Spektroskopische Messmethoden und der Aufbau von Atomen und Molekülen

Allgemeines zur Struktur von Atomen und deren Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung

Die Struktur von Atomen und Molekülen und deren Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung ist ein typisches MINT-Fachgebiet, vereint es alle Fachbereiche der Physik und Chemie miteinander. Wie wir in den entsprechenden Kapiteln (z.B. Optik oder Atomphysik) gesehen hatten, sind Stoffe (die aus Teilchen bestehen) und die elektromagnetische Strahlung Grundstrukturen der Materie. Ein Feld (egal welches) und Stoffe bzw. Teilchen bilden eine Einheit (von Teilchen bzw. Stoffen geht das Feld aus, beispielsweise von Elektronen ein elektrisches Feld), daher stehen diese immer in einer Wechselwirkung.

Durch Wechselwirkung von außen zugeführter elektromagnetischer Strahlung können “Messungen” durchgeführt werden, die über Bindungsverhältnisse zwischen den Atomen, deren Anordnung und deren Anzahl in der Verbindung Auskunft geben. Diese Messmethoden, die sogenannten spektralanalytischen Verfahren, bestimmen die Strahlung (bzw. deren Wellenlänge), die von einem Stoff ausgesandt oder aufgenommen wird.

Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung

Die Eigenschaften von Licht (Welle / Teilchen – Dualismus) finden sich in den Kapiteln der Optik/Atomphysik ausführlich, daher in diesem Kapitel nur in Kurzform. Seit den Experimenten von Newton, der Licht mit einem Prisma in einzelne Spektralfarben zerlegte, wissen wir, dass es sich bei Licht um eine Teilchenstrahlung handelt (dies erklärt auch das geradlinige Ausbreiten von Licht). Die Experimente von Huygens zeigen aber, dass Licht eine Wellenbewegung ist (dies erklärt das Phänomen der Interferenz). Licht besitzt also eine Teilchen- und Welleneigenschaft.  Erst durch Planck konnte dieser Widerspruch mathematisch “gelöst” werden. Max Planck stellte die Beziehung zwischen Energie einer Strahlung und deren Frequenz auf: Die Energie der Strahlung ist das Produkt aus Planckschen Wirkungsquantum und der Frequenz.

Elektromagnetische Strahlung ist eine Energieform und hat eine Teilchenstruktur ähnlich den Elementen, die aus Atomen bestehen. Die elektromagnetische Strahlung setzt sich aus Energiequanten oder Photonen zusammen. Daher spricht man auch manchmal von Strahlungsquanten.

Die elektromagnetische Strahlung bildet einen großen Bereich (= Spektrum) ab, unter anderen bildet IR, sichtbares Licht und UV Teilbereiches dieses Spektrums. Aber auch das sichtbare Licht ist ein Gemisch von Strahlung verschiedener Wellenlängen. Das sichtbare Licht reicht

  • von blau (400 bis 500 nm)
  • über grün (500 bis 600 nm)
  • nach rot (600 bis 700 nm)

Da jede Stoffteilchen bzw. Atome in der Lage sind, bestimmte Energiebeträge aufzunehmen (das Atom geht so vom Grundzustand in den angeregten Zustand über), kann jede Materie mit der geeigneten elektromagnetischen Strahlung Wechselwirkung. Bei einer solchen Anregung findet (in der Elektronenhülle des Atoms ein Elektronenübergang auf ein höheres Niveau statt). Voraussetzung, dass man nun eine Absorption von elektromagnetischer Strahlung messen kann, ist, dass der Stoff, der untersucht wird für elektromagnetische Strahlung durchlässig ist. Einen Feststoff kann man beispielsweise in Lösung bringen, so dass die Anforderung der Durchlässigkeit auch für Feststoffe gewährleistet wird. Bei einem spektralanalytischen Messung wird nun Strahlung bestimmter Energie der Probe zugeführt. Entspricht die zugeführte Energie der Anregungsenergie, so werden diese Strahlungsanteile absorbiert. Dies lässt sich messen. Dabei gibt es unterschiedliche Verfahren, dabei spielt eine wesentliche Rolle, welche Eigenschaft “bestimmt” werden soll. Nachfolgend sind die wichtigsten Spektralbereiche und deren Wechselwirkung mit Materie aufgelistet:

  • Mikrowellen: Molekülrotation
  • Infrarot: Molekülschwingung und Elektronenorientierung
  • Sichtbares Licht: Anregung äußerer Elektronen
  • Ultraviolettes Licht: Anregung äußerer Elektronen
  • Röntgenstrahlung: Anregung innerer Elektronen

Aufgrund der unterschiedlichen “Energie” werden unterschiedliche Verfahren benutzt, um Informationen über Atom bzw. Molekülstrukturen zu erhalten.

Da in der Chemie die Reaktivität von der Struktur der äußeren Elektronen beeinflusst wird, ist daher die sogenannte UV-VIS-Spektroskopie von großem Interesse. Die Strahlungen im Bereich des ultravioletten (UV) und sichtbaren (VIS) Lichts können die Elektronen auf den äußeren Niveaus der Elektronenhülle anregen. Die Strahlungen der UV-VIS-Absorptionsspektroskopie reichen von 200 bis 400 nm (UV) und 400 bis  800 nm für die Anregung von π-Elektronenpaaren und n-Elektronenpaare (freie, nichtbindende Elektronenpaare).

Im Bereich der UV-VIS-Spektroskopie spricht man im Wesentlichen von zwei “Messtechniken”, der Photometrie und der Kolorimetrie. Bei der Photometrie (aus dem gr. übersetzt: Lichtmessung) wird die Lichtintensität bzw. deren Änderung gemessen. Bei der Kolorimetrie (aus dem gr. übersetzt: Farbmessung) vergleicht man die Farbe zweier gleicher Lösungen, aber mit unterschiedlicher Konzentration (wobei eine Konzentration bekannt ist). Damit lässt sich die unbekannte Konzentration der anderen Lösung bestimmen.

Bei diesen beiden Verfahren spielt die Lichtabsorption und Lichtdurchlässigkeit eine wesentliche Rolle. Allerdings treten oft drei Erscheinungen auf, wenn eine Probe mit Licht bestrahlt wird (zurückgeworfener [reflektierter], aufgenommener [absorbierter] und hindurchgelassener [transmittierter] Lichtstrom), wobei der reflektierte Lichtstrom bei diesen Verfahren kaum eine Rolle spielt. Daher kann man zwischen der Lichtabsorption und der Lichtdurchlässigkeit eine Gesetzmäßigkeit aufstellen: eintretender Lichtstrom = absorbierter Lichtstrom + austretender Lichtstrom.

Anstelle der Durchlässigkeit D wird auch oft der Begriff Transparenz verwendet. Liegt Licht einer bestimmten Wellenlänge vor (monochromatisches Licht) gilt für die Absorption und Transparenz folgender Zusammenhang: Die Summe aus Absorption und Transparenz ist gleich “1”. Dies kann man sich mit einem einfachen math. Trick herleiten, man dividiert die obige Gesetzmäßigkeit jeweils durch den eintretenden Lichtstrom:

eintr. Lichtstr. : eintr.  Lichtstrom = (absorb. Lichtstr. :eintr. Lichtstrom) + (austre. Lichtstr :eintr. Lichtstrom)
1 = Absorptionsgrad + Transmissionsgrad = Absoprtion (A) + Transmission (T)

Daneben gibt es im deutschsprachigen Raum noch eine weitere “Größe”, die sogenannte Extinktion (E). Die Extinktion ist dabei ein Maß für die Auslöschung des (eintretenden) Lichts. Daher ist die Formel für die Extinktion:

E = log (eintr.  Lichtstrom : austre.  Lichtstrom) = – log T

Mit dieser Größe haben wir den Zusammenhang zwischen Transmission und Extinktion. Nun müssen wir nur noch einen Zusammenhang zwischen der Extinktion/Transmission und chemischen/physikalischen Größen von Stoffen herleiten.

Dabei hilft und das Lambertsche Gesetz bzw. Beersche Gesetz: Das Lambertsche Gesetz stellt einen Zusammenhang zwischen Extinktion (E) und der Dicke (d) des absorbierenden Mediums her. Das Beersche Gesetz wiederum stellt den Zusammenhang zwischen Extinktion (E) und der Konzentration (c) des absorbierenden Mediums her. Aus diesen beiden Gesetzen leitet sich das “Lambert-Beersche” Gesetz her, ein Zusammenhang zwischen Extinktion (E), Dicke (d) und Konzentration des absorbierenden Mediums:

E = e ·c ·d

Die Größe e ist dabei eine stoffspezifische Größe, der sogenannte Extinktionskoeffizient e. Der Extinktionskoeffizient ist dabei eine wellenabhängige Konstante (d.h. bei einer bestimmten Wellenlänge ist der Wert immer gleich). Daher kann man mit dem Lambert-Beerschen Gesetz nicht nur unbekannte Konzentrationen bekannter Lösungen berechnen, sondern mit Hilfe des Extinktionskoeffizienten auf die entsprechende Verbindung schließen (=> Stoffkonstante). Man kann also nicht nur die “Elektronenstruktur” (=> π-Bindung) mit der UV-VIS-Spektroskopie untersuchen, sondern auch unbekannte Verbindungen “erkennen”.

Dies kann mit einem Photometer bestimmt werden.Dabei wird mit Hilfe eines Gitters oder Prismas aus dem Licht der Strahlungsquelle bestimmte Wellenlängen herausgefiltert (Erzeugunzg von monochromatischem Licht), die als Meßstrahlen wirken. Beim Durchgang durch die zu untersuchende Probe nimmt die Strahlungsintensität der eintretenden Strahlung aufgrund der Absorption (in der Probe) ab. Nach dem Durchgang wird die Strahlungsintensität mit einer Fotozelle oder einem Detektor gemessen und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das ausgewertet und als Messwert (=> z.B. Extinktion) ausgegeben wird.

Analog konnte man die Zusammenhänge zwischen elektromagnetischer Strahlung und der Struktur von Atomen/Molekülen auch für andere Strahlungsbereich herleiten, würde aber den Rahmen dieses Kapitels überschreiten.

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