Übungsblatt 12

Übungsblatt 12
zur Vorlesung Physikalische Chemie Vertiefung Theorie 1
ausgegeben am Dienstag, den 24.01.2017
Besprechung am Dienstag, den 30.01.2017
Wiederholung Absorption, Vibration, Rotation
Aufgabe 1: Aufbau von Spektrometern
a) Skizzieren Sie den Aufbau eines konventionellen Absorptionsspektrometers. In
welchem Wellenlängenbereich kann hier gemessen werden und wodurch wird dieser
festgelegt?
b) Welche Modifikationen sind notwendig, um daraus ein Cavity-Ring-DownSpektrometer, ein FTIR-Spektrometer oder ein Raman-Spektrometer zu machen?
Geben Sie für die entsprechenden Komponenten Beispiele an.
Aufgabe 2: Lambert-Beer-Gesetz
Kaliumthiocyanat (KSCN) ist ein Nachweismittel für Fe3+Ionen. Die Nachweiswirkung beruht
auf einer Reaktion, in der Fe3+-Ionen mit den Thiocyanat-Ionen in einer wässerigen Lösung den
Komplex [Fe(SCN)(H2O)5]2+ bilden (Stierblutprobe).
Der Komplex besitzt bei 𝜆 = 580 nm, der Wellenlänge seiner maximalen Absorption, den
molaren Extinktionskoeffizienten 𝜆 = 7.00·103 L cm-1 mol-1.
a) Wie groß ist die Extinktion A und die Transmission T des Komplexes in einer Lösung
mit der Konzentration c = 2,22·10-4 mol/L in einer d = 1.25 cm-Küvette bei 𝜆 = 580 nm.
b) 50 mL Brunnenwasser werden mit einem Überschuss an KSCN versetzt und auf 100 mL
verdünnt. Berechnen Sie die Konzentration von Eisen(lII) in der Probe in ppm(parts per
million), wenn die verdünnte Lösung eine Extinktion von A = 0.506 bei 𝜆 = 580 nm in
einer d = 1.50 cm-Küvette aufweist.
Aufgabe 3: Grundlagen von Vibration und Rotation
Welche beiden Modelle nutzt man in der Spektroskopie zur Beschreibung von Schwingung und
Rotation zweiatomiger Moleküle? Skizzieren Sie die Modelle und geben Sie die Formeln zur
Berechnung der Terme an.
Aufgabe 4: Absorptionsspektren
Betrachten Sie das Rotations-Schwingungsspektrum von CO (B = 1.9313 cm-1,
ω = 2170.21 cm-1).
a) Stellen Sie die relevanten Auswahlregeln dar, die aufgrund simultaner Anregung von
Schwingung und Rotation gelten.
b) Wie lauten die relevanten Formeln zur Berechnung der Energieniveaus und zur
Bestimmung von Linienpositionen im Spektrum?
c) Berechnen Sie mindestens vier Ihrer Meinung nach wichtigen Linien (begründen Sie
Ihre Entscheidung!) und diskutieren Sie wovon die Intensität dieser Linien im Spektrum
abhängt.
Aufgabe 5: Raman-Spektren
Betrachten Sie das Ramanspektrum von N2 (B = 1.9987 cm-1, ω = 2358.07 cm-1) bei einer
Anregung mit einem Laser (λex = 336.732 nm).
a) Wieso ist N2 raman-aktiv, aber nicht IR-aktiv? Wie lauten die relevanten allgemeinen
Auswahlregeln?
b) Nennen Sie die spezifischen Auswahlregeln für die erlaubten Übergänge bei simultaner
Anregung von Schwingung und Rotation.
c) Geben Sie die Formeln zur Berechnung der Energieniveaus und der Linienpositionen
im Spektrum an.
d) Geben Sie einige relevante (Begründung!) Linienpositionen im Spektrum an.
Aufgabe 6: Anwendung: Schwingungs-Rotations-Spektroskopie
Im Sternbild Schlangenträger existiert eine gasförmige Wolke, durch die Sternenlicht scheint.
Auf diese Weise ist es möglich, Absorptionsspektren der Wolke zu messen. Eine Analyse der
elektronischen Schwingungs-Rotations-Absorptionslinien dieser Wolke zeigt, dass dort CNMoleküle vorliegen. Es wird eine Linie bei 387.500 nm gefunden, die einem Übergang
J = 1 ← 0 zugeordnet werden kann. Die Linie für J = 1 ← 1 ist um 0.061 nm verschoben und
weist nur 25 % der Intensität der ersten Linie auf.
a) Warum kann so ein Absorptionsspektrum der Wolke gemessen werden?
b) Mit welcher Formel kann man Besetzungswahrscheinlichkeiten berechnen?
c) Berechnen Sie die Temperatur der CN-Moleküle in der Wolke.
Nächster (und letzter) Übungszettel: Wiederholung „Spektroskopische
Grundlagen“, Fluoreszenzspektroskopie, LASER