IR-Absorption und infrarote Spektralbereiche
IR-Spektroskopie als Absorptionsverfahren: welche Molekülbewegungen IR-Strahlung anregt und wie sich nahes, mittleres und fernes Infrarot abgrenzen.
Das Wichtigste in Kürze
- Die IR-Spektroskopie ist ein Absorptionsverfahren, das Molekülschwingungen und -rotationen über die aufgenommene Infrarotstrahlung erfasst.
- IR-Strahlung regt Schwingungen und Rotationen an, aber keine elektronischen Übergänge; MIR ist zu energiearm für chemische Reaktionen.
- Bereiche: NIR 0,8 bis 2,5 µm, MIR 4000 bis 400 \(\mathrm{cm^{-1}}\) (2,5 bis 25 µm), FIR bis 500 µm (200 bis 20 \(\mathrm{cm^{-1}}\) gehören sicher dazu).
- Kürzere Wellenlänge bedeutet höhere Wellenzahl und Energie: NIR ist energiereicher als MIR; übliche Spektrometer arbeiten von etwa 0,8 bis 50 µm.
- Quantitative IR-Spektroskopie beruht auf dem Lambert-Beer-Gesetz.
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Worum es geht
Die IR-Spektroskopie misst, welche Infrarotstrahlung ein Molekül aufnimmt, und macht so seine Schwingungen sichtbar. Sie gehört zu den Standardverfahren der Identitätsprüfung von Arzneistoffen. Grundlage dafür sind die angeregten Vorgänge und die drei IR-Bereiche.
Prinzip der IR-Spektroskopie
Infrarotstrahlung schließt sich im elektromagnetischen Spektrum langwellig an das sichtbare Licht an. Sie reicht bis zu den Mikrowellen. Im IR gibt man statt der Wellenlänge \(\lambda\) meist die Wellenzahl \(\tilde{\nu} = 1/\lambda\) in \(\mathrm{cm^{-1}}\) an. Sie ist der Energie direkt proportional.
Ein IR-Spektrum trägt die Transmission in Prozent gegen die Wellenzahl auf. Die Achse läuft meist von 4000 \(\mathrm{cm^{-1}}\) links bis 400 \(\mathrm{cm^{-1}}\) rechts. Wo die Probe Strahlung schluckt, sinkt die Transmission. Die Banden zeigen deshalb nach unten.
Absorption statt Emission
Die IR-Spektroskopie ist ein Absorptionsverfahren. Gemessen wird, wie viel der eingestrahlten Strahlung die Probe aufnimmt. Anders als bei Emissionsverfahren sendet die Probe selbst keine Strahlung aus. Auch die Raman-Spektroskopie liefert Schwingungsinformation, wertet aber gestreutes Licht aus.
Angeregte Vorgänge
Ein IR-Photon versetzt Moleküle in Schwingung. Bindungen dehnen und biegen sich, symmetrisch wie antisymmetrisch (mehr bei den Schwingungsformen). Reine Rotationen des ganzen Moleküls brauchen noch weniger Energie. Sie liegen im fernen IR und bei den Mikrowellen.
Elektronisch angeregte Zustände entstehen nicht, denn dafür braucht es UV- oder sichtbares Licht. Für chemische Reaktionen ist MIR-Strahlung zu energiearm. Eine Probe decarboxyliert oder cyclisiert im Messstrahl also nicht. Sonnenlicht enthält einen IR-Anteil und kann deshalb ebenfalls Schwingungen und Rotationen anregen.
NIR, MIR und FIR
Das Infrarot reicht insgesamt von etwa 800 nm bis 500 µm. Man teilt es in drei Bereiche:
| Bereich | Wellenlänge | Wellenzahl |
|---|---|---|
| Nahes IR (NIR) | 0,8 bis 2,5 µm | 12500 bis 4000 \(\mathrm{cm^{-1}}\) |
| Mittleres IR (MIR) | 2,5 bis 25 µm | 4000 bis 400 \(\mathrm{cm^{-1}}\) |
| Fernes IR (FIR) | 25 bis 500 µm | 400 bis 20 \(\mathrm{cm^{-1}}\) |
Manche Lehrbücher ziehen die Grenze zwischen MIR und FIR erst bei 200 \(\mathrm{cm^{-1}}\) (50 µm). Dann umfasst das MIR 4000 bis 200 \(\mathrm{cm^{-1}}\) und das FIR 50 bis 500 µm. Der Bereich von 200 bis 20 \(\mathrm{cm^{-1}}\) gehört in beiden Fassungen zum FIR.
Je kürzer die Wellenlänge, desto größer sind Wellenzahl und Energie. Das NIR liegt dem sichtbaren Licht am nächsten und ist daher energiereicher als das MIR. Übliche IR-Spektrometer arbeiten von etwa 0,8 bis 50 µm. Die Messtechnik im NIR hat eine eigene Einheit.
Die Bereichsgrenzen werden im Examen gerne gefragt: MIR 4000 bis 400 \(\mathrm{cm^{-1}}\) entspricht 2,5 bis 25 µm. Umrechnen kannst du mit \(\lambda\,[\mu\mathrm{m}] = 10000/\tilde{\nu}\,[\mathrm{cm^{-1}}]\), so liegen 10000 \(\mathrm{cm^{-1}}\) bei 1 µm im NIR.
Quantitative IR-Spektroskopie
IR-Banden lassen sich auch quantitativ auswerten. Grundlage ist das Lambert-Beer-Gesetz. Die Absorbanz einer Bande wächst proportional mit Konzentration \(c\) und Schichtdicke \(d\), also \(A = \varepsilon \cdot c \cdot d\).
Quiz
Aussage 1
Eine Absorption bei 10000 \(\mathrm{cm^{-1}}\) liegt im mittleren Infrarot.
10000 \(\mathrm{cm^{-1}}\) entsprechen 1 µm und liegen im nahen Infrarot; das MIR reicht nur bis 4000 \(\mathrm{cm^{-1}}\).
Aussage 2
Die Absorption von IR-Strahlung hebt Elektronen in angeregte elektronische Zustände.
IR-Strahlung regt nur Schwingungen und Rotationen an; elektronische Anregung erfordert UV- oder sichtbares Licht.
Aussage 3
Strahlung des nahen Infrarots ist energiereicher als Strahlung des mittleren Infrarots.
Das NIR hat kürzere Wellenlängen und höhere Wellenzahlen als das MIR, daher mehr Energie je Photon.
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