Die lange erwartete, vierte Auflage des Lehrbuchklassikers zur IR-Spektroskopie!
Will man Substanzen eindeutig charakterisieren und auf ihre Reinheit überprüfen, führt kein Weg an der IR-Spektroskopie als Analysemethode vorbei. Präzise und leicht verständlich, aktuell und sehr praxisbezogen lernen die künftigen Anwender alles, was sie über die IR-Spektroskopie wissen müssen:
- Aufbau und Handhabung von Spektrometern,
- Vorbereitung der Proben und deren Messung,
- qualitative Interpretation der Spektren,
- quantitative Bestimmungen,
- spezielle Anwendungsgebiete und
- spezielle und verwandte Methoden.
Zahlreiche Hinweise auf weiterführende Literatur vermitteln eine gute Orientierung bei speziellen Fragestellungen, und helfen dabei, sich zum Experten weiterzuentwickeln.
/ AUS DEM INHALT: / / /
1 Einführung 1
1.1 Entwicklung der Infrarottechnik 1
1.2 Anwendungsmöglichkeiten der IR-Spektroskopie 3
1.2.1 Direkte Aussagen zur Konstitution 3
1.2.2 Substanzidentifizierung durch Spektrenvergleich 4
1.2.3 Quantitative Analyse 5
1.2.4 Weitere Anwendungen 7
Literatur 7
2 Absorption und Molekülbau .. . . 9
2.1 Grundlagen 9
2.1.1 Die elektromagnetische Strahlung 9
2.1.1.1 Die Natur der elektromagnetischen Strahlung . 9
2.1.1.2 Größen und Einheiten . 10
2.1.1.3 Strahlungsenergie 11
2.1.2 Der Molekülbau 13
2.1.2.1 Das Atom. . '13
2.1.2.2 Das Molekül 14
2.1.3 Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Molekül 18
2.2 Die Absorption der IR-Strahlung 19
2.2.1 Die IR-Spektren zweiatomiger Moleküle . . . 19
2.2.1.1 Rotationsspektren 20
2.2.1.2 Schwingungsspektren 21
2.2.1.3 Rotationsschwingungsspektren 22
2.2.2 Die IR-Spektren vielatomiger Moleküle . . . . 25
2.2.2.1 Normalschwingungen 25
2.2.2.2 Schwingungsformen 26
2.2.2.3 Oberschwingungen und Kombinationsschwingungen 29
2.2.2.4 Fermi-Resonanz 29
2.2.2.5 Bandenform 31
2.2.2.6 Symmetrie-Eigenschaften der Moleküle . . . . 33
Literatur 37
3 Das Spektrometer 39
3.1 Aufbau 39
3.2 Strahlungsquellen 42
3.3 IR-Detektoren 44
3.3.1 Thermische Detektoren 46
3.3.2 Photodetektoren 48
3.4 Spektralzerlegung. . 50
3.4.1 Dispersive Spektrometer 51
3.4.1.1 Beugungsgitter 52
3.4.1.2 Interferenz-Verlaufsfilter 53
3.4.1.3 Akusto-optisch verstimmbare Filter (AOTF) . 54
3.4.1.4 Spektrale Spaltbreite, Auflösung 54
3.4.1.5 Streustrahlung 55
3.4.2 Fourier-Transform-Spektrometer 55
3.4.2.1 Rohdatenaufnahme und Fourier-Transformation 58
3.4.2.2 Bauteile von FT-Spektrometern 62
3.4.3 Praktische Hinweise zur Spektrenmessung . . 64
3.5 Spektrenbearbeitung 67
Literatur 70
4 Substanzpräparation 73
4.1 Allgemeine Bemerkungen 73
4.1.1 Substanzmenge 73
4.1.2 Reinheitsanforderungen 74
4.1.2.1 Spektren von Reinsubstanzen, Vergleichsspektren 74
4.1.3 Feuchtigkeit 74
4.1.4 Vorsichtsmaßnahmen 75
4.2 Festsubstanzen 75
4.2.1 KBr-Presstechnik 76
4.2.1.1 Materialien zur Herstellung von Presslingen . 76
4.2.1.2 Reinheit und Herstellung des Kaliumbromids . 76
4.2.1.3 Presswerkzeuge 77
4.2.1.4 Herstellung der Tablette 77
4:2.1.5 Mikropresslinge 79
4.2.1.6 Störung durch den Christiansen-Effekt . . . . 81
4.2.1.7 Störungen durch Reaktionen mit dem Einbettungsmittel 81
4.2.1.8 Quantitative Analysen 84
4.2.2 Suspensionen in Öl 84
4.2.3 Film aus der Schmelze 86
4.2.4 Folien ; . . 87
4.2.4.1 Pressen von Folien 87
4.2.4.2 Gießen von Folien aus einer Lösung 88
4.2.4.3 Mikrotomschnitte 88
4.2.4.4 Allgemeine Hinweise zur Herstellung von Folien 89
4.2.4.5 Halterung für Folien 90
4.2.5 Folien als Probensubstrat 90
4.3 Flüssigkeiten und Lösungen 92
4.3.1 Küvetten 92
4.3.1.1 Küvettenfenster 92
4.3.1.2 Behandlung und Pflege von Küvettenfenstern . 95
4.3.1.3 Zerlegbare Küvetten 97
4.3.1.4 Küvetten mit definierter Schichtdicke ("Festküvetten") 97
4.3.1.5 Küvetten mit variabler Schichtdicke 98
4.3.2 Flüssigkeiten 99
4.3.3 Lösungen 101
4.3.3.1 Lösungsmittel 101
4.3.3.2 Reinheit der Lösungsmittel 103
4.3.3.3 Konzentrationsbereiche 103
4.3.3.4 Herstellung der Lösungen 104
4.3.3.5 Lösungsmitteleffekte 105
4.3.3.6 Mikrotechnik bei Lösungen 106
4.4 Gase 107
4.4.1 Gasküvetten 107
4.4.2 Das Füllen von Gasküvetten 108
4.4.3 Die Gesamtdruck-Abhängigkeit des Absorptionskoeffizienten bei Gasspektren . . . 109
4.4.4 Mikromethoden bei Gasen 111
4.4.5 Spurengasuntersuchungen 111
Literatur . 114
5 Spezielle Untersuchungstechniken 117
5.1 Reflexionsmethoden 117
5.1.1 Messung der äußeren Reflexion. . . . . . . . 1K7
5.1.1.1 Fresnel-Reflexion 117
5.1.1.2 Reflexions-Absorptions-Spektroskopie . . . . 122
5.1.2 Abgeschwächte Totalreflexion 123
5.1.3 Diffuse Reflexion 126
5.2 IR-mikroskopische Messungen 132
5.3 IR-Imaging 133
5.4 Photoakustische Detektion 136
5.5 IR-Emissionsspektroskopie 137
5.6 Messungen unter extremen Zustandsverhältnissen 139
5.6.1 Kryomethoden 139
5.6.2 Spektroskopie bei hoher Temperatur 140
5.6.3 Messungen unter hohem Druck 141
5.7 Messungen mit polarisierter Strahlung 141
5.8 Kombination der IR-Spektroskopie mit chromatographischen Methoden 144
5.8.1 Gas-Chromatographie/IR-Spektroskopie. . . . 144
5.8.2 Dünnschicht-Chromatographie/ IR-Spektroskopie 149
5.8.3 HPLC-und SFC/IR-Spektroskopie .151
Literatur 152
6 Qualitative Spektreninterpretation 157
6.1 Grundlagen 157
6.1.1 Das IR-Spektrum 158
6.2 Erste Spektrenbetrachtung i o o 159
6.3 Zuordnungen allgemeiner Art 162
6.3.1 Fingerprintgebiet 162
6.3.2 Gruppenfrequenzen 163
6.4 Die IR-Spektren der einzelnen Stoffklassen. . 165
6.4.1 Alkane : . . . . 165
6.4.2 Halogenverbindungen 170
6.4.3 Alkene 172
6.4.4 Moleküle mit Dreifachbindungen 179
6.4.5 Aromatische Verbindungen - Gerüstschwingungen 180
6.4.6 Ether 188
6.4.7 Acetale und Ketale' 190
6.4.8 Alkohole 191
6.4.9 Wasserstoffbrücken 194
6.4.10 Chelate 197
6.4.11 Carbonylverbindungen 199
6.4.11.1 Ketone 199
6.4.11.2 Aldehyde 204
6.4.11.3. Carbonsäuren 205
6.4.11.4 Säurechloride 209
6.4.11.5 Ester 210
6.4.11.6 Carbonsäureanhydride 212
6.4.11.7 Amide 214
6.4.11.8 Carbonsäureamidderivate 218
6.4.12 Stickstoffverbindungen 221
6.4.12.1 Amine 221
6.4.12.2 C=N-Doppelbindung . . : 224
6.4.12.3 Nitrogruppe . . 225
6.4.12.4 Organische Nitrate, Nitramine, Nitrite, Nitrosamine 226
6.4.12.5 Azo-, Azoxy-und Nitroso-Verbindungen. . . 228
6.4.13 Verbindungen mit kumulierten Doppelbindungen 228
6.4.14 Aromatische Verbindungen: Substituenteneinflüsse 230
6.4.14.1 Aromatische Kohlenwasserstoffe 230
6.4.14.2 Aromatische Halogenverbindungen 230
6.4.14.3 Aromatische Ether 231
6.4.14.4 Phenole 231
6.4.14.5 Aromatische Aminoverbindungen 232
6.4.14.6 Aromatische Nitroverbindungen 232
6.4.14.7 Aromatische Carbonylverbindungen 232
6.4.14.8 Aromatische konjugierte Dreifachbindungen und kumulierte Doppelbindungen 234
6.4.14.9 Aromatische Oxime, Azomethine und Azoverbindungen 234
6.4.15 Heterocyclen 236
6.4.16 Bor-, Silicium-, Schwefel- und Phosphorverbindungen . . . 236
6.4.16.1 Borverbindungen 237
6.4.16.2 Siliciumverbindungen 237
6.4.16.3 Schwefelverbindungen 238
6.4.16.4 Phosphorverbindungen 239
6.4.17 Anorganische Verbindungen 239
6.5 Ursachen von Bandenverschiebungen; Beeinflussungen des Spektrums 240
6.5.1 Masseneinfluß 241
6.5.2 Sterische Wechselwirkungen 243
6.5.3 Mesomere Effekte 244
6.5.4 Induktive Effekte 244
6.5.5 Dipol-Dipol-Wechselwirkungen (Feld-Effekt) 245
6.5.6 Intermolekulare Wechselwirkungen 247
6.6 Die Spektreninterpretation als mehrdimensionale Aufgabe 250
6.6.1 Banden-Struktur-Korrelationen 251
6.6.2 Spektrenvergleich 252
6.6.3 Beispiele zur Spektreninterpretation.. 252
6.7 Besonderheiten und Artefakte 259
6.8 Spektrenberechnung . 261
Literatur \ 261
7 Quantitative Spektrenaussagen . 265
7.1 Grundlagen 265
7.1.1 Das Lambert-Beer'sehe Gesetz 265
7.1.2 Ermittlung der Schichtdicke 267
7.1.3 Bestimmung der Absorbanz 269
7.1.4 Absorptionskoeffizient 270
7.2 Kalibrierung 272
7.2.1 Basislinienkorrektur zur Absorbanzbestimmung 272
7.2.2 Ermittlung der Kalibrierdaten 273
7.2.3 Mehrkomponentenanalyse mit getrennten Analysenbanden 274
7.2.4 Auswertung über relative Absorbanzwerte. . . 275
7.2.4.1 Quantitative Messung von Flüssigkeiten. . . . 275
7.2.4.2 Quantitative Messung bei Presslingen . . . . . 276
7.2.5 Quantitative Gasanalyse 277
7.3 Die Interpretation quantitativer Ergebnisse. . . 279
7.3.1 Mittelwert und Standardabweichung 279
7.3.2 Streubereich von Einzelmessungen und Vertrauensinterval von Mittelwerten 281
7.3.3 Zufällige und systematische Fehler 282
7.4 Kalibrierfunktionen und Vertrauensbereiche . 284
7.4.1 Lineare Regression 284
7.4.2 Besondere Verfahrenskenngrößen. 285
7.5 Mehrkomponentenanalyse mit multivariater Auswertung 288
7.5.1 Klassische Modellbildung 288
7.5.2 Statistische Modellbildung 290
Literatur 294
8 Spektroskopie im Nahen und Fernen IR, sowie verwandte Verfahren 297
8.1 Spektralbereiche außerhalb des Mittleren IR . 297
8.1.1 Der kurzwellige Bereich (Nahes IR) 297
8.1.1.1 Vergleich Nahes und Mittleres IR 297
8.1.1.2 Anwendungen der Nah-Infrarot-Spektroskopie 298
8.1.2 Der langwellige Bereich (Fernes IR) 300
8.2 IR-Laserspektroskopie 301
8.3 Raman-Spektroskopie 303
8.3.1 Physikalische Grundlagen 303
8.3.2 Geräteaufbau 311
8.3.2.1 Konventionelle Gitterspektrometer 311
8.3.2.2 FT-Raman-Spektrometer 313
8.3.3 Anwendungen 314
8.3.3.1 Zuordnung von Schwingungsbanden 314
8.3.3.2 Wässerige Proben. 315
8.3.3.3 Quantitative Analyse 315
8.3.3.4 Feststoffuntersuchungen 316
Literatur 316
9 Vergleichsspektren und Expertensysteme 319
9.1 Spektrensammlungen 319
9.1.1 Vergleichssammlungen 319
9.1.2 Digitale Spektrenbibliotheken 321
9.1.3 Spektroskopie im Internet 323
9.2 Rechnerunterstützte Recherchen 324
9.2.1 Bibliothekssuche 324
9.2.2 Einbindung verschiedener Spektroskopiearten 327
9.3 Interpretative Systeme 328
9.3.1. Computer-Interpretation nach empirischen Regeln 328
9.3.2 Multivariate Methoden zur Spektreninterpretation 330
9.3.3 Mustererkennungsmethoden (Pattern Recognition) 331
9.4 Qualitative Gemischanalyse 332
Literatur 334
10 Anhang 339
10.1 Lage der wichtigsten Störbanden im IR-Spektrum 339
10.2 Spektren gebräuchlicher Lösungsmittel 339
Stichwort- und Spektrenverzeichnis 347