Rotations- und Schwingungsspektren

Rotationsspektren im Mikrowellenbereich und Schwingungs-Rotations-Spektren im Infrarotbereich entstehen durch Übergänge zwischen den Kernbewegungsniveaus eines Moleküls und geben Aufschluss über dessen Bindungslängen und Kraftkonstanten.

Definition

Rotations- und Schwingungsspektren sind Absorptions- oder Emissionsspektren, die durch Übergänge zwischen den Rotationsniveaus eines Moleküls (Mikrowellenbereich) oder zwischen Schwingungs-Rotations-Niveaus (Infrarotbereich) entstehen, die zulässig sind, wenn der Übergang das elektrische Dipolmoment des Moleküls ändert.

Scope

Dieses Thema behandelt die reine Rotationsspektroskopie im Mikrowellenbereich und die Rotations-Schwingungs-Spektroskopie im Infrarotbereich: die Auswahlregeln, die eine Änderung des Dipolmoments erfordern, die äquidistanten Rotationslinien, die P-, Q- und R-Zweige eines Schwingungs-Rotations-Bandes sowie die Extraktion von Rotationskonstanten, Bindungslängen und Schwingungsfrequenzen aus den Linienpositionen. Es werden sowohl zweiatomige als auch einfache mehratomige Moleküle behandelt.

Core questions

• Welche Auswahlregeln steuern reine Rotations- und Schwingungs-Rotations-Übergänge?
• Warum erscheinen Rotationslinien im Mikrowellenbereich nahezu äquidistant?
• Was sind die P-, Q- und R-Zweige eines Infrarotbandes?
• Wie werden Bindungslängen und Kraftkonstanten aus diesen Spektren gewonnen?

Key concepts

• Permanentes Dipolmoment und Infrarotaktivität
• Rotationsauswahlregel ΔJ = ±1
• Rotationskonstante und Trägheitsmoment
• P-, Q- und R-Zweige
• Schwingungsgrundschwingung und Obertöne
• Bestimmung von Bindungslänge und Kraftkonstante

Key theories

Reine Rotationsspektren

Ein Molekül mit einem permanenten Dipolmoment absorbiert Mikrowellen bei Übergängen mit ΔJ = ±1, wodurch eine Reihe von nahezu äquidistanten Linien entsteht, deren Abstand die Rotationskonstante und damit das Trägheitsmoment und die Bindungslänge liefert.

Schwingungs-Rotations-Bänder

Eine infrarotaktive Schwingung, kombiniert mit gleichzeitigen Rotationsänderungen, erzeugt ein Band mit P- (ΔJ = −1) und R- (ΔJ = +1) Zweigen und manchmal einem Q-Zweig (ΔJ = 0), aus dem die Schwingungsfrequenz und die Rotationskonstanten bestimmt werden.

Clinical relevance

Die Infrarotspektroskopie ist ein Standardwerkzeug zur Identifizierung funktioneller Gruppen und zur Überwachung von Reaktionen in der Chemie. Die Mikrowellenspektroskopie liefert die präzisesten Molekülstrukturen in der Gasphase, und beide sind zentral für die Detektion und Quantifizierung von Treibhaus- und Spurengasen in der atmosphärischen und astrochemischen Fernerkundung.

History

Infrarot-Bandspektren wurden bereits im neunzehnten Jahrhundert gemessen, aber erst nach der Bereitstellung des Rotations- und Schwingungsniveauschemas durch die Quantenmechanik in den späten 1920er Jahren verstanden. Die Entwicklung von Mikrowellentechniken während und nach dem Zweiten Weltkrieg machte die reine Rotationsspektroskopie zur genauesten Methode zur Bestimmung molekularer Geometrien.

Key figures

• Gerhard Herzberg
• Harald Bethe
• David Dennison

Seminal works

• herzberg1950
• hollas2004

Frequently asked questions

Warum hat ein homonukleares zweiatomiges Molekül wie N₂ kein Infrarot- oder Mikrowellenspektrum?

N₂ besitzt kein permanentes Dipolmoment, und seine symmetrische Streckschwingung erzeugt keines, sodass weder seine Rotation noch seine Schwingung über den Dipolmechanismus mit Licht wechselwirken können. Es ist jedoch durch Raman-Streuung nachweisbar.

Was sagt Ihnen der Abstand der Rotationslinien?

Die Linien sind durch das Zweifache der Rotationskonstante getrennt, die umgekehrt proportional zum Trägheitsmoment ist. Die Messung des Abstands liefert daher das Trägheitsmoment und für ein zweiatomiges Molekül direkt die Bindungslänge.