SA1_Praktikum_IR_IC
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HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber Praktikumsanleitung Chemische Spurenanalytik (SA1) IR / IC Inhaltsverzeichnis Allgemeines ...................................................................................................................... 2 A. Ionenchromatographie .................................................................................................. 3 1. Grundlagen IC ........................................................................................................... 3 1.1 Trennung auf der Säule ....................................................................................... 3 1.2 Detektor ............................................................................................................... 4 1.3 Suppressor .......................................................................................................... 4 2. Praktischer Teil IC ..................................................................................................... 5 2.1 Wichtiges zum Versuch ....................................................................................... 5 2.2 Versuch ............................................................................................................... 6 B. FTIR ............................................................................................................................11 1. Grundlagen IR ..........................................................................................................11 1.1 Allgemeines ........................................................................................................11 1.2 Funktionsweise des Spektrometers ....................................................................11 1.3 Spektreninterpretation .........................................................................................14 2. Praktischer Teil FTIR ...................................................................................................17 2.1 Allgemeines ........................................................................................................17 2.2 Versuche ............................................................................................................17 2.3 Messen des Hintergrunds beim ATR-Zubehör ....................................................21 2.4 Auswerten ...........................................................................................................21 2.5 Protokoll erstellen ...............................................................................................23 1 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber Allgemeines In diesem Praktikumsversuch lernen Sie moderne qualitative und quantitative Analytik mit Hilfe von FTIR-Spektrometer und Ionenchromatograph kennen. Dies sind neben GC/MS, Fotometrie, AAS, ICP-OES, etc. wesentliche unter den vielen Analysenmethoden, die letztlich die Grundlage aller Diskussionen um Schadstoffe in unserer Umwelt bilden. Auch in der Prozesskontrolle werden sie eingesetzt. Literatur: Unter www.fh-augsburg.de finden Sie auf meiner homepage mit dem Benutzernamen „test“ und dem Kennwort „orbital“ eine spezielle Praktikumsvorbereitung in Powerpoint für das FTIR. D. C. Harris, Lehrbuch der quantitativen Analyse, Verlag Vieweg, Wiesbaden 1997. W. Gottwald, G. Wachter, IR-Spektroskopie für Anwender; Wiley-VCH, Weinheim 1997. D. Jensen, Grundlagen der Ionenchromatographie, 3. Auflage, Dionex GmbH, Idstein 2000 (im Praktikum vorhanden). R. A. Meyers (Hrsg.), Encyclopedia of Analytical Chemistry, Bd. 12 (GC, IR) und Bd. 13 (MS, IC), Verlag Wiley, Chichester 2000. H. Günzler, A. Williams (Hrsg.), Handbook of Analytical Techniques, Bd. 1 (GC, LC, IR), Bd. 2 (MS). 2 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber A. Ionenchromatographie 1. Grundlagen IC Erste einfache Ionenchromatographen gibt es seit 1975. Im Praktikum trennen sie mit Hilfe der heute üblichen Suppressor-Ionenaustausch-Chromatographie ein Gemisch von Kationen in einer flüssigen Probe und weisen die Komponenten und ihre Konzentration über deren Leitfähigkeit nach. Analog können in einem zweiten Lauf Anionen analysiert werden (was Sie im Praktikum aus Zeitgründen jedoch nicht durchführen). Ein Ionenchromatograph (IC) ist wie folgt aufgebaut: Eluenten-Vorrat Pumpe Injektionsventil für die Analysenprobe Trennsäule Suppressor Detektor (Leitfähigkeits-Messzelle) 1.1 Trennung auf der Säule Das Ionenaustauscherharz der Säule besteht meistens aus Kügelchen eines wasserunlöslichen Grundgerüsts von unpolarem Polystyrol/Divinylbenzol (PS/DVB) oder von polarem Polymethacrylat. Daran sind die eigentlichen Austauschergruppen gebunden. Für Kationen sind das Sulfonsäuregruppen (-SO3-, stark sauer) oder Carboxylatgruppen (-COO-, schwach sauer) in ihrer aktiven protonierten Form. Das Harz mit den Austauschergruppen bezeichnet man als immobile oder stationäre Phase. Die Flüssigkeit, mit der die Analysenprobe über die Trennsäule gespült wird, heißt Eluent. Zusammen mit der darin gelösten Probe nennt man sie mobile Phase. Für die Kationenanalyse im Praktikum ist der Eluent mit Reinstwasser (Leitfähigkeit < 0,055 µS/cm) verdünnte Methansulfonsäure (MSA). Die Kationen der Analysenprobe werden beim Durchlaufen der Säule an die Austauschergruppen gebunden und setzen dafür Protonen frei. Die zugehörigen Anionen der Analysenprobe werden nicht zurückgehalten. Die gebundenen Kationen werden dann langsam wieder durch die H+-Ionen der MSA an den Austauschergruppen ersetzt und damit nach und nach als Methansulfonate ausgewaschen. Einfach positiv geladene (monovalente) Kationen werden in der Säule weniger zurückgehalten als zweifach positiv geladene (divalente) oder gar trivalente Katio- 3 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber nen. (Pro Ladungseinheit des Ions wird eine elektrostatische Bindung zur Ionenaustauschergruppe ausgebildet. Je höher die Ionenladung, desto mehr monovalente Austauschergruppen sind für die Bindungen nötig.) Kleinere Ionen werden weniger zurückgehalten als größere. (Je größer das Ion, desto polarisierbarer ist dessen Elektronenhülle und damit desto stärker ist die Bindung.) Ionen gleicher Ladung mit vergleichbarem Ionenradius – wie bei vielen Übergangsmetallen der Fall – sind daher schlecht aufzutrennen. Die Reihenfolge der peaks ist also bei gleicher Säule: Li+, Na+, NH4+, K+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Al3+ etc. (vgl. auch Abb. 2). Die Zeit, bis ein auf die Säule gegebenes Ion im Detektor erfasst wird, nennt man Retentionszeit. Einflussparameter auf das Trennverhalten der IC sind: Art und Struktur der stationären Phase Art und Struktur der Ionenaustauschergruppen Art, Konzentration und Flussrate des Eluenten Temperatur und pH-Wert 1.2 Detektor Die mit dem Eluenten auf der Säule getrennten Ionen werden durch ihre Leitfähigkeit nachgewiesen. Die Reihenfolge, in der die Ionen auf der jeweiligen Säule aufgetrennt werden und ihre Retentionszeiten werden durch Standards festgelegt. Um die Nachweisempfindlichkeit zu erhöhen, läuft die mobile Phase vor dem Detektor durch den Suppressor (siehe unten). Die Nachweisgrenzen liegen für Kationen bei ca. 1 – 3 µg/l. 1.3 Suppressor Auch der Eluent MSA ist leitfähig, wobei das Methansulfonat-Anion mit 48,8 µS/cm bereits eine sehr niedrige Äquivalentleitfähigkeit zeigt. Mit der Suppressor-Technik wird dessen Leitfähigkeit jedoch „unterdrückt“ und gleichzeitig die Probe in eine besser leitfähige Form überführt; die Signale der nachzuweisenden Ionen sind daher deutlicher. Außerdem kann für eine bessere Trennung die Konzentration des Eluenten im Lauf der Analyse verändert werden. Als Suppressor dient ein Anionenaustauscher (Membran) in seiner aktiven OHForm. Damit werden die Methansulfonat-Anionen gegen OH- ausgetauscht. Von dem Eluenten MSA bleibt also nur noch H2O mit seiner sehr niedrigen Leitfähigkeit übrig; die zu analysierenden Kationen werden als Hydroxide mit hoher Leitfähigkeit ausgespült (Äquivalentleitfähigkeit des OH--Ions: 198,6 µS/cm!). Durch Elektrolyse von Wasser regeneriert sich der Suppressor ständig selbst; d.h., die nötigen OH--Ionen werden dauernd nachgeliefert. 4 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 2. Praktischer Teil IC 2.1 Wichtiges zum Versuch Abb. 1: IC - - Alle Proben dürfen Sie nur durch den bereitgelegten Spritzenfilter mit einer 5 ml Kunststoffspritze in den IC injizieren. Die Spritze muss mit jeder Probe vorgespült werden, dazu 2 bis 3 mal aufziehen und durch den Filter ausspülen. Eine Analyse dauert ca. 17 min. Während eines Laufes können sie Anderes (z.B. den IR-Versuch) bearbeiten. Eluent für die Kationenanalyse ist Methansulfonsäure (MSA) mit einer Konzentration von 20 mmol/l, angesetzt in Reinstwasser. Die Flussgeschwindigkeit des Eluenten beträgt 1,0 ml/min Das Injektionsvolumen der im Gerät integrierten Probenschleife fasst 25µl. Diese müssen Sie mit jeder Probe spülen und vollständig füllen. Dazu spritzen Sie ca. 2 ml der Probe ohne Luftblasen durch die Kupplung auf der Vorderseite des Gerätes ein Die Basisdatei bzw. Laufsequenz (FTIR_Local\DX120\Praktikum Umwelt8-Semester\KationenStudenten), in der der gesamte Lauf dem Gerät vorgegeben wird, ist bereits angelegt. Sie kann auch während des Laufes jederzeit verändert werden. Das Laufprogramm und die Auswertedatei sind ebenso bereits vorhanden (siehe Abb. 4) 5 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber - Unter dem Menü window können Sie zwischen verschiedenen Fenstern mit einem Klick wechseln. Standards haben in der Laufsequenz den „Type“ Standard, Blindwerte den „Type“ Blank und Proben haben den „Type“ Unknown Sie können mit Ihrer Laufsequenz nach der Probenvorbereitung sofort starten Ein erfolgreicher Lauf hat folgendes Aussehen: Abb. 2: Aussehen eines Laufes 2.2 Versuch 2.2.1 Vorbereitung: - Verdünnen Sie zunächst wie folgt die Standardkonzentrate von je 1000 mg/l der Kationen: Natrium, Ammonium, Kalium, Magnesium und Calcium zu einer Kalibrierreihe mit Standardgemischen von je 5, 20, 50 und 100 mg/l in die entsprechend beschrifteten 50 ml-Kolben. Abb. 3: Utensilien für den Verdünnungsvorgang 6 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber Verdünnung der Standards für die Kalibrierreihe Hinweis: Es werden nur 50 ml Kolben verwendet. Zur Verfügung stehen Pipetten für 5,10 und 25 ml. Ausgangskonzentration: 1000 mg/l je Kation 5 / 50 d.h. pipettieren Sie je 5 ml der Konzentrate in einen 50 ml Kolben, füllen Sie mit VE-Wasser auf 50 ml auf und mischen Sie durch Schütteln (= Standard 4 als Ausgangsgemisch) 100 mg/l = std4 25 / 50 10 / 50 d.h. 25 ml von std4 und mit VE-Wasser auf 50 ml auffüllen usw. 50 mg/l = std3 5 / 50 5 mg/l = std1 20 mg/l = std2 7 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber - (In der Datei für die Laufsequenz ihre „Type`s“ anlegen (in der Reihenfolge: erst Blindwert, dann Kalibrierung (std), dann Probennamen). Man kann in das Namensfeld klicken und die Namen ändern.) Abb. 4: Laufsequenz 2.2.2 Messung der Proben: - (Sequenz nun starten: über Menüpunkt window auf „DX120 / Timebase DX120“ klicken, dann über Menü Batch auf START, Dateinamen vergleichen und erneut auf START und mit dem Spülen der Probenschleife mit Probe bzw. Standard beginnen.) - Das Programm gibt vor: „Manually inject the sample and press OK to continue“ nach dem Einspritzen der Probe (ca. 2ml) mit OK starten. - 8 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber - - - - - Nach jedem Lauf wird automatisch zum Start des nächsten Laufs aufgefordert, bis die Sequenz bzw. alle Läufe abgearbeitet sind. Während der Aufforderung: „Manually inject the sample ...“ kann man an der Software nichts eingeben. Die Grundlinie sollte nahezu eine Gerade ergeben. Ist dies nicht der Fall, muss sofort - noch während des ersten Laufes - in die Laufsequenz direkt nach der ersten Zeile ein weiterer Blindwertlauf mit Reinstwasser hinzugefügt werden. Dazu zweite Zeile anklicken, auf rechte Maustaste und mit INSERT SAMPLE eine neue Zeile einfügen. Die Daten werden von der darüberliegenden Zeile kopiert. Auf Button SPEICHERN klicken. Nach dem ersten Standard sollte man sich die Kurve ansehen: Über window auf die Datei der Laufsequenz FTIR_local\DX120\PraktikumUmwelt-8-Semester\KATIONEN-STUDENTEN mit einem Doppelklick auf die entsprechende Reihe gehen. Sollen mehrere Kurven angesehen werden kann man direkt oben auf den Flaschensymbolen (siehe Abb. 4) mit den Pfeilen zwischen den einzelnen Läufen hin und her springen. Falls die Software bei den Standards nicht alle Kationen identifizieren kann, d.h. die Namen der Kationen über den Peaks fehlen, weiter unter 2.2.3 Nach Beendigung der Laufsequenz erstellen Sie ein Protokoll von den Proben, siehe unter 2.2.4. 2.2.3. Bearbeiten der Kalibrierreihe (falls nötig): - Es müssen die Retentionszeiten geändert werden: - Dazu im oberen Teil der Laufsequenz (siehe Abb. 4) auf Kationenversuche doppelklicken und dort den unteren Reiter PEAK TABLE anklicken und - bei den einzelnen Ionen unter Ret.Time die Zeit auf den aktuellen Lauf anpassen oder window-Wert vergrößern. - Die aktuelle Zeit ist entweder im Grafen sichtbar oder man fährt mit der Maus die Kurve ab, die Zeit wird ganz unten links angezeigt. - In Ret.Time doppelklicken und neue Retentionszeit direkt mit Komma eingeben, mit OK bestätigen - Das Programm berechnet alle Läufe neu und kann dann die peaks den einzelnen Ionen wieder zuordnen. 2.2.4 Protokoll erstellen: - Probe in der Laufsequenz wieder doppelklicken - Im Menü auf VIEW und danach PRINTER LAYOUT gehen. Es muss unten der Reiter INTEGRATION ausgewählt sein. - Druckerzeichen anklicken - Mit OK Druck bestätigen - Der Report wird im Büro nebenan ausgedruckt. 9 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 1. Berechnen Sie aus den erhaltenen Konzentrationswerten für Ca2+ und Mg2+ wie folgt die Wasserhärte: Wasserhärte = c(Ca2+) + c(Mg2+) Aus der Massenkonzentration = m/V (in mg/l) des Reports ergibt sich mit Division durch die Molmasse jeweils die Stoffmengenkonzentration c = m/(VM) = n/V. M (Ca) = 40,1 g/mol; M (Mg) = 24,3 g/mol 2. Wie funktioniert ein Suppressor in der Kationenbestimmung? 10 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber B. FTIR 1. Grundlagen IR 1.1 Allgemeines Infrarotlicht (IR) regt Schwingungen und Rotationen in Molekülen an, die charakteristisch für einzelne Bindungen bzw. den jeweiligen Molekülteil sind. Damit eine Schwingung IR-aktiv ist, muss sie eine Änderung im Dipolmoment des Moleküls hervorrufen. Wird eine Schwingung angeregt, absorbiert diese Energie einer bestimmten Wellenlänge des eingestrahlten Lichts. Je stärker die Bindung und je kleiner die Masse der beteiligten Atome ist, desto höher ist die zur Anregung der Schwingung notwendige Energie und desto kürzer dementsprechend die Wellenlänge. Wie stark die Absorption ausfällt, hängt von der jeweiligen Schwingung und von der Konzentration der gemessenen Substanz ab. Misst man die prozentuale Intensität der Signale (y-Achse: Absorptionsbanden oder Extinktionspeaks) in Abhängigkeit der Wellenlänge (x-Achse), bezeichnet man das als Spektrum. Aus der Lage, der Form und der Intensität der einzelnen Banden im Spektrum lässt sich auf das Gesamtmolekül zurück schließen. Die Identifizierung erfolgt am leichtesten durch Vergleich mit Bibliotheken bereits aufgenommener Spektren. Üblicherweise wird in der IR-Spektroskopie der Bereich des mittleren Infrarot von 2,5 bis ca. 25 µm erfasst. Statt der Angabe der Wellenlänge wird aber als Parameter die Wellenzahl verwendet. Sie gibt die Anzahl der Wellen (jeweils Wellenberg + Wellental) pro Zentimeter an. Sie können wie folgt umrechnen: Wellenzahl (in cm-1) = 10000 / Wellenlänge (in µm) D.h., 2,5 µm entsprechen also Wellenzahlen von 4000 cm-1 und 25 µm von 400 cm-1. Zwischen 1500 und 600 cm-1 liegen besonders viele Banden; man bezeichnet diesen Bereich deshalb als „fingerprint“ der zu messenden Substanz. In den von Ihnen gemessenen Spektren haben Sie als Abszisse die Wellenzahl und als Ordinate die Transmission – also den Anteil der nicht absorbiert wurde – bzw. umschaltbar die Extinktion. 1.2 Funktionsweise des Spektrometers Die Infrarot-Spektroskopie ist eine Standardmethode zur Messung von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen. Erste IR-Spektrometer wurden seit 1937 entwickelt; FTIR-Spektrometer gibt es seit ca. 1980. Die älteren dispersiven Geräte strahlten eine Wellenlänge nach der anderen ein und maßen die Absorption. Bei der hier verwendeten Fourier-Transform-Infrarot- 11 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber Spektroskopie (FTIR) wird der gesamte Wellenlängenbereich gleichzeitig eingestrahlt und nicht das Spektrum selbst sondern ein Interferogramm davon aufgenommen. Dadurch sind deutlich kürzere Messzeiten, höhere Frequenzgenauigkeit und bessere Auflösungen möglich. Bei gleicher Auflösung ist das Signal-RauschVerhältnis besser. Das Infrarotlicht wird von der IR-Quelle auf einen halbdurchlässigen Spiegel aus Germanium als Strahlteiler und von dort auf einen festen und einen mit konstanter Geschwindigkeit bewegten Spiegel gesandt. Mit einem Laser der Wellenlänge = 632,8 nm wird der Spiegelabstand gemessen. Die beiden reflektierten, sich überlagernden Strahlen gehen nun durch die Probe auf den Detektor (siehe Powerpoint-Animation auf meiner homepage). Auflösung Zwei nahe benachbarte Signale können unterschieden werden, wenn sie um mehr als 1/ cm-1 auseinander liegen. ist dabei der maximal mögliche Gangunterschied der beiden Strahlen im Interferometer. Beträgt z.B. die Spiegelbewegung ± 2 cm, ist der maximale Gangunterschied = ± 4 cm und damit die Auflösung 0,25 cm-1. Je größer die Spiegelbewegung ist, desto besser wird also die Auflösung. Fourier-Analyse Mit ihrer Hilfe kann jede beliebige Kurve mathematisch mit einer Summe von Sinus- und Cosinus-Termen beschrieben werden: y = [ a n 0 n sin( n x) bn cos(n x)] mit : 2 x2 x1 an bzw. bn : Fourier-Koeffizienten für n Fourier-Reihen, y: Intensität der peaks, x2 - x1: gemessener Wellenlängenbereich, also z.B. in Wellenzahlen 4000 cm -1 400 cm-1 für ein Gesamtspektrum; Aus dem gemessenen Interferogramm (= beliebige Kurve) können so wieder die enthaltenen Wellenlängen bestimmt werden. Das IR-Spektrum ist also die FourierTransformation des Interferogramms. Auch die vorhandene Umgebungsluft oder das gewählte Trägermaterial ergeben ein Spektrum. Dieses wird als sogenannter Hintergrund (Background) direkt vor der Probenbestimmung gemessen und gespeichert. Siehe folgende Abb. 0: KBr absorbiert im IR nicht, zu sehen sind Wasserdampf und Kohlendioxid der Laborluft. 12 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber Abb. 0: Spektrum des Hintergrunds (Background) bei KBr-Presslingen Danach messen Sie die Probe. Das endgültig angezeigte Spektrum, das Sie interpretieren, ist der vom Gerät ermittelte Quotient aus dem Spektrum der Probe durch das Hintergrundspektrum. D.h. der Hintergrund wird rechnerisch aus dem gemessenen Spektrum entfernt, sodass nur die Signale der Probe zu sehen sind. Signal-Rausch-Verhältnis Als „Rauschen“ bezeichnet man gerätebedingte zufällige Signale, die nichts mit der gemessenen Substanz zu tun haben. Diese können positiv wie auch negativ sein. Werden sehr viele Spektren aufgenommen, mittelt sich bei deren Addition das Rauschen heraus; die Absorptionen der Probe verstärken sich relativ dazu. Die Grundlinie des Spektrums wird dadurch glatter. Für eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses um den Faktor n ist die Addition von n² Spektren notwendig. Bei sehr kleinen Probemengen oder bei Banden mit von Haus aus kleiner Intensität ist es also sinnvoll, mehr Einzelinterferogramme (scans) aufzunehmen. Damit wird allerdings die nötige Messzeit verlängert. 13 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber ATR-Technik Neben der Transmissionsspektroskopie mit einer Durchstrahlung der Probe hat sich wegen der einfacheren Handhabung immer stärker die Reflexionsspektroskopie etabliert. Im Praktikum wird dazu ein Diamant/Zinkselenid-Kristall mit höherem Brechungsindex als die Probe verwendet, der horizontal angeordnet ist. Die zu messende Substanz wird direkt auf den Kristall gebracht. Bei Flüssigkeiten geschieht das in Tropfenform, bei festen Proben sind eine feine Pulverisierung und der Andruck entscheidend. Die IR-Strahlung wird innerhalb des Kristalls auf die Probe gerichtet. An der Grenzfläche Kristall / Probe kommt es zu mehrfacher Totalreflexion. Die IRStrahlung pflanzt sich innerhalb des Kristalls fort. An der Grenzfläche dringt sie aber etwas in die Probe ein, wird dabei abgeschwächt und nimmt sozusagen die Information aus der Probe mit: ATR = Attenuated Total Reflection (abgeschwächte Totalreflexion) oder auch MIR = Multiple Internal Reflexion. Die Eindringtiefe variiert mit der Lichtenergie und beträgt ca. eine Wellenlänge. Bei kleinen Wellenzahlen ist also die Eindringtiefe größer und die Intensität der Banden nimmt damit zu. Um mit Transmissionsspektren vergleichen zu können, muss daher eine rechnerische „ATR-Korrektur“ durchgeführt werden, die diese Wellenlängenabhängigkeit ausgleicht. 1.3 Spektreninterpretation Schwingungsverhalten von Molekülen Hat ein Molekül N Atome, sind für jedes dieser Atome Bewegungen in die drei Raumrichtungen möglich, es gibt also 3N Bewegungsmöglichkeiten, sogenannte Bewegungsfreiheitsgrade. Bei drei davon bewegen sich alle Atome gleichzeitig in x-, y- oder z-Richtung, was einer Bewegung des Gesamtmoleküls entspricht (3 Translationsfreiheitsgrade). Weitere drei entsprechen einer Rotation des Gesamtmoleküls um dessen Massenschwerpunkt. Bei linearen Teilchen ändert sich mit einer Rotation um die Molekülachse nichts, so dass es nur zwei unabhängige Rotationen gibt (d.h. 3 bzw. 2 Rotationsfreiheitsgrade). Alle anderen Bewegungen der Atome ergeben Schwingungen innerhalb des Moleküls. Bei gewinkelter Anordnung sind also insgesamt 3N - 6 Schwingungsfreiheitsgrade, so genannte Normalschwingungen möglich; bei linearen Teilchen sind es 3N - 5. 14 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber Ein dreiatomiges gewinkeltes Molekül (wie z.B. Wasser, Ozon, Schwefeldioxid etc.) besitzt also 3 3 – 6 = 3 Normalschwingungen, die folgendermaßen zustande kommen: Deformation des Bindungswinkels: Deformationsschwingung () Änderung der Bindungslängen: Valenzschwingung () beide Endatome schwingen zur gleichen Zeit in dieselbe Richtung: symmetrische Valenzschwingung (s) beide Endatome schwingen in unterschiedliche Richtung: asymmetrische Valenzschwingung (as) Für asymmetrische Valenzschwingungen ist die höchste Energie nötig; sie erscheinen also bei hohen Wellenzahlen. Die symmetrischen Valenzschwingungen liegen darunter. Für Deformationsschwingungen ist dagegen eine deutlich niedrigere Energie nötig, d.h. sie treten bei niedrigen Wellenzahlen auf. Bei komplizierteren Molekülen gibt es noch eine Reihe weiterer Schwingungsformen, auf die hier aber nicht eingegangen werden soll. Die Lage der Absorptionsbanden für freies Wasser ist z.B.: as bei 3756 cm-1, s bei 3657 cm-1 und bei 1595 cm-1. In gebundenem Wasser – z.B. in Schichtmineralien – verändert sich die Lage der Banden etwas, so dass eine Aussage über die chemische Umgebung möglich ist. In Gasen, also auch bei Wasserdampf, werden zusätzlich Rotationen angeregt, die sich den Schwingungsbanden überlagern und diese dadurch verbreitern. 15 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber Das im Praktikum gemessene Hintergrundspektrum (siehe Abb. 0: Background) zeigt als Gasspektrum der Luft vor allem die intensiven Valenzschwingungen (s und as) und die Deformationsschwingung () des Wasserdampfs sowie as von Kohlendioxid bei 2349 cm-1. s von Kohlendioxid (bei 1285 cm-1) führt nicht zu einer Dipoländerung und ist daher nicht IR-aktiv; genauso verhält es sich bei zweiatomigen, symmetrischen Molekülen wie N2 und O2. Diese Banden können nur in der Raman-Spektroskopie beobachtet werden. Auch das Trägermaterial Kaliumbromid (siehe 2.2.1) ist nicht infrarotaktiv. 16 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 2. Praktischer Teil FTIR 2.1 Allgemeines - Das Software-Programm ist bereits geöffnet. Während der Messung sollte das Gerät nicht verändert werden. Eine Messung dauert ca. 1 min. Der Messstatus ist am Bildschirm unten links sichtbar Der Probenhalter für KBr-Presslinge ist unter der Geräteschutzkappe eingebaut. 2.2 Versuche 2.2.1 Bestimmung einer pulverigen anorganischen Gesteinsprobe Ersten KBr-Pressling (Blindprobe) herstellen: Abb. 1: Pressutensilien - Stecken Sie zunächst Teil 1 und 2 (siehe Abb. 1) zusammen und lassen Sie vorsichtig die Pressplatte (3) mit der geschliffenen, glatten Fläche nach oben in die Halterung gleiten 17 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber - - - - Verteilen Sie 4 Spatel KBr (4) gleichmäßig auf dieser glatten Oberfläche Die zweite Pressplatte (5) mit der glatten Fläche nach unten vorsichtig in die Halterung drücken Stempel (6) mit planer Fläche nach unten auf Pressplatte (5) stellen und alles gemeinsam zentriert in die Presse geben, zweite Person hält dabei die Schutzscheibe hoch Mit oberer Kurbel (12) alles leicht handfest drehen und mit dem Pumphebel (13) rechts den Druck auf max. etwas über 10 t erhöhen Den Druck ca. eine Minute halten, evtl. geringfügig nachpumpen Dann am kleinen Rad (7) rechts unten langsam öffnen und Druck ablassen, Rad sofort wieder schließen Kurbel (12) lösen, alles herausnehmen Vom Presswerkzeug die unterste Halterung (1) abnehmen, Rest umdrehen (Stempel dabei festhalten!) und durchsichtigen Ring (8) oben aufsetzen Alles zentriert in die Presse geben, mit oberer Handkurbel (12) vorsichtig am durchsichtigen Ring ansetzen (siehe Abb. 2) und mit der Hand weiterdrehen, bis 1. Pressplatte (5) ganz heraustritt, Kurbel (12) lösen Alles herausnehmen, Ring und obere Pressplatte abnehmen und mit Spatel oder Pinzette (9) den durchsichtigen Pressling in die schwarze Halterung (10) gleiten lassen, mit kleinem Ring (11) fixieren. Presslinge nie mit den Fingern berühren! (Warum?) Abb. 2: KBr-Presse Abb. 3: Halterung für Press linge im Spektrometer 18 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber Zweiten Pressling mit Probe herstellen: - Die selbe Menge KBr, wie für den ersten Pressling in den Achatmörser (14) geben, eine stecknadelkopf-große Prise der bereitgestellten unbekannten Probe dazugeben, alles unter Mahlen gut vermengen und daraus wie vorher beschrieben den zweiten Pressling herstellen und in den zweiten Halter (10) geben. Messung der Proben: - Durchsichtigen Deckelschieber am Spektrometer öffnen - Ersten Halter mit reinem KBr-Pressling in den Rillen der Halterung nach unten gleiten lassen (siehe Abb. 3), Deckelschieber wieder schließen - Im Computerprogramm Button Col Smp (oben links) anklicken, Namen der Probe eingeben, OK und erneut auf OK drücken. Das Gerät misst nun den Hintergrund (Background) - Dann Halter austauschen, Pressling mit der Probe einsetzen und OK bestätigen, nach der Messung „Zufügen zu Fenster n“ mit JA bestätigen - Alle Presswerkzeuge mit Papiertuch säubern - Presslinge im kleinen Tischabfalleimer entsorgen Auswertung der fertigen Spektren später nach Messung aller IR-Spektren unter Punkt 2.4. Ebenfalls später Protokoll erstellen siehe unter Punkt 2.5. 2.2.2: Bestimmung einer Folie - Zuerst muss in das Spektrometer ein anderes Zubehör, das ATR (siehe Abb. 4) eingebaut werden: 1. Geräteschutzkappe vorne öffnen, ganz hochklappen 2. Mittlere schwarze Schraube am Scharnier öffnen und Schutzkappe abnehmen 3. Einsatz für KBr-Presslinge an der Presslingshalterung fest umgreifen und langsam nach oben ziehen 4. Ganz aus dem Gerät nehmen 5. Alles oberhalb des Gerätes auf die Ablage legen 6. Das ATR-Zubehör (siehe Abb. 4) mit beiden Händen oben am Griff (3) und vorne an der Vertiefung (4) nehmen und so in das Gerät einsetzen, dass die hintere Schraubenhalterung (5) hinten in das Gerät passt 7. Das ATR-Zubehör mit der dabei liegenden Schraube (5) befestigen 19 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 8. Die Software fragt, ob ein anderes Zubehör eingesetzt wurde und ob es gleich getestet werden soll, auf OK klicken 9. Test mit OK bestätigen - Nun ist alles für die nächsten Messungen vorbereitet Abb. 4: ATR-Zubehör Probenfolie messen: - Zuerst muss der Background gemessen werden, siehe unter Punkt 2.3 - Zum Messen der Probenfolie auf Button Col Smp gehen, Namen der Probe eingeben, mit OK bestätigen, Folie glatt auf die Diamantoberfläche legen Anpresseinheit mit hinterer Schraube (7) lösen: Diese muss dazu nach hinten herausgezogen und gehalten werden, dabei den Kopf (8) nach vorne schwenken Nadel nun mit der oberen großen silbrigen Arretierschraube (9) so lange vorsichtig auf die Folie schrauben, dass ein Spektrum mit klar erkennbaren Banden entsteht. Spätestens aufhören, wenn es klackt! Jetzt mit Button Messung starten und mit JA zum Fenster1 zufügen Arretierschraube (9) zurückdrehen, hintere Schraube (7) wieder lösen, Anpresseinheit nach oben schwenken und Folie herausnehmen Diamantoberfläche mit Papiertuch reinigen - Ergebnis auswerten siehe unter Punkt 2.4. Protokoll erstellen siehe unter Punkt 2.5. - - - 20 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber 2.2.3 Bestimmung eines Lösemittels: - Zuerst wieder den Background messen, siehe unter Punkt 2.3 - Probenmessung vorbereiten (der Andrückkopf (8) wird nun nicht benötigt) auf Button Col Smp gehen Namen der Probe eingeben, mit OK bestätigen Dann etwas Lösemittel mit der vorbereiteten Pipette aufnehmen, einen Tropfen genau auf die Mitte der Diamantoberfläche geben, sofort das dabei liegende Glasdeckelchen darüber stülpen und die Messung ohne große Zeitverzögerung am PC mit Button Messung starten beginnen. Nach der Messung die Oberfläche sofort mit dem Tuch reinigen und erst danach mit JA zum Fenster1 zufügen - - Ergebnis auswerten siehe unter Punkt 2.4. Protokoll erstellen siehe unter Punkt 2.5. 2.3 Messen des Hintergrunds beim ATR-Zubehör - - Button Col Bkg anklicken, Mit OK bestätigen: Sie sehen das Hintergrundspektrum (ähnlich zu Abb. 0) Dieses ist auch ein Test zum Überprüfen der Sauberkeit der Diamantoberfläche (6); wenn es Abb. 0 ähnelt, Button Messung starten (oben rechts) anklicken, ansonsten mit Papiertuch die Messfläche auf der Mitte des Zubehörs (6) abwischen. Background nach der Messung mit OK bestätigen „Zufügen zu Fenster n“ mit JA bestätigen 2.4 Auswerten - Das in roter Farbe angezeigte Spektrum ist das aktive; durch Anklicken auf der jeweiligen Kurve lässt sich ein anderes zum Bearbeiten aktivieren. Alle im Moment nicht gewünschten Spektren mit Button Hide Sp oder der Tastenkombination STRG + H verschwinden lassen. In der oberen Kopfleiste im Menüpunkt Analysieren Bibliothek-Parameter anwählen, Spektrenbibliotheken, in denen gesucht werden soll, anklicken und mit >> nach rechts zur Auswahl schieben, mit OK bestätigen Dann den Button „Bibliothek“ anklicken Es erscheint sofort das beste Ergebnis. Es gibt selten eine 100%ige Übereinstimmung. 21 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber - Unter dem Button “Gütefaktoren anzeigen“ (unten rechts) können weitere Bibliotheksvorschläge gelesen werden. Prüfen Sie, ob die Bibliotheksvorschläge wahrscheinlich und sinnvoll sind! 2.2.1 Bibliotheksergebnis Gesteinsprobe Nr. ____: 2.2.2 Bibliotheksergebnis Folie Nr. ____: - Vergleichen Sie das beste Bibliotheksergebnis bei Versuch 2.2.2. und 2.2.3. mit der Auswertescheibe (INFRARED CORRELATION CHART). Ordnen Sie dabei einzelne Banden möglichen organischen Gruppen zu und tragen sie das Ergebnis in folgende Tabellen ein: Wellenzahl Gefundene Gruppe laut Korrelationstabelle 2.2.3 Bibliotheksergebnis Lösemittel: Wellenzahl Gefundene Gruppe laut Korrelationstabelle 22 HS Augsburg Verfahrens- und energietechnisches Praktikum MU 8 IR / IC (SA 1) Fakultät AW / Prof. Dr. Weber - Bestes Bibliotheksergebnis in das offene Bildschirmfenster n einfügen: Dazu direkt auf die Bibliothekskurve klicken, sodass sie rot wird STRG + C drücken, aktuelles Bibliotheksfenster schließen, und im jetzigen Fenster STRG + V drücken, das Spektrum erscheint. 2.5 Protokoll erstellen - Alle Kurven, die nicht auf das Protokoll sollen (z.B. Background), mit Tastenkombination STRG + H verschwinden lassen Auf Button Anzeige, dann Anzeigeparameter, dann Überlagerte Titel anzeigen und OK anklicken Auf Button Report, dann Vorschau/Report drucken anklicken Gesamttitel des Protokolls (VEP Gruppe … ) eingeben, OK und Button drucken, wieder OK Das Protokoll wird im Büro nebenan ausgedruckt. Alle Spektren nacheinander für die nächste Messung löschen: Im Menü Bearbeiten, dann löschen anklicken 23
