Scheikunde van basisschool tot bovenbouw · Grades 1–12
34Infraroodspectroscopie
Op een plank in het laboratorium staat een fles kleurloze vloeistof waarvan het etiket is afgescheurd. Het kan een alcohol zijn, een keton of een zuur: drie families die er in een fles precies hetzelfde uitzien. Een druppel op het kristal van een infraroodspectrometer, twee minuten wachten, en er verschijnt een grafiek op het scherm die de vraag beantwoordt. De bindingen van een molecuul trillen, en elke soort binding neemt infrarood licht van haar eigen frequenties op: een infraroodspectrum is een lijst van de aanwezige bindingen.
Wat je al weet
Karakteristieke groepen en families (Hoofdstuk 33). Een absorptiespectrum laat zien hoeveel licht een stof bij elke golflengte opneemt (Hoofdstuk 29). Waterstofbruggen verbinden -groepen met naburige moleculen (Hoofdstuk 30).
34.1 Bindingen trillen
Een covalente binding is niet star: de twee atomen trillen, bewegen vele miljoenen miljoenen keren per seconde naar elkaar toe en van elkaar af, zoals twee balletjes verbonden door een veer. Een stijvere veer (een dubbele binding in plaats van een enkele) of lichtere balletjes (een waterstofatoom in plaats van een koolstofatoom) trillen sneller. Een binding kan infrarood licht opnemen waarvan de frequentie overeenkomt met haar eigen trilling: infrarood licht, onzichtbaar voor het oog, heeft golflengten van een paar micrometer tot een paar tientallen micrometer.
Definitie 34.1 (Golfgetal)
Het golfgetal van licht is het omgekeerde van de golflengte, . In de infraroodspectroscopie wordt het uitgedrukt in : het aantal golflengten in één centimeter. Een groter golfgetal betekent een kortere golflengte en een snellere trilling.
Voorbeeld 34.2 (Van een golfgetal naar een golflengte)
Een band bij hoort bij . Infraroodspectra lopen meestal van () tot ().
34.2 Een infraroodspectrum lezen
Definitie 34.3 (Infraroodspectrum, transmissie)
De transmissie van een monster bij een gegeven golfgetal is het percentage van het infrarode licht dat erdoorheen gaat: als er niets wordt opgenomen. Het infraroodspectrum van een verbinding is de grafiek van uitgezet tegen het golfgetal, volgens afspraak getekend met de golfgetallen afnemend van links naar rechts.
Definitie 34.4 (Absorptieband, vingerafdrukgebied)
Een absorptieband is een dip in de transmissie: het licht met die golfgetallen wordt door een binding opgenomen. De plaats ervan zegt welke binding het is, de breedte en de diepte vullen het beeld aan. Onder ongeveer staat het spectrum vol banden die van het hele molecuul afhangen: dit vingerafdrukgebied identificeert een verbinding door vergelijking met een bekend spectrum, maar is moeilijk binding voor binding te lezen.
In het laboratorium — Een spectrum opnemen
De meeste spectrometers op school en aan de universiteit gebruiken nu een klein diamantkristal: een druppel vloeistof, of een paar korrels vaste stof die met een klem worden aangedrukt, wordt op het kristal gelegd, en de infraroodbundel die langs het oppervlak strijkt, onderzoekt het monster. Eerst wordt het schone kristal opgenomen (de “achtergrond”), die de rol van de blanco speelt. Tussen twee monsters wordt het kristal schoongemaakt met een tissue en een beetje oplosmiddel.
34.3 Kenmerkende banden
Propositie 34.5 (Elke soort binding heeft haar band)
Elke soort binding absorbeert in een kenmerkend gebied van golfgetallen, dat van molecuul tot molecuul bijna hetzelfde is:
| binding | golfgetal () | uiterlijk |
|---|---|---|
| , zonder waterstofbrug (gas, verdund) | bij 3600 | smal |
| , met waterstofbrug (vloeibare alcohol) | 3300–3400 | breed, sterk |
| van een carbonzuur | 2500–3300 | heel breed |
| van een amine | 3300–3500 | matig (twee banden bij ) |
| van een keten | 2850–2960 | sterk |
| van een ester | bij 1735 | heel sterk, smal |
| van een aldehyde | bij 1730 | heel sterk, smal |
| van een keton | bij 1715 | heel sterk, smal |
| van een carbonzuur | bij 1710 | heel sterk, breder |
| bij 1650 | matig | |
| van een alcohol | bij 1050 | sterk |
Bewijs. Deze gebieden zijn gemeten aan veel verbindingen (ledger). Ze zijn per binding gegroepeerd omdat de trilling van een binding vooral afhangt van de binding zelf en haar twee atomen, en weinig van de rest van het molecuul. ∎
Propositie 34.6 (Waterstofbruggen verbreden de O–H-band)
Als -groepen door waterstofbruggen verbonden zijn, zoals in een vloeibare alcohol, is hun band breed en ligt ze bij lagere golfgetallen (ongeveer 3300–); zonder waterstofbruggen, zoals in het gas, is ze smal en ligt ze bij .
Bewijs. Aangenomen: een waterstofbrug trekt aan het waterstofatoom en maakt de -binding losser, zodat die langzamer trilt; en omdat elk molecuul een beetje anders gebonden is, spreidt de band zich over een gebied. ∎
34.4 Karakteristieke groepen herkennen
Methode 34.7 (Een infraroodspectrum lezen)
- Kijk eerst boven ; bewaar het vingerafdrukgebied voor een vergelijking met bekende spectra.
- Bij : een heel sterke band betekent een -groep (aldehyde, keton, zuur, ester, amide).
- Tussen 2500 en : een brede band bij betekent een alcohol-; een heel brede band van 2500 tot samen met een betekent een carbonzuur; middelmatige banden bij 3300– betekenen .
- Combineer met de molecuulformule om de familie te kiezen, en controleer daarna met de plaats van de -band als die er is.
Voorbeeld 34.8 (De zes spectra lezen)
Ethanol (A) vertoont een brede -band bij , de -banden net onder en een sterke -band bij , maar niets bij . In het gas (B) wordt de -band een smalle lijn bij . Propanon (C) heeft geen -band maar wel een heel sterke bij . Ethaanzuur (D) vertoont allebei: een enorme -band van 2500 tot en een bij . Ethylethanoaat (E) heeft zijn bij en een sterke bij , en geen . Ethaanamine (F) vertoont twee middelmatige -banden boven .
34.5 Oefeningen
Oefening 34.1 ★
Reken om naar een golflengte in micrometer: en . Welke hoort bij de snellere trilling?
Oplossing
Oplossing van Oefening 34.1.
; . De band bij , met het grotere golfgetal, hoort bij de snellere trilling.
Oefening 34.2 ★
Er wordt een golflengte van opgenomen. Geef het golfgetal in .
Oplossing
Oplossing van Oefening 34.2.
, dus .
Oefening 34.3 ★
Welke binding absorbeert: bij ; bij (breed); tussen 2850 en ?
Oplossing
Oplossing van Oefening 34.3.
De van een keton; een alcohol- met waterstofbruggen; -bindingen van een koolstofketen.
Oefening 34.4 ★
Zoek in spectrum C (propanon) de sterkste band. Bij welke binding hoort die?
Oplossing
Oplossing van Oefening 34.4.
De band bij : de -binding.
Oefening 34.5 ★
Waarom wordt een infraroodspectrum getekend met een transmissie-as, met de banden naar beneden? Wat betekent ?
Oplossing
Oplossing van Oefening 34.5.
Het instrument meet het licht dat door het monster gaat; waar een binding absorbeert, gaat er minder licht door en zakt de kromme. betekent dat er niets van het licht met dat golfgetal wordt opgenomen.
Oefening 34.6 ★★
Een verbinding vertoont een heel sterke band bij en geen band boven . Een andere, , vertoont een brede band bij en geen bij . Tot welke families horen ze? Stel voor elk een naam voor.
Oefening 34.7 ★★
Leg uit waarom de -band van ethaanzuur zo breed is, zelfs breder dan die van vloeibaar ethanol.
Oplossing
Oplossing van Oefening 34.7.
De -groepen van het zuur zijn heel sterk door waterstofbruggen gebonden (de moleculen vormen paren, elke gebonden aan de van de andere), en elk molecuul is een beetje anders gebonden: de band wordt nog losser en spreidt zich over een heel breed gebied.
Oefening 34.8 ★★
Vergelijk de spectra A en B van ethanol. Wat verandert er, en waarom?
Oplossing
Oplossing van Oefening 34.8.
In de vloeistof (A) is de -band breed, bij ; in het gas (B), waar de moleculen ver uit elkaar zitten en geen waterstofbruggen vormen, is het een smalle band bij .
Oefening 34.9 ★★
Propanal en propanon zijn allebei . Beide vertonen een sterke -band. Kan infrarood ze alleen op grond van die band onderscheiden? Wat zou nog meer kunnen helpen?
Oplossing
Oplossing van Oefening 34.9.
Nauwelijks: bij voor het aldehyde en voor het keton, waarden die dicht bij elkaar liggen. Een vergelijking van het hele spectrum, met het vingerafdrukgebied, met referentiespectra zou beslissen, of een andere techniek.
Oefening 34.10 ★★
Een verbinding vertoont een sterke band bij , een sterke band bij en niets boven . De formule is . Welke familie? Is ethaanzuur een mogelijkheid? Butaanzuur?
Oplossing
Oplossing van Oefening 34.10.
Een ester ( bij , sterke , geen ), bijvoorbeeld ethylethanoaat. Ethaanzuur is , niet . Butaanzuur heeft de juiste formule maar zou de heel brede -band van zuren laten zien: uitgesloten.
Oefening 34.11 ★★
Op welk van de zes spectra zou een molecuul propaan-1-ol het meest lijken? En propaanzuur? Leg uit.
Oplossing
Oplossing van Oefening 34.11.
Propaan-1-ol is een alcohol: zoals A. Propaanzuur is een carbonzuur: zoals D.
Oefening 34.12 ★★★
Propaan-2-ol kan geoxideerd worden tot propanon. Een leerling volgt de reactie door elke tien minuten spectra op te nemen van genomen monsters. Beschrijf hoe de spectra veranderen. Hoe weet ze dat de reactie voltooid is?
Oplossing
Oplossing van Oefening 34.12.
De brede -band bij krimpt, terwijl een sterke -band bij groeit. De reactie is voltooid als de -band verdwenen is en de -band niet meer groeit.
Oefening 34.13 ★★★
Butaanzuur en ethylethanoaat zijn isomeren, . Beschrijf twee verschillen tussen hun infraroodspectra, en verklaar ze.
Oplossing
Oplossing van Oefening 34.13.
Butaanzuur vertoont een heel brede -band van 2500 tot , de ester geen; de van het zuur ligt bij , breder, die van de ester bij , smal, met een sterke -band bij . Het zuur heeft een -groep met waterstofbruggen, die ook zijn een beetje losser maakt.
Oefening 34.14 ★★★
Een monster ethylethanoaat vertoont naast de verwachte banden een zwakke, brede band bij . Noem twee verontreinigingen die dat kunnen veroorzaken (denk aan hoe esters gemaakt worden, en aan de lucht). Hoe zou je het monster kunnen controleren?
Oplossing
Oplossing van Oefening 34.14.
Overgebleven ethanol (de alcohol waaruit de ester gemaakt wordt) of water (uit de lucht of van het wassen): beide hebben -groepen met waterstofbruggen. Je kunt het monster vergelijken met een referentiespectrum, drogen, destilleren, of het kookpunt meten.
Oefening 34.15 ★★★
De -band van ketonen ligt bij , die van een bij , en de -band bij . Leg met het beeld van twee balletjes aan een veer uit waarom een dubbele binding sneller trilt dan een enkele binding . Waarom liggen de banden van , en allemaal bij hoge golfgetallen?
Oplossing
Oplossing van Oefening 34.15.
Een dubbele binding is een stijvere veer dan een enkele binding tussen dezelfde atomen: ze trilt sneller, bij een hoger golfgetal (1715 tegen ). De bindingen , en bevatten allemaal een waterstofatoom, het lichtste van alle atomen: lichte balletjes aan een veer trillen snel, vandaar golfgetallen rond 2900–.
34.6 Probleem: Drie flessen zonder etiket
Probleem 34.1
Weekendprobleem — drie flessen zijn hun etiket kwijt: welke is welke, en welke golflengte absorbeert het keton het sterkst?
Drie flessen kleurloze vloeistof zijn hun etiket kwijt. Volgens de voorraadlijst bevatten ze ethanol, propanon en ethaanzuur. Hun spectra worden opgenomen: fles 1 geeft een spectrum zoals A, fles 2 zoals D, fles 3 zoals C.
Deel I — De kandidaten.
- Schrijf de beknopte structuurformules op van ethanol, propanon en ethaanzuur.
- Geef hun molecuulformules.
- Noem de karakteristieke groep van elk.
- Welke bindingen van elk zouden een band boven moeten geven?
Deel II — De spectra.
- Fles 1: is er een -band? Een -band? Welke verbinding is het?
- Fles 2: beschrijf de twee sterkste kenmerken. Welke verbinding?
- Fles 3: welke verbinding? Welke band beslist?
- Had de geur ze kunnen onderscheiden? Waarom kun je dat beter niet proberen?
- Waarom is de -band van fles 2 breder dan die van fles 1?
Deel III — Isomeren.
- Methoxymethaan is een isomeer van ethanol. Schrijf de formule op. Welke band van ethanol zou in zijn spectrum ontbreken?
- Propanal is een isomeer van propanon. Welke band hebben ze gemeen? Waar ligt die voor elk?
- Methylmethanoaat, , is een isomeer van ethaanzuur. Welke band van het zuur zou ontbreken? Waar zou de -band liggen?
- Waarom kan een molecuulformule alleen een verbinding niet identificeren, en formule en spectrum samen meestal wel?
Deel IV — De golflengte.
- Wat is het golfgetal van de sterkste band van propanon?
- Druk het uit in .
- Bereken de opgenomen golflengte, in meter, en daarna in micrometer.
- Is dat licht zichtbaar? Tot welke soort straling hoort het?
- Doe hetzelfde voor de -band van ethanol bij .
- Welke van de twee bindingen trilt sneller?
- Geef het eindantwoord: welke golflengte absorbeert de -binding van propanon het sterkst?
Oplossing
Oplossing van Probleem 34.1.
1. ; ; .
2. ; ; .
3. Hydroxyl; carbonyl (keton); carboxyl.
4. Ethanol: en . Propanon: en . Ethaanzuur: , en .
5. Geen -band, een brede -band: ethanol.
6. Een heel brede -band van 2500 tot en een sterke bij : ethaanzuur.
7. Propanon: de heel sterke -band bij , zonder .
8. Waarschijnlijk wel (azijn, oplosmiddel, alcohol), maar aan onbekende vloeistoffen ruiken is gevaarlijk; het spectrum is veilig en zeker.
9. De -groepen van het zuur zijn sterker door waterstofbruggen gebonden (paren van moleculen), dus de band ligt lager en is veel breder.
10. , ; het heeft geen , dus geen -band.
11. De -band: bij voor propanal, bij voor propanon.
12. De -band: een ester heeft geen . Zijn zou bij liggen.
13. Isomeren hebben dezelfde formule; hun karakteristieke groepen verschillen, en het spectrum laat de groepen zien.
14. .
15. .
16. .
17. Nee: zichtbaar licht loopt van ongeveer 0.4 tot . Het is infraroodstraling.
18. , dus .
19. De -binding (hoger golfgetal, kortere golflengte).
20. Ongeveer .