IR-Spektroskopie für Anwender

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1 IR-Spektroskopie für Anwender Wolfgang Gottwald Gerhard Wächter WILEY-VCH Weinheim Berlin New York Chichester Brisbane Singapore Toronto

2 Inhaltsverzeichnis 1 Anwendungsmöglichkeiten der IR-Spektroskopie Entwicklung der Infrarotspektroskopie IR-Spektroskopie-Anwendungen 2 2 IR-Absorption und das Molekül Elektromagnetische Strahlung Schwingungsverhalten von zweiatomigen Molekülen Die Schwingung vielatomiger Moleküle Bezeichnung der Normalschwingungen Literatur Das IR-Spektrometer 29 Infrarot-Strahlungsquellen 31 Optik und Spektralapparat 31 Optischer Aufbau eines dispersiven IR-Systems 33 Das Zweistrahl-System 33 Erzeugung monochromatischer IR-Strahlung 35 Fourier-Transform-IR-Spektrometer 37 Prinzip der FTIR-Spektrometrie 38 Das Prinzip der Fourier-Transformation 41 FTIR-typische Operationen bei der Spektrenberechnung 43 Vorteile der FTIR-Technik 45 IR-Detektoren 47 Thermische Detektoren 47 Quantendetektoren 48 Vom Strahlungsempfänger zum Spektrum 48 Literatur 49

3 VIII Inhaltsverzeichnis 4 Das IR-Spektrum und seine Bearbeitung Graphische Spektrendarstellung Spektrentypen nach Ordinatendarstellung Unterschiedliche Abszissen wähl Digitale Spektrendarstellung Spektrenqualität und Gerätetechnik Systemabhängige Spektreneigenschaften Einfluß der Geräteparameterwahl auf das Spektrum Rechnerische Spektrenbearbeitung Grundlage rechnerischer Spektrenbearbeitung Korrigierende Spektrendarstellung Basiskorrektur Basislinienkorrektur Ordinatendehnung und Spektrennormierung" Spektrenglättung Kontrastverstärkung Differenzspektrometrie Bearbeitung von Reflexionsspektren Korrektur von ATR-Spektren Kubelka-Munk-Transformation Kramers-Kronig-Transformation Literatur 71 5 Geräteeinstellungen zur IR-Spektrenaufnahme 5.1 Parameterwahl bei Dispersiv-Spektrometern Die Wahl des Spaltprogrammes Verstärkungseinstellung Einstellung der Dämpfung Wahl der Registriergeschwindigkeit Weitere Einstellungen Parameterwahl bei FTIR-Spektrometem Die Auflösung Die Apodisation Die Meßzeit Weitergehende Optionen Literatur 81

4 Inhaltsverzeichnis IX 6 Probenvorbereitung zur Aufnahme von IR-Spektren Standardpräparation von Feststoffen KBr-Preßtechnik Prinzip Makro-Preßtechnik Halb-Mikro-Preßtechnik Mikro-Preßtechnik Suspensionstechnik Prinzip Probenpräparation Herstellen von Filmen Filme aus Lösung Filme aus Granulat Präparation von flüssigen Proben Fenstermaterialien Wahl der Schichtdicke Schichtdickenbestimmung Abgedichtete Küvetten Arbeiten mit abgedichteten Küvetten Reinigen und Aufbewahren der abgedichteten Küvette Zerlegbare Küvetten Arbeiten mit zerlegbaren Küvetten Reinigen der zerlegbaren Küvette Die variable Küvette Schichtdickeneinstellung Reinigen einer variablen Küvette Flüssigprobenpräparation im Mikrobereich Aufbau einer Ultra-Mikro-FIüssigkeitsküvette Die Ultra-Mikro-Flüssigkeitsküvette im Einsatz Spektrenaufnahme bei Verwendung einer Ultra-Mikro- Flüssigkeitsküvette Spektrenaufnahme mit Hilfe eines dispersiven IR-Spektrometers Spektrenaufnahme mit Hilfe eines FTIR-Spektrometers Lösungen und Kompensation von Lösungsmitteln Präparation und Registrieren gasförmiger Proben Gasphasenspektren Präparation von Gasproben 123

5 X Inhaltsverzeichnis Küvettentypen und ihre Verwendung Fenstermaterialien bei Gasküvetten Interne Küvettenbeschichtung Füllen von Gasküvetten Parameterwahl bei der Gasanalyse Registrieren von Gasspektren mit dispersiven IR-Spektrometern Registrieren von Gasspektren mit einem FTIR-Spektrometer Druck-Effekte bei der Gasanalyse Reflexionstechniken Grundlagen der Reflexionsspektrometrie Arten der Reflexion Methoden der äußeren Reflexion Reflexions-Absorptions-Spektroskopie Reguläre (gerichtete) Reflexions-Spektroskopie Zubehör und Aufnahmetechnik bei der gerichteten Reflexion Diffuse Reflexion Anwendungen der diffusen Reflexion Zubehör für die diffuse Reflexion Probenpräparation Spektrenaufnahme Innere Reflexion ATR- oder MIR-Technik Aufbau und Einsatz von FMIR-Einheiten mit vertikaler Kristallanordnung Aufbau und Einsatz von FMIR-Einheiten mit horizontaler Kristallanordnung Spektrenaufnahme mit ATR- bzw. FMIR-Einheiten Reinigen und Pflege der Kristalle Literatur Qualitative Auswertung und Interpretation von IR-Spektren Erster Überblick im Spektrum Spektroskopische Daten von Alkanen, Alkenen, Alkinen und Aromaten (Gerüstaufklärung) Spektroskopische Daten von Sauerstoff Verbindungen (Alkohole, Ether etc., außer Carbonylverbindungen) 177

6 Inhaltsverzeichnis XI 7.4 Spektroskopische Daten von CarbonylVerbindungen Spektroskopische Daten von Halogenverbindungen Spektroskopische Daten von Stickstoffverbindungen (ohne N-O-Bindung) Spektroskopische Daten von Stickstoffverbindungen (mit N-O-Bindung) Spektroskopische Daten von Phosphorverbindungen Spektroskopische Daten von Schwefelverbindungen Bandenverschiebungen im IR-Spektrum B andenverschiebung durch das Lösemittel oder Einbettungsmittel Bandenverschiebung durch die Molekülstruktur der Probensubstanz Übungsbeispiele Übungsbeispiel Übungsbeispiel Übungsbeispiel Literatur Quantifizierende IR-Spektroskopie Theoretische Grundlagen Methodenentwicklung Literatur Fehlererkennung und Fehlervermeidung in der IR-Spektrometrie Fehlerarten und ihre Auswirkung auf das Ergebnis Statistische Verfahren zur Fehlerbeschreibung Standardabweichung und Varianz Statistische Prozeßkontrolle (SPC) Validierung eines IR-Spektrometers Überprüfung der Abszissenwiedergabe Überprüfung der Ordinatenangaben Überprüfung des Signal/Rausch-Verhältnisses Weitere Tests zur Überprüfung der Spektrometereigenschaften Fehlererkennung anhand von IR-Spektren Literatur 263

7 XII Inhaltsverzeichnis 10 Praktikum der IR-Spektroskopie Umgang mit Küvettenfenstem und Einbettungsmaterialien Systemtest: Kalibrierung des Gerätes Wellenzahlkontrolle Überprüfung des Ordinatenwertes Überprüfung des Geräterauschens Überprüfung der 100 % T-Linie Qualitative Untersuchung von Folienmaterialien Versuch: Schichtdickenbestimmung einer leeren Küvette Prinzip Durchführung und Auswertung Versuch: Identifizierung von funktionellen Gruppen bei organischen Lösemitteln Durchführung Auswertung Versuch: IR-Spektren von Acetanilid und Abkömmlinge mit Hilfe der KBr-Technik Durchführung Versuch: IR-Spektren von Benzoesäure mit Hilfe der Suspensions-Technik Durchführung Quantitative IR-Spektroskopie von Aceton in einem Farbverdünner Prinzip Herstellung der Lösungen Messung Auswertung Ausblick Untersuchung von Speiseöl Untersuchung des Atmungsprozesses eines Apfels Verfolgung der Reaktion Cyclohexanol mit Phosphorsäure Verfolgung der Oxidation von Cyclohexanol 281

8 Inhaltsverzeichnis XIII 11 Anhang R-Sätze S-Sätze Gefahrensymbole Entsorgung von Chemikalien 285 S ach Wortregister 287