Schwingungsformen, Normalschwingungen und IR-Aktivität
Welche Schwingungen ein Molekül ausführen kann, wie viele es sind und warum nur ein Teil davon im IR-Spektrum als Bande erscheint.
Das Wichtigste in Kürze
- Eine Normalschwingung ist eine unabhängige Molekülschwingung; lineare Moleküle haben \(3N-5\), gewinkelte \(3N-6\) davon (\(\ce{CO2}\): 4, \(\ce{SO2}\): 3).
- Valenzschwingungen ändern die Bindungslänge und liegen bei höheren Wellenzahlen als Deformationsschwingungen, die den Winkel ändern; \(\ce{HCl}\) hat keine Deformationsschwingung.
- \(\ce{NH2}\), \(\ce{NO2}\), \(\ce{SO2}\)-Gruppen und C–O–C zeigen je eine symmetrische und eine asymmetrische Valenzbande.
- IR-aktiv ist eine Schwingung nur bei Änderung des Dipolmoments; \(\ce{N2}\) und \(\ce{O2}\) absorbieren deshalb nicht.
- Die symmetrische Valenzschwingung von \(\ce{CO2}\) ist IR-inaktiv, die asymmetrische erzeugt die Bande bei ca. \(2350\,\mathrm{cm^{-1}}\).
Dieses Kapitel ist für Supporter
Relaxed ins Stex ist ein kleines, unabhängiges Projekt. Mit einem Zugang unterstützt du uns und schaltest das ganze 1. Staatsexamen frei. ❤️
Bitte bestätige zuerst deine E-Mail-Adresse
Wir haben dir einen Link geschickt. Erst mit bestätigter E-Mail-Adresse kannst du einen Zugang freischalten und nutzen.
Worum es geht
Ein IR-Spektrum zeigt, welche Molekülschwingungen Strahlung absorbieren. Bevor man Banden einzelnen Gruppen zuordnet, muss man die Schwingungsformen kennen und wissen, welche davon überhaupt sichtbar sind. Das erklärt etwa, warum Luftstickstoff nie stört, Kohlendioxid aber fast jedes Spektrum prägt.
Normalschwingungen
Ein Molekül aus \(N\) Atomen hat \(3N\) Bewegungsfreiheitsgrade, denn jedes Atom kann sich in drei Raumrichtungen bewegen. Drei davon verschieben das ganze Molekül (Translation). Weitere drei drehen es (Rotation). Ein lineares Molekül hat nur zwei Rotationen, weil die Drehung um die eigene Achse keine Atome bewegt. Der Rest sind Normalschwingungen: unabhängige Schwingungen, bei denen alle Atome mit derselben Frequenz und im Gleichtakt schwingen.
\[Z_{\text{gewinkelt}} = 3N-6 \qquad Z_{\text{linear}} = 3N-5\]
\(Z\): Zahl der Normalschwingungen, \(N\): Zahl der Atome.
Die Rechnung beginnt immer mit der Geometrie. \(\ce{CO2}\) ist linear: \(3 \cdot 3 - 5 = 4\). \(\ce{SO2}\) ist gewinkelt: \(3 \cdot 3 - 6 = 3\). Ethin \(\ce{C2H2}\) ist linear und hat damit \(3 \cdot 4 - 5 = 7\) Normalschwingungen.
Valenz- und Deformationsschwingungen
Normalschwingungen teilt man nach der Bewegungsrichtung ein.
Auch Streckschwingung. Die Atome bewegen sich entlang der Bindungsachse, die Bindungslänge ändert sich. Braucht mehr Energie, liegt bei höheren Wellenzahlen.
Die Atome bewegen sich quer zur Bindung, der Bindungswinkel ändert sich. Braucht weniger Energie, bei organischen Arzneistoffen typischerweise um \(1000\,\mathrm{cm^{-1}}\).
Eine Bindung lässt sich leichter biegen als dehnen. Deshalb absorbiert die C–H-Deformation bei kleineren Wellenzahlen als die C–H-Valenzschwingung.
Valenzschwingungen zeigt jedes Molekül mit Bindungen, also nicht nur geradkettige Alkane. Ethan und Ethen haben C–H-Valenzbanden, Ethan zusätzlich C–H-Deformationsbanden, 1,1,1-Trichlorethan eine C–C-Valenzschwingung. Sie liegen im mittleren IR und nicht nur im fernen. Ein zweiatomiges Molekül wie \(\ce{HCl}\) hat keinen Bindungswinkel und daher keine Deformationsschwingung. Gerüstschwingungen bewegen das ganze Kohlenstoffgerüst und erzeugen häufig Banden im Fingerprint-Bereich.
Symmetrische und asymmetrische Valenzschwingung
Sitzen zwei gleiche Bindungen an einem Zentralatom, koppeln ihre Valenzschwingungen. Dehnen sich beide gleichzeitig, ist die Schwingung symmetrisch. Dehnt sich eine, während die andere gestaucht wird, ist sie asymmetrisch. Die asymmetrische Form liegt meist bei höherer Wellenzahl.
Solche Gruppen liefern deshalb zwei Valenzbanden statt einer:
- \(\ce{NH2}\)-Gruppe primärer Amine: zwei N–H-Banden
- Nitrogruppe \(\ce{NO2}\)
- Sulfongruppe \(\ce{SO2}\)
- C–O–C-Gruppe von Ethern
Dipolmomentänderung als Auswahlregel
Nicht jede Normalschwingung erzeugt eine Bande. IR-Strahlung wird nur absorbiert, wenn das schwingende Molekül ein sich änderndes Dipolmoment hat. Man kann sich das wie eine Antenne vorstellen, die nur mit dem elektrischen Feld des Lichts koppelt, wenn Ladung hin und her schwingt. Solche Schwingungen heißen IR-aktiv, die übrigen IR-inaktiv.
Wird im Examen gerne gefragt: IR-aktiv ist eine Schwingung nur, wenn sich dabei das Dipolmoment des Moleküls ändert. Ein permanentes Dipolmoment ist dafür keine Bedingung, und auch lineare Moleküle wie \(\ce{CO2}\) können absorbieren.
\(\ce{N2}\) und \(\ce{O2}\) besitzen nur eine symmetrische Valenzschwingung. Ihr Dipolmoment bleibt null. Sie absorbieren daher nicht und stören IR-Messungen an Luft nicht. Ob eine Schwingung Raman-aktiv ist, entscheidet dagegen die Polarisierbarkeit.
- Pfeile lesen: Ändert sich eine Bindungslänge (Valenz) oder ein Winkel (Deformation)?
- Symmetrie prüfen: Bleibt ein Symmetriezentrum während der Schwingung erhalten?
- Urteilen: Bleibt es erhalten, ändert sich das Dipolmoment nicht, die Schwingung ist IR-inaktiv.
Bei Ethen ist die symmetrische C=C-Streckung IR-inaktiv. Die asymmetrische C–H-Streckung und die C–H-Deformation aus der Ebene verschieben Ladung und sind IR-aktiv.
Schwingungen von CO2
\(\ce{CO2}\) hat vier Normalschwingungen. Bei der symmetrischen Valenzschwingung bewegen sich beide O-Atome gleichzeitig nach außen. Das Molekül bleibt symmetrisch, das Dipolmoment null: IR-inaktiv. Bei der asymmetrischen Valenzschwingung bewegt sich das C-Atom gegen die beiden O-Atome. Dabei entsteht ein schwingender Dipol, und die Schwingung ist IR-aktiv. Dazu kommen zwei gleichwertige Deformationsschwingungen, in der Ebene und senkrecht dazu. Auch sie sind IR-aktiv und liegen bei etwa \(667\,\mathrm{cm^{-1}}\).
Die intensive Bande bei ca. \(2350\,\mathrm{cm^{-1}}\) stammt von der asymmetrischen Valenzschwingung. Die Deformation absorbiert als Biegung bei viel kleinerer Wellenzahl.
Quiz
Aussage 1
Ethin (\(\ce{C2H2}\)) besitzt als lineares Molekül 6 Normalschwingungen.
Für lineare Moleküle gilt \(3N-5\): \(3 \cdot 4 - 5 = 7\) Normalschwingungen.
Aussage 2
Die symmetrische C=C-Streckschwingung von Ethen ist IR-aktiv, weil sich dabei die Bindungslänge ändert.
Entscheidend ist die Dipolmomentänderung. Das Symmetriezentrum bleibt erhalten, das Dipolmoment ändert sich nicht, die Schwingung ist IR-inaktiv.
Aussage 3
C–H-Deformationsschwingungen absorbieren bei kleineren Wellenzahlen als C–H-Valenzschwingungen.
Das Biegen einer Bindung braucht weniger Energie als das Dehnen, daher liegen Deformationsschwingungen bei kleineren Wellenzahlen.
Aussage 4
Die intensive IR-Bande von \(\ce{CO2}\) bei ca. \(2350\,\mathrm{cm^{-1}}\) beruht auf der asymmetrischen Valenzschwingung.
Nur bei der asymmetrischen Valenzschwingung entsteht ein schwingender Dipol bei dieser hohen Wellenzahl; die Deformation liegt bei etwa \(667\,\mathrm{cm^{-1}}\).
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.