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Stoffliche Charakterisierung I: IR- und UV-Spektroskopie

Grundlagen der Infrarot-Spektroskopie

Anwendungsbereiche

IR-spektroskopische Untersuchungen an Polymerlösungen sind nicht so universell einsetzbar wie z.B. die NMR-Analytik, da die Rotations- und Schwingungsbanden des Makromoleküls von denen des Lösemittels überdeckt werden.

Die IR-Photonen haben Energien zwischen etwa 1,6 und 0,001 eV. Diese Energiebeträge reichen nicht zur Anregung von Elektronenübergängen aus, können aber Rotations- und Schwingungsbewegungen von Molekülen und Molekülteilen anregen (siehe IR-Rotationsschwingungsspektren).

So ermöglicht die IR-Spektroskopie die Bestimmung von chemischen Gruppierungen (NH, CO und CN) im Makromolekül. Zu erwähnen ist auch der Nachweis von Wasserstoff-Brückenbindungen durch Verschiebung zu kürzeren Wellenlängen.

Bei symmetrischen Molekülen und Kristallen sind nur die Schwingungen, bei denen sich das Dipolmoment während der Schwingung ändert, IR-aktiv. Die im IR-Spektrum verbotenen Schwingungen sind zum Teil im Raman-Spektrum beobachtbar, wenn sich die Polarisierbarkeit durch die Schwingung ändert bzw. teilweise mit Hilfe der inelastischen Neutronenstreuung (eingeschränkt bei Polymeren) der Messung zugänglich ist.

Da Polymere wegen ihres geringen Dampfdrucks nicht als Gase vorliegen, können mittels IR nur Schwingungsspektren gemessen werden. Diese hängen stark von der Polymerstruktur ab und erlauben deshalb bei unbekannten Substanzen Rückschlüsse auf die Struktur.

Vorteile und Schwächen der IR-Spektroskopie

Ein Vorteil der IR-Spektroskopie ist die geringe Probenmenge, die bei Messungen im mittleren IR-Bereich, dem so genannten Grundschwingungsbereich, benötigt wird. Zudem können die Untersuchungen sowohl im flüssigen als auch im festen Zustand durchgeführt werden.

Die IR-Spektroskopie ist experimentell einfacher als die anderen Methoden der Molekülschwingungsspektroskopie und sehr kostengünstig. Sie wird daher routinemäßig in großem Umfang zur Analytik und Strukturaufklärung von Polymeren eingesetzt.

IR eignet sich ideal zur Identifikation und Charakterisierung: Es liegt jeweils ein genauer "Fingerabdruck" vor.

Ebenso wichtig wie die qualitative Analyse ist die quantitative Untersuchung von Polymeren mittels IR-Spektroskopie. Neben der Untersuchung der Zusammensetzung einer Probe werden auch bei Strukturuntersuchungen überwiegend quantitative Messungen durchgeführt.

Die bisher vorliegenden umfangreichen Befunde sind größtenteils in Sammlungen von IR-Spektren und Bandenzuordnungstabellen zusammengefasst (Hummel).

Ein Schwachpunkt der IR-Analyse von Makromolekülen ist die durch die Bestimmung des Absorptionskoeffizienten sehr aufwendige quantitative Analyse.

Insgesamt ist die IR-Spektroskopie eine sehr genaue Methode.

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