Infrarotspektroskopie Theorie, Methode und Verwendung

Die Infrarotspektroskopie Es ist die Untersuchung, wie Moleküle Infrarotstrahlung absorbieren und schließlich in Wärme umwandeln.

Dieser Prozess kann auf drei Arten analysiert werden: Absorption, Emission und Reflexion. Diese Präzision macht die Infrarotspektroskopie zu einer der wichtigsten Analysetechniken, die heute Wissenschaftlern zur Verfügung stehen.

Einer der großen Vorteile der Infrarotspektroskopie ist, dass praktisch jede Probe in fast allen Zuständen untersucht werden kann.

Flüssigkeiten, Pulver, Filme, Lösungen, Pasten, Fasern, Gase und Oberflächen können mit einer sorgfältigen Auswahl der Probenahmetechnik untersucht werden. Als eine Konsequenz der verbesserten Instrumentierung wurde eine Vielzahl von neuen empfindlichen Techniken entwickelt, um zuvor nicht behandelbare Proben zu untersuchen.

Infrarotspektroskopie ist neben vielen anderen Anwendungen und Anwendungen nützlich, um den Polymerisationsgrad bei der Polymerherstellung zu messen. Änderungen der Menge oder des Charakters einer bestimmten Verbindung werden durch Messen einer bestimmten Frequenz über die Zeit ausgewertet.

Moderne Forschungsinstrumente können Infrarotmessungen über den interessierenden Bereich bis zu 32-mal pro Sekunde durchführen.

Dies kann durchgeführt werden, während gleichzeitig Messungen unter Verwendung anderer Techniken durchgeführt werden, wodurch die Beobachtungen von chemischen Reaktionen und Prozessen schneller und genauer gemacht werden.

Theorie der Infrarotspektroskopie

Ein unschätzbares Werkzeug bei der Bestimmung und Verifizierung von organischen Strukturen ist die Klasse der elektromagnetischen Strahlung (REM) mit Frequenzen zwischen 4000 und 400 cm-1 (Wellenzahlen).

Die Kategorie der EM-Strahlung wird Infrarotstrahlung (IR) genannt und ihre Anwendung auf die organische Chemie als IR-Spektroskopie bezeichnet.

Die Strahlung in dieser Region kann bei der Bestimmung der organischen Struktur verwendet werden, wobei die Tatsache ausgenutzt wird, dass sie durch interatomare Bindungen in organischen Verbindungen absorbiert wird.

Die chemischen Bindungen in verschiedenen Umgebungen absorbieren variable Intensitäten und variable Frequenzen. Daher werden bei der IR-Spektroskopie die Absorptionsinformationen gesammelt und in Form eines Spektrums analysiert.

Die Frequenzen, in denen IR-Strahlung absorbiert wird (Peaks oder Signale), können direkt mit Verbindungen innerhalb der betreffenden Verbindung korreliert sein.

Da jede interatomare Verbindung in verschiedenen Bewegungen vibrieren kann (Dehnen oder Biegen), können einzelne Verbindungen mehr als eine IR-Frequenz absorbieren.

Dehnungsabsorptionen neigen dazu, stärkere Spitzen als Flexion zu erzeugen, jedoch können schwächere Biegeabsorptionen nützlich sein, um ähnliche Arten von Bindungen zu unterscheiden (z. B. aromatische Substitution).

Es ist auch wichtig zu beachten, dass symmetrische Vibrationen keine Absorption von IR-Strahlung verursachen. Zum Beispiel absorbiert keine der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen von Ethylen oder Ethylen IR-Strahlung.

Instrumentelle Methoden zur Bestimmung der Struktur

Kernmagnetresonanz (NMR)

Anregung des Atomkerns durch Hochfrequenzbestrahlung. Es bietet umfangreiche Informationen über die Molekülstruktur und Konnektivität von Atomen.

Infrarotspektroskopie (IR)

Es besteht aus dem Brennen molekularer Schwingungen durch die Bestrahlung mit Infrarotlicht. Es liefert hauptsächlich Informationen über die Anwesenheit oder Abwesenheit bestimmter funktioneller Gruppen.

Massenspektrometrie

Bombardierung der Probe mit Elektronen und Detektion der resultierenden Molekülfragmente. Es liefert Informationen über die Konnektivität von Molekülmasse und Atomen.

Ultraviolett-Spektroskopie (UV)

Förderung von Elektronen bei höheren Energieniveaus durch Bestrahlen des Moleküls mit ultraviolettem Licht. Es liefert Informationen über das Vorhandensein von konjugierten π-Systemen und Doppel- und Dreifachbindungen.

Spektroskopie

Es ist das Studium der spektralen Information. Nach Bestrahlung mit Infrarotlicht reagieren bestimmte Bindungen schneller durch Vibration. Diese Antwort kann erkannt und in eine visuelle Darstellung, ein Spektrum, übersetzt werden.

Spektruminterpretationsprozess

1. Erkenne ein Muster.
2. Verknüpfen Sie Muster mit physikalischen Parametern.
3. Identifizieren Sie mögliche Bedeutungen, dh schlagen Sie Erklärungen vor.

Sobald ein Spektrum erreicht ist, besteht die größte Herausforderung darin, die darin enthaltenen Informationen in abstrakter oder versteckter Form zu extrahieren.

Dies erfordert die Erkennung bestimmter Muster, die Zuordnung dieser Muster zu physikalischen Parametern und die Interpretation dieser Muster im Hinblick auf sinnvolle und logische Erklärungen.

Elektromagnetisches Spektrum

Die meisten organischen Spektroskopie verwendet elektromagnetische Energie oder Strahlung als physikalischen Reiz. Elektromagnetische Energie (wie sichtbares Licht) hat keine nachweisbare Massenkomponente. Mit anderen Worten, es kann "pure Energie" genannt werden.

Andere Arten von Strahlung, wie Alphastrahlen, die aus Heliumkernen bestehen, haben eine nachweisbare Massenkomponente und können daher nicht als elektromagnetische Energie klassifiziert werden.

Die wichtigen Parameter im Zusammenhang mit elektromagnetischer Strahlung sind:

• Energie (E): Die Energie ist direkt proportional zur Frequenz und umgekehrt proportional zur Wellenlänge, wie in der nachstehenden Gleichung angegeben.

• Frequenz (μ)
• Wellenlänge (λ)
• Gleichung: E ​​= hμ

Schwingungsmodi

• Kovalente Bindungen können auf verschiedene Arten vibrieren, einschließlich Dehnen, Schaukeln und Scheren.

• Die nützlichsten Banden in einem Infrarotspektrum entsprechen den Streckfrequenzen.

Getriebe vs. Absorption

Wenn eine chemische Probe der Einwirkung von IR LIGHT (Infrarotstrahlungslicht) ausgesetzt wird, kann sie einige Frequenzen absorbieren und den Rest übertragen. Ein Teil des Lichts kann auch zurück zur Quelle reflektiert werden.

Der Detektor erkennt die übertragenen Frequenzen und zeigt dabei auch die Werte der absorbierten Frequenzen an.

Ein IR-Spektrum im Absorptionsmodus

Das IR-Spektrum ist im Grunde ein Graph der Frequenzen, die gegen die Intensität der Transmission (oder Absorption) übertragen (oder absorbiert) werden. Die Frequenzen erscheinen auf der x-Achse in Einheiten von inversen Zentimetern (Wellenzahlen) und die Intensitäten sind auf der y-Achse und in Prozenteinheiten dargestellt. Die Grafik zeigt ein Spektrum im Absorptionsmodus:

Ein IR-Spektrum im Übertragungsmodus

Die Grafik zeigt ein Spektrum im Übertragungsmodus. Dies ist die am häufigsten verwendete Darstellung und die in den meisten Chemie- und Spektroskopie-Büchern gefunden.

Anwendungen und Anwendungen

Da die Infrarotspektroskopie eine zuverlässige und einfache Methode ist, wird sie häufig in der organischen Synthese, der Polymerwissenschaft, der Petrochemie, der Pharmaindustrie und der Lebensmittelanalytik eingesetzt.

Da FTIR-Spektrometer durch Chromatographie desinfiziert werden können, können darüber hinaus der Mechanismus chemischer Reaktionen und der Nachweis instabiler Substanzen mit solchen Instrumenten untersucht werden.

Einige Anwendungen und Anwendungen umfassen:

Qualitätskontrolle

Es wird in Qualitätskontroll-, dynamischen Mess- und Überwachungsanwendungen eingesetzt, z. B. zur langfristigen unbeaufsichtigten Messung von CO2-Konzentrationen in Gewächshäusern und Wachstumskammern mit Infrarot-Gasanalysatoren.

Forensische Analyse

Es wird in kriminaltechnischen und zivilen Fällen zur forensischen Analyse verwendet, zum Beispiel bei der Identifizierung von Polymerabbau. Es kann verwendet werden, um den Blutalkoholgehalt eines Fahrers zu bestimmen, der im Verdacht steht, betrunken zu sein.

Analyse von festen Proben ohne die Notwendigkeit zu schneiden

Eine nützliche Methode zur Analyse fester Proben ohne die Notwendigkeit zu schneiden ist die Verwendung von ATR- oder abgeschwächter Totalreflexionsspektroskopie. Bei diesem Ansatz werden die Proben gegen die Oberfläche eines Einkristalls gedrückt. Die Infrarotstrahlung durchdringt den Kristall und interagiert nur an der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien mit der Probe.

Analyse und Identifizierung von Pigmenten

Die IR-Spektroskopie wurde erfolgreich bei der Analyse und Identifizierung von Pigmenten in Gemälden und anderen Kunstobjekten, wie etwa beleuchteten Manuskripten, verwendet.

Verwendung in der Lebensmittelindustrie

Eine weitere wichtige Anwendung der Infrarotspektroskopie besteht in der Lebensmittelindustrie darin, die Konzentration verschiedener Verbindungen in verschiedenen Lebensmittelprodukten zu messen.

Präzisions-Studien

Mit der zunehmenden Technologie bei der Computerfilterung und -manipulation von Ergebnissen können Proben in Lösung nun genau gemessen werden. Einige Instrumente werden Ihnen automatisch sagen, welche Substanz aus einem Speicher von Tausenden gespeicherter Referenzspektren gemessen wird.

Feldtests

Die Instrumente sind jetzt klein und können sogar für den Einsatz in Feldtests transportiert werden.

Gas leckt

Infrarotspektroskopie wird auch in Gaslecksuchgeräten wie DP-IR und EyeCGAs eingesetzt. Diese Geräte erkennen Leckagen von Kohlenwasserstoffgas beim Transport von Erdgas und Rohgas.

Verwendung im Weltraum

Die NASA verwendet eine hochaktuelle Datenbank, die auf Infrarotspektroskopie basiert, um polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe im Universum zu verfolgen.

Wissenschaftlern zufolge können mehr als 20% des Kohlenstoffs im Universum mit polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen in Verbindung gebracht werden, möglichen Ausgangsstoffen für die Bildung von Leben.

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe scheinen sich kurz nach dem Urknall gebildet zu haben. Sie sind im ganzen Universum verbreitet und werden mit neuen Sternen und Exoplaneten assoziiert.

Referenzen

1. Nancy Birkner (2015). Geist berühren. Wie funktioniert ein FTIR-Spektrometer? Von: mindtouch.com.
2. Cortes (2006). Theorie und Interpretation von IR-Spektren. Pearson Prentice Hall. Von: utdallas.edu.
3. Barbara Stuart (2004). Infrarotspektroskopie. Wiley Von: kinetics.nsc.ru.
4. Wikipedia (2016). Infrarotspektroskopie. Wikipedia, die freie Enzyklopädie.Von: en.wikipedia.org.