in Bild unten rot) ständig.
Dieses veränderliche Dipolmoment läßt sich auch ausdrücken als ein mittleres Dipolmoment (nicht dargestellt) und der Abweichung (im Bild blau) des Dipolmoments von seinem Mittelwert. Die Abweichung - das dynamische Dipolmoment - muß sich wärend einer Schwingungsanregung ändern. Nur so lassen sich Schwingungen mit Hilfe von IR-Licht anregen bzw. verändern.
Zu Beachten ist, daß ein dynamisches Dipolmoment vor der Schwingungsanregung vorhanden seien kann, aber nicht muß. Es ist auch ausreichend, wenn durch die Anregung ein Dipolmoment entsteht. Beispielsweise besitzt CO2 kein statisches Dipolmoment. Es kann aber mit IR-Licht zu asymmetrischen Bindungsschwingungen (die O schwingen gegenläufig zum C) oder Deformationsschwingungen (Schwingungen im O-C-O Winkel) angeregt werden.
Schwingungen betreffen streng genommen immer ein Molekül als Ganzes. In guter Näherung lassen sich jedoch viele Schwingungen eines Moleküls isoliert betrachten. Im Methylen-Beispiel oben bewegt such das Kohlenstoffatom nicht, was streng genommen nicht korrekt ist. Die Methylengruppe schwingt genau so, daß der Schwerpunkt aller drei Atome in Ruhe bleibt, d. h. bewegen sich die beiden H-Atome aus das C zu, so bewegt sich auch das C ein wenig auf die H zu. Da die H-Atome aber wesentlich leichter sind, als die C-Atome, bewegt sich das C-Atom viel weniger. Es befindet sich annähernd in Ruhe.
Die Schwingungsamplitude der einzelnen Moleküle ist indirekt proportional zu ihrer Masse. Schwere Atome schwingen schwächer, als leichte. Gleichzeitig schwingen schwere Atome langsamer als leichte, was in der Massenträgheit begründet liegt. Die Frequenz der Schwingungen in beispielsweise einer Alkankette lassen sich so in verschiedene Bereiche unterteilen: Die H-Atome der einzelnen Methylengruppe schwingen viel schneller, als die Methylengruppen gegeneinander (Deformationsschwingungen im C-C-C Winkel). Man kann diese verschiedene Schwingungen in Näherung einzeln betrachten. Diese Überlegungen gelten ebenso für die Schwingungsübergänge, die durch die IR-Strahlung angeregt werden. Die Abstraktion auf einzelne Molekülgruppen führt zum Konzept der Gruppenfrequenzen.
Vielen funktionelle Gruppen besitzen charakteristische Absorptionsfrequenzen bzw. -wellenzahlen. Diese sind annähernd konstant und nur wenig von ihrer chemischen Umgebung im Molekül abhängig. Gleichwohl - und das ist die Näherung - verschieben (Shift) die in in deren Abhängigkeit um einen geringen Wert. So liegt beispielsweise die Absorption der C=O Doppelbindung Carbonylgruppe (-C0OH) bei 1705 cm-1, wobei sie je nach Umgebung im Bereich 1680...1760 cm-1 liegen kann.
Innerhalb der einzelnen Schwingungsgruppen lassen sich die einzelnen Absorptionsbanden bestimmten Schwingungsübergängen zuordnen. In einem Alkan gibt es die Methylengruppen, die z.B. symmetrische und asymmetrische Streckschwingungen beschreiben. Entsprechend ordnen sich die dynamischen Dipolmomente (im Bild blau) zu.
Weiter Schwingungen der CH2-Gruppe sind:
Anhand der über den Index erreichbaren IRRAS-Methode lassen sich die Dipolmomente einzeln quantitativ messen und sich daraus die Anordnung der Moleküle auf Oberflächen bestimmen.
In der IR-Literatur ist die Bezeichnung der einzelnen Schwingungen mit Symbolen üblich. Einzelne Schwingungsbezeichnung wurden im Text bereits bekannt gemacht. Nachfolgend erscheint eine Tabelle mit den Bezeichnungen der wichtigsten Molekülschwingungen.
| Symbol | Bezeichnung der Schwingungsform | |
| a, b | i. p. Deformationsschwingung, allgemein | |
| G | o. o. p. Deformationsschwingung von Gerüstatomen | |
| g | o. o. p. Deformationsschwingung | |
| D | i. p. Deformationsschwingung von Gerüstatomen | |
| d | i. p. Deformationsschwingung einer X-H-Bindung | |
| ds | symmetrische Deformationsschwingung (bending) | |
| das | asymmetrische Deformationsschwingung (bending) | |
| d' | Deformationsschwingung (twisting, rocking) | |
| k | o. o. p. wagging Schwingung einer XH2-Gruppe (X ¹ C) | |
| r | rocking Schwingung | |
| rb | i. p. rocking Schwingung | |
| rg | o. o. p. rocking Schwingung | |
| r | i. p. rocking Schwingung einer XH2-Gruppe (X ¹ C) | |
| n | Streckschwingung einer X-H-Bindung | |
| ns | symmetrische Streckschwingung | |
| nas | asymmetrische Streckschwingung | |
| nb | i. p. Streckschwingung | |
| ng | o. o. p. Streckschwingung | |
| t | twisting Schwingung | |
| t | Torsion, twisting Schwingung einer XH2-Gruppe (X ¹ C) | |
| F | o. o. p. Ring-Deformationsschwingung | |
| w | wagging Schwingung | |
| w | Streckschwingung von Gerüstatomen ohne H-Bindung |
| Atkins | Physikalische Chemie, VCH, Weinheim, 1998 |
| Günzler, Heise | IR-Spektroskopie - Eine Einführung, VCH, Weinheim, 1996 |
| Griffith, de Haseth | Fourier Transfom Infrared Spectroscopy, John Wiley & Sons, New York, 1986 |
| Williams, Fleming | Strukturaufklärung in der organischen Chemie, , Thieme Verlag, Stuttgart, 1991 |
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