Hoe werkt infraroodspectrometrie?

Infraroodspectrometrie is een techniek waarmee bepaalde bindingen (zoals C=O of O-H) in een koolstofverbinding kunnen worden aangetoond. De techniek is gebaseerd op de verschillende bewegingen van atomen in een molecuul.

Bewegingen in een molecuul

Atomen worden in een molecuul door chemische bindingen bij elkaar gehouden. Toch hebben de atomen een bepaalde vrijheid om te bewegen. Bij deze bewegingen (ook wel vibraties genoemd) bewegen de atomen ten opzichte van elkaar.

Er zijn een aantal typen vibraties, maar de belangrijkste zijn de strekvibratie en de buigvibratie. Bij een strekvibratie worden de bindingen tussen de atomen langer en korter. Bij een buigvibratie verandert de bindingshoek.

(links) Voorbeeld van een strekvibratie waarbij de bindingen tussen de atomen langer en korter worden.
(rechts) Voorbeeld van een buigvibratie waarbij de bindingshoek groter en kleiner wordt.

Een vibratie vindt plaats met een bepaalde frequentie. Zo'n frequentie is uniek voor iedere vibratie. De grootte van de frequentie wordt onder andere bepaald door de sterkte van de binding en door de massa van de twee atomen aan weerszijden van de chemische binding.

De frequenties van de vibraties in koolstofverbindingen komen overeen met die van infraroodlicht (golflengte van 2.5 µm tot 17 µm; dit komt overeen met een frequentie van 1,2·1014 Hz tot 18·1014 Hz).

Absorptie van straling

Door een molecuul te bestralen met infraroodlicht zal een gedeelte van dit licht worden geabsorbeerd (= opgenomen) door het molecuul. Welk gedeelte van het infrarode licht wordt opgenomen is afhankelijk van de chemische bindingen in het molecuul. Het molecuul zal namelijk die frequenties van het infrarode licht opnemen die overeenkomen met de frequenties van de verschillende vibraties in het molecuul. Door nu te bepalen welke frequenties uit het infrarode licht zijn geabsorbeerd, kan worden bepaald welke chemische bindingen een molecuul bevat.

Werking van de infraroodspectrometer

Een infraroodspectrometer bestaat grofweg uit de volgende onderdelen: een stralingsbron, een plaats voor het te onderzoeken monster en een detector.

Schematische weergave van een infraroodspectrometer.

Het licht van de infraroodlamp wordt door middel van een aantal spiegels in twee aparte, maar identieke, stralen gesplitst. Eén van deze stralen, de referentiestraal, bereikt ongehinderd de detector. In de andere straal kan het monster van de te onderzoeken stof worden geplaatst.

In de detector wordt nu het licht van de referentiestraal vergeleken met het licht van de straal door het monster. Uit het verschil tussen deze twee stralen blijkt vervolgens welke frequenties van het infrarode licht zijn geabsorbeerd door het monster. Hierna wordt het percentage licht dat door het monster is doorgelaten, als een grafiek weergegeven. Zo'n grafiek noemen we een infraroodspectrum.

(links) Het te onderzoeken monster wordt in het pad van de infrarode lichtstraal geplaatst.
(rechts) Verwerking van het signaal uit de detector vindt plaats op de computer.

IR-spectrum

Een infraroodspectrum is dus een weergave van de frequenties van het geabsorbeerde infrarode licht. Hieronder is het ir-spectrum van 2-heptanon weergegeven.

Het infraroodspectrum van 2-heptanon.

Klik op het spectrum voor een uitvergroting.

De frequenties in een ir-spectrum geven we meestal weer als golfgetal (met eenheid cm−1). Het golfgetal is gelijk aan 1 / golflengte.

Met behulp van Binas-tabel 39C of ScienceData-tabel 11.3 kun je bepalen met welke vibraties (en dus eigenlijk met welke chemische bindingen) de verschillende frequenties overeenkomen. In de bovenstaande figuur zijn rond 2900 cm−1 een aantal pieken te zien die worden veroorzaakt door C-H strekvibraties. Bij 1718 cm−1 is een duidelijke piek te zien die karakteristiek is voor een C=O strekvibratie in een keton.

Het gebied tussen 600 cm−1 en 1500 cm−1 noemen we het vingerafdrukgebied. Dit gedeelte van het infraroodspectrum is uniek voor iedere verbinding en dient dus als een soort vingerafdruk voor een verbinding.

Opmerking: soms wordt in plaats van het percentage doorgelaten ir-licht (de transmissie) het percentage opgenomen ir-licht (de absorptie) gebruikt.