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Quantentheorie und Spektroskopie: Schwingungsspektrum (Dichlormethan)

Schwingungsspektroskopie

Die Schwingungsspektroskopie gehört mit der Infrarot-(IR-) und der Raman-Spektroskopie zu den Untersuchungsmethoden, die unmittelbar einen dynamischen Vorgang (Absorption bzw. Streuung von Strahlung) benutzen, um innere Strukturfreiheitsgrade in ihren gequantelten Bewegungszuständen zu ändern. Schwingungsspektroskopische Untersuchungen (an festen, flüssigen und festen Proben) wurden sehr zielgerichtet für die Aufklärung von geometrischen Strukturen und die Wechselwirkung zwischen Molekülen verwendet.

Da die beobachteten Wellenzahlen der Schwingung mit den Kraftkonstanten der Molekülstruktur zusammenhängen (vgl. Modell des harmonischen Oszillators), geben sie wertvolle Informationen zur Stärke von Bindungen. Man sollte jedoch beachten, dass Schwingungen der gleichen Symmetrie miteinander koppeln können und Schwingungen oft nicht lokal auf eine Bindung oder einen Teil des Moleküls lokalisiert sind.

Mit den quantenchemischen Methoden haben wir die Möglichkeit, die Matrix der Kraftkonstanten für ein Molekül zu berechnen und nach der Wilson'schen FG-Matrix-Methode (Kräfte und Massen) in einem Eigenwertproblem die Eigenwerte (in Form der Wellenzahlen) und die Eigenvektoren (Atom-Auslenkungen der Schwingungsmoden) zu berechnen. Über die Änderung des Dipolmoments für jede Schwingungsmode (sogenannte Atom-Polar-Tensoren) kann man auf die Intensität der IR-Banden und über die Änderung der Polarisierbarkeit auf die Intensität der Raman-Banden schließen.

Wegen dieser Beziehungen zur elektronischen Struktur der Moleküle ist eine detaillierte Betrachtung von Molekülorbital-(MO-)Berechnungen an kleinen Molekülen sehr sinnvoll. Neben dem Verständnis von Output-Daten von Berechnungen ist eine Symmetrie-Analyse der berechneten Schwingungen und deren Visualisierung Ziel dieser Lerneinheit.

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