Schwingungsspektroskopie

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.

Prüfungsrelevanz: relevant ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • 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. \(2350\,\mathrm{cm^{-1}}\).

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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.

🧮 Formelauswendig können

\[Z_{\text{gewinkelt}} = 3N-6 \qquad Z_{\text{linear}} = 3N-5\]

\(Z\): 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.

A Valenzschwingung

Auch Streckschwingung. Die Atome bewegen sich entlang der Bindungsachse, die Bindungslänge ändert sich. Braucht mehr Energie, liegt bei höheren Wellenzahlen.

B Deformationsschwingung

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.

Zwei CH2-Gruppen: links Pfeile entlang der C–H-Bindungen, rechts Pfeile senkrecht zu den Bindungen, die den H–C–H-Winkel verändern.

Valenzschwingungen ändern die Bindungslänge, Deformationsschwingungen den Winkel und liegen bei kleineren Wellenzahlen.

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.

Zwei NH2-Gruppen mit Pfeilen: links beide H-Atome nach außen, rechts ein H nach außen und eines nach innen.

Symmetrische und asymmetrische N–H-Valenzschwingung einer primären Aminogruppe.

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.

🎯 Examensrelevant: Auswahlregel der IR-Aktivität

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.

  1. Pfeile lesen: Ändert sich eine Bindungslänge (Valenz) oder ein Winkel (Deformation)?
  2. Symmetrie prüfen: Bleibt ein Symmetriezentrum während der Schwingung erhalten?
  3. 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.

Drei Strukturformeln von Ethen mit Bewegungspfeilen an C- und H-Atomen, darunter jeweils IR-aktiv oder IR-inaktiv.

Ethen: Die symmetrische C=C-Streckung erhält das Symmetriezentrum und ist IR-inaktiv, die beiden anderen Schwingungen 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 \(667\,\mathrm{cm^{-1}}\).

Drei lineare O=C=O-Moleküle mit Pfeilen: bei der symmetrischen Valenzschwingung O-Atome nach außen, bei der asymmetrischen beide O nach rechts und C nach links, bei der Deformation O-Atome nach oben und C nach unten.

Normalschwingungen von \(\ce{CO2}\): Nur die asymmetrische Valenz- und die Deformationsschwingung ändern das Dipolmoment.
⚠️ Achtung: Herkunft der CO2-Bande

Die intensive Bande bei ca. \(2350\,\mathrm{cm^{-1}}\) stammt von der asymmetrischen Valenzschwingung. Die Deformation absorbiert als Biegung bei viel kleinerer Wellenzahl.

Quiz

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richtig oder falsch iWarum nur Aussagen? Fragen mit fünf Antworten löst man am sichersten, indem man jede Aussage einzeln bewertet: ✓✓ sicher richtig, ✓ eher richtig, 0 unsicher, ✗ eher falsch, ✗✗ sicher falsch. Mit dem Ausschlussprinzip ergibt sich daraus die Lösung. Dieses einzelne Bewerten ist der wichtigste Handgriff fürs Examen, und genau den übst du hier.

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 \(667\,\mathrm{cm^{-1}}\).

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