Die Infrarot-Spektroskopie gehört zu den Spektroskopiearten, die den infraroten Teil des elektromagnetischen Spektrums verwenden. Die Absorbtion der IR-Strahlung beschränkt sich auf Stoffe mit kleinen Energiedifferenzen für die Schwingungs- und Rotationszustände. Um eine Absorption zu erreichen, muss sich das Dipolmoment des Moleküls verändern.
Inhaltsverzeichnis
Theorie
Auswertung
2.1. Kohlenstoffdioxid
2.2. Lachgas
4.1. Berechnung von Bv’ und Bv’’ (von HCl)
4.2. Berechnung der Grundfrequenz v0:
4.3. Berechnung von rv’ und rv’’:
4.4. Berechnung von k:
5. Lösung der Schwingungsgleichung:
6. Intensitätsverteilung:
7. Ermittlung von und der Anharmonizitätskonstante :
8. Berechnung der Dissoziatinsenergie De und Abschätzung des Isotopeneffekts
9. Für die Schwingungen isotopischer Moleküle gilt:
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit befasst sich mit der physikalischen Analyse von Infrarot-Spektren verschiedener Moleküle, um grundlegende spektroskopische Parameter sowie strukturelle Eigenschaften zu bestimmen.
- Analyse der Schwingungsmodi von Kohlenstoffdioxid und Lachgas
- Bestimmung molekularer Rotationskonstanten und Bindungsabstände von HCl
- Berechnung der Grundfrequenz und Kraftkonstanten
- Untersuchung der Boltzmann-Niveaubesetzung und Intensitätsverteilung
- Abschätzung von Dissoziationsenergien und Isotopeneffekten
Auszug aus dem Buch
2.1. Kohlenstoffdioxid
Aufgrund innermolekularer Anziehungs- und Abstoßungskräfte unterliegt ein Molekül einer gewissen Eigenschwingung. Wenn zwei Atome eine Bindung miteinander eingehen wollen, schwingen diese aufgrund des Anziehungsverhaltens zunächst aufeinander zu. Dies geschieht solange, bis eine räumliche Nähe erreicht ist. Danach stoßen sich die Atome wieder ab. Im Bereich des optimalen Bindungsbereiches r0 pendelt sich dieses Verhalten ein.
Trifft nun ein Lichtquant auf das Kohlenstoffdioxid-Molekül, so werden seine Eigenschwingungen verstärkt. Das bedeutet, dass es in einen energetisch höheren Zustand übergeht (v=1). Es schwingt mit einer höheren Frequenz. Dieser Vorgang kann allerdings nur stattfinden, wenn die Strahlungsfrequenz der Frequenz der natürlichen Eigenschwingung entspricht.
IR-Strahlung wird beim Übergang in ein höheres Schwingungsniveau absorbiert. Das IR-Spektrum misst somit die Durchlässigkeit einer Probe für IR-Strahlung in bestimmten Frequenzbereichen.
Damit das Molekül mit dem elektromagnetischen Feld der Strahlung wechselwirken kann, benötigt es zusätzlich ein Dipolmoment. Dies ist bei CO2 nicht der Fall, da das Molekül symmetrisch aufgebaut ist und sich somit die Polaritäten aufheben. Die IR-Strahlung verstärkt die antisymmetrische Streckschwingung des CO2-Moleküls.
Zusammenfassung der Kapitel
Theorie: Vermittlung der physikalischen Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie, einschließlich der Auswahlregeln und Schwingungsmodi.
Auswertung: Praktische Analyse der IR-Spektren von CO2 und Lachgas unter Berücksichtigung ihrer molekularen Symmetrie.
2.1. Kohlenstoffdioxid: Untersuchung der Schwingungsfreiheitsgrade und der Sichtbarkeit von Absorptionsbanden zur Bestimmung der Molekülstruktur.
2.2. Lachgas: Analyse des Lachgas-Spektrums als Dipol-Molekül und Vergleich mit den Ergebnissen von Kohlenstoffdioxid.
4.1. Berechnung von Bv’ und Bv’’ (von HCl): Mathematische Bestimmung der Rotationskonstanten aus dem Gesamtspektrum von HCl.
4.2. Berechnung der Grundfrequenz v0:: Ermittlung der fundamentalen Schwingungsfrequenz unter Verwendung der berechneten Konstanten.
4.3. Berechnung von rv’ und rv’’:: Bestimmung der spezifischen Atomabstände innerhalb des Moleküls basierend auf den Rotationskonstanten.
4.4. Berechnung von k:: Berechnung der Kraftkonstante, welche die Stärke der Bindung beschreibt.
5. Lösung der Schwingungsgleichung:: Herleitung der harmonischen Schwingungsgleichung und deren mathematische Lösung.
6. Intensitätsverteilung:: Analyse der Besetzungswahrscheinlichkeiten der Rotationsniveaus mittels der Boltzmann-Verteilung.
7. Ermittlung von und der Anharmonizitätskonstante :: Berechnung der Anharmonizität, die von einer idealen harmonischen Schwingung abweicht.
8. Berechnung der Dissoziatinsenergie De und Abschätzung des Isotopeneffekts: Energetische Analyse der Bindungsfestigkeit und Vergleich verschiedener Isotope.
9. Für die Schwingungen isotopischer Moleküle gilt:: Nachweis des Isotopeneffekts durch Berechnung der reduzierten Massen.
Schlüsselwörter
Infrarot-Spektroskopie, Schwingungsspektroskopie, Molekülschwingung, Rotationskonstante, Boltzmann-Verteilung, HCl, Kohlenstoffdioxid, Dipolmoment, Anharmonizitätskonstante, Dissoziationsenergie, Isotopeneffekt, Grundfrequenz, Streckschwingung, Biegeschwingung, Wellenzahl.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit den theoretischen und experimentellen Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie zur Untersuchung von Moleküleigenschaften.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Schwerpunkte sind die molekulare Schwingungsdynamik, die Rotation von Molekülen und die thermodynamische Besetzung von Energieniveaus.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist die Bestimmung spektroskopischer Konstanten wie Bindungsabständen, Kraftkonstanten und Dissoziationsenergien aus gemessenen IR-Spektren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine quantitative Analyse von IR-Spektren durchgeführt, unterstützt durch mathematische Modellierungen der Schwingungs- und Rotationszustände.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil widmet sich der konkreten Auswertung der Spektren von CO2, Lachgas und HCl sowie der Herleitung physikalischer Parameter.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Infrarot-Spektroskopie, Rotationskonstante, Anharmonizität, Boltzmann-Verteilung und Isotopeneffekte.
Warum ist die symmetrische Streckschwingung bei CO2 nicht sichtbar?
Da das Molekül symmetrisch ist, tritt bei dieser Schwingung keine Änderung des Dipolmoments auf, was eine Voraussetzung für die IR-Aktivität ist.
Wie unterscheidet sich Lachgas von Kohlenstoffdioxid in der Spektroskopie?
Lachgas ist ein Dipol, wodurch auch seine symmetrischen Biegeschwingungen im IR-Spektrum sichtbar werden, im Gegensatz zu den Verhältnissen bei CO2.
Was zeigt die Boltzmann-Verteilung für die Niveaubesetzung?
Sie beschreibt, wie sich die Moleküle auf die verschiedenen Rotationszustände verteilen; in diesem Fall zeigt sich ein Maximum bei J=3.
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- Alexandra Tchernook (Author), 2006, Versuchsprotokoll zur Infrarotspektroskopie von Gasen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/184155
