Spektroskopie. im IR- und UV/VIS-Bereich. Schwingungen.

Transkript

1 Spektroskopie im IR- und UV/VIS-Bereich Schwingungen Dr. Thomas Schmid HCI D323

2 Resonanzschwingungen XWZ8

3 Resonanzschwingungen Schwingungen einer Brücke, Gitarrensaite...

4 Resonanzschwingungen Obertonreihe des C-Alphorns Länge: 2.45 m Grundton: C (66 Hz) Nur die Anregung einer dieser Resonanzfrequenzen ergibt einen stabilen Ton.

5 Schwingungen Federkraft: Komprimierte Feder Gleichgewichtsabstand r 0 Gestreckte Feder F = -k Δr k... Federkonstante / Kraftkonstante r... Auslenkung Δr = r - r 0 r 0... Gleichgewichtsabstand

6 Resonanzschwingungen Eine Resonanzschwingung wird beeinflusst von: Kraftkonstante k z.b. Material einer Brücke oder eines Alphorns, Spannung einer Gitarrensaite Federkonstante Kraftkonstante einer chemischen Bindung Auslenkung / Länge r z.b. Länge einer Brücke, Gitarrensaite oder eines Alphorns Auslenkung / Gleichgewichtsabstand einer Feder Bindungslänge einer chemischen Bindung (Gleichgewichtsabstand) Abhängig von diesen Eigenschaften sind nur bestimmte, definierte Resonanzfrequenzen möglich. Zu jeder Grundschwingung existieren auch Obertöne / Oberschwingungen.

7 Molekülschwingungen Moleküle führen Schwingungen aus, an denen alle Atome beteiligt sind. Es gibt aber auch Schwingungen, die sich fast ausschliesslich einer chem. Bindung zuordnen lassen (auch wenn benachbarte Atome leicht mitschwingen). Man spricht hier von charakteristischen Gruppenfrequenzen. Bei Vorhandensein einer C=O Streckschwingungsbande im typischen Frequenzbereich im IR-Spektrum kann man auf eine Carbonylgruppe im Molekül schliessen. Da die benachbarten Atome mitschwingen, hat die chemische Umgebung einen Einfluss auf die Frequenz, weshalb man für eine Gruppenfrequenz allgemein nur einen bestimmten Bereich angeben kann (siehe Tabellen).

8 Streckschwingungen (Valenzschwingungen) Symmetrische Streckschwingung (symm. Valenzschwingung) symmetrical stretching ν s Bei CH 2 : ~2850 cm -1 Antisymmetrische Streckschwingung (antisymm. Valenzschwingung) antisymmetrical stretching ν as Bei CH 2 : ~2930 cm -1 ν antisymmetrisch > ν symmetrisch Schwingungen entlang von Bindungsachsen Dehnung oder Stauchung von Bindungen

9 Deformationsschwingungen / Biegeschwigungen in der Ebene (in plane bending / deformation modes) Schaukel-/Pendelschwingung rocking γ Bei CH 2 : ~720 cm -1 Scherschwingung scissoring δ ip Bei CH 2 : ~1465 cm -1 ν Streckschwingungen > ν Biegeschwingungen Deformation von Bindungen in der Ebene zwischen den Bindungen

10 Deformationsschwingungen / Biegeschwigungen aus der Ebene (out of plane bending / deformation modes) Dreh-/Drillschwingung twisting δ oop Bei CH 2 : cm -1 Wipp-/Kippschwingung wagging δ oop Bei CH 2 : cm -1 ν Streckschwingungen > ν Biegeschwingungen Deformation von Bindungen senkrecht zur Ebene zwischen den Bindungen

11 lassen sich vereinfacht mit der Theorie des harmonischen Oszillators und dem Federmodell beschreiben. r 0 Federkraft: F = -k Δr Δr = r - r 0 Potentielle Energie: E = 1 2 k!r 2

12 Schwingungsfrequenz eines harmonischen Oszillators:! = 1 2" k µ = 1 2" k # $ % m 1 m 2 & ' ( Reduzierte Masse: 1 µ = 1 m m 2 ; µ = m 1! m 2 m 1 + m 2 Aus der Quantenmechanik ergibt sich, dass die Energie einer Molekülschwingung nur bestimmte Werte annehmen kann: " E v = h! v + 1 % # $ 2& ' ; v = 0, 1, 2,... v... Schwingungsquantenzahl!E v = h" harm.osz.

13 Schwingungsniveaus des harm. Oszillators: Absorption eines IR-Photons:!E v = h" harm.osz.!e = h" Photon Schwingungsfrequenz des harm. Oszillators Frequenz des IR-Photons Ein IR-Photon wird dann absorbiert, wenn seine Frequenz mit der einer Molekülschwingung übereinstimmt (Δv = 1) oder ein ganzzahliges Vielfaches davon ist (Δv = 2, 3,...). Auswahlregel harmonischer Oszillator: Nur Δv = ± 1 erlaubt.

14 Die meisten chemischen Bindungen sind anharmonische Oszillatoren Auswahlregel anharmonischer Oszillator: Δv = ± 1, 2, 3,... erlaubt d.h. auch Obertöne lassen sich anregen

15 Structure and Bonding Molecular vibrations IR