Physikalische Chemie - Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Zusammenfassung 

Johannes Gutenberg - Universität 

Institut für Physikalische Chemie 

PCF – Ramanstreuung 

In diesem Versuch benutzen Sie ein kommerzielles Raman-Spektrometer zur 

Messung der Raman-Spektren verschiedener reiner Flüssigkeiten und Mischungen. 

Die Raman-Spektroskopie erfasst, als Pendant zur IR-Spektroskopie, die 

Schwingungsübergänge von Molekülen. Somit ergibt sich der für organische 

Verbindungen charakteristische „finger-print“, der es auch erlaubt molekular sehr 

ähnliche Strukturen zu differenzieren. 

Lernziele 

- Experimentelle Durchführung einer Ramanstreumessung 

- Analyse der Schwingungen einfacher Moleküle 

- Quantitative Analyse von Ethanol/Wasser-Mischungen 

- Theorie: Physikalisches Prinzip der Ramanstreuung 

Seite 2 

Physikalisch-chemisches 

Fortgeschrittenen Praktikum




0 Inhalt 

0 Inhalt .................................................................................................................... 3 

1 Theoretische Grundlagen ..................................................................................... 4 

1.1 Ramanstreuung ............................................................................................ 4 

1.2 Symmetrieanalyse von Schwingungen/Gruppentheorie ............................... 7 

2 Versuchsaufbau ................................................................................................. 16 

3 Vorgehen ........................................................................................................... 17 

3.1 Raman-Spektroskopie an reinen organischen Lösemitteln ........................ 18 

3.2 Raman-Spektroskopie an Wasser/Ethanol-Mischungen ............................ 18 

4 Auswertung ........................................................................................................ 19 

4.1 Flüssigkeiten .............................................................................................. 19 

4.2 Wasser/Ethanol-Mischungen...................................................................... 19 

5 Fragen zur Vorbereitung .................................................................................... 20 

6 Literatur .............................................................................................................. 21 

7 Gefährdungsbeurteilung des Versuches ............................................................ 22 

8 Tabellen für die Messwerte ................................................................................ 28 

9 Verwendete Größen ........................................................................................... 29 

Seite 3 



1 Theoretische Grundlagen 

1.1 Ramanstreuung 




Zur Untersuchung der Struktur von Molekülen gibt es mehrere experimentelle 

Methoden, von denen sich insbesondere die Infrarot- und Raman-Spektroskopie 

dadurch auszeichnen, dass sie über das dynamische Verhalten der Moleküle 

Auskunft über deren Molekülaufbau geben. Da je nach Symmetrie des zu 

untersuchenden Moleküls bestimmte Schwingungen nur im Raman- bzw. nur im 

Infrarotspektrum zu beobachten sind, ergänzen sich i.a. diese beiden Messmethoden 

gegenseitig. Bei Molekülen, deren Schwingungen sowohl im IR- als auch im Raman- 

Spektrum Spektrallinien erzeugen, hat die Raman-Spektroskopie jedoch den großen 

Vorteil, dass sie, aufgrund der zusätzlichen Möglichkeit der Messung von 

Polarisationseigenschaften der Raman-Linien, oft eine eindeutige Zuordnung der 

beobachteten Linien zu bestimmten Molekülschwingungen zulässt. Dies wird durch 

den Vergleich der Raman-Spektren mit gruppentheoretischen Überlegungen möglich, 

da Zahl und Art der das Molekül aufbauenden Atome, zusammen mit der Symmetrie 

des Moleküls, die Anzahl und die Polarisationseigenschaft der Raman-Linien 

bestimmen. 

Bei der Ramanspektroskopie wird monochromatisches Licht auf eine Probe 

eingestrahlt und entweder elastisch oder inelastisch gestreut. Bei einer elastischen 

Streuung („Rayleigh-Streuung“) wird das Licht mit derselben Wellenlänge gestreut, 

mit der es auch ausgesandt wurde. Die Intensität der Rayleigh-Streuung hängt von 

4 

der mittleren Polarisierbarkeit der Moleküle ab und ist stark frequenzabhängig ( I �� 

). Bei einer inelastischen Streuung hingegen wird ein Teil der Energie des Lichts vom 

Molekül genutzt, um in einen virtuellen Zustand zu gelangen, dem eine Relaxation in 

einen angeregten Zustand folgt („Stokeslinie“), oder die Relaxation erfolgt in einen 

energetisch tiefer liegenden Zustand, das heißt es wird Energie vom Molekül an das 

Photon abgegeben („Antistokeslinien“), wodurch das Licht mit einer Verschiebung 

bezüglich der Wellenlänge reflektiert wird. Dieses gestreute Licht wird in 

Abhängigkeit der Wellenlänge detektiert. 

Seite 4 






Abbildung 1: Schema der Übergänge bei Raman-Streuprozessen, sowie 

resultierendes Emissionsspektrum. 

Das elektrische Feld E �� der eingestrahlten elektromagnetischen Welle induziert im 

Molekül ein Dipolmoment � �� , welches proportional zur Polarisierbarkeit � des 

Moleküls ist: 

�� 

� �� Emit 

E � E �cos�2�� 

t� 

0 0 

Seite 5 

(Gl. 1) 

wobei � 0 die Frequenz des eingestrahlten Lichts ist und t für die Zeit steht. Es 

resultiert ein oszillierender Dipol. 

Die Polarisierbarkeit � spannt einen Tensor zweiter Stufe auf: 

��xx �xy �xz 

� 

� � 

� � ��yx �yy �yz 

� 

� � 

��zx �zy �zz� 

(Gl. 2) 

Bei einer Schwingung oder Rotation des Moleküls wird dieser Oszillation des Dipols 

eine weitere überlagert, die Polarisierbarkeit lässt sich in erster Näherung in einer 

Taylorreihe um die Gleichgewichtslage q = 0 der Normalkoordinate der 

entsprechenden Oszillation entwickeln: 

�� 

� �� q�� q 

� 

� � q�0 

(Gl. 3) 

q�0 

wobei q für die Koordinate der Oszillation steht und folgende Gleichung eines 

harmonischen Oszillators erfüllt mit �M als Eigenfrequenz des Moleküls 

� � 

q �q0�cos 2 Mt 

�� (Gl. 4) 

Mit den Gleichungen 1 und 3 ergibt sich für das Dipolmoment: 






�� 

�� 

� ��E �� q cos�2��t��E0cos�2�� t�� 

� � 

0 0 M 

0 

� � �q 

�q�0 

� 

�� 1�� 

�� 0�E0cos� 2��0t�� E0q0� � cos 2 � 0 � � �cos 2 � 0� 

� 

2 � 

� �� t� � �� t� 

� q � 

q�0 

� � M � � M �� 

Seite 6 

(Gl. 5) 

Hier stehen der erste Teil der Gleichung für die Rayleighstreuung, der zweite für die 

Anti-Stokes-Linie und der dritte für die Stokes-Linie. Die allgemeine Auswahlregel 

lautet also dass sich die Polarisierbarkeit bei der entsprechenden Normalschwingung 

ändern muss, d.h. 

�� 

� � 

�q 

� �q�0 

�0 

(Gl. 6) 

Die spezielle Auswahlregel für die Schwingungsübergänge eines harmonischen 

Oszillators lautet �v = ±1. Die Intensität der einzelnen Anregungen ist bestimmt 

durch das Quadrat des Übergangsdipolmoments (s.Gl.(7)) sowie durch das 

Besetzungsschema der einzelnen Zustände (Boltzmannverteilung, Gl.(8)). Über die 

Boltzmannverteilung lässt sich erklären, dass die Intensität der Antistokeslinie 

schwächer ist als die der Stokeslinie, da bei Raumtemperatur die angeregten 

Zustände nur sehr schwach besetzt sind. 

�� 

�EA �� f / � / i 

(Gl.7) 

mit �� 

� dem Übergangsdipolmoment, f der Wellenfunktion des Endzustandes, i 

EA 

der Wellenfunktion des Ausgangszustandes, und �� dem Operator des induzierten 

Dipolmomentes. 

p 

i 

� 

� �i 

� 

exp�� 

� kT � 

� i � 

exp�� 

� kT � 

� 

� (Gl. 8) 

Die Anzahl der Schwingungsfreiheitsgrade eines Moleküls ist gegeben durch 3N-6 

(3N-5 für lineare Moleküle), wobei N für die Anzahl der Atome im Molekül steht. Als 

Normalschwingung (Normalmode) wird eine Schwingung bezeichnet, deren 

Wellenfunktion orthogonal ist zu allen anderen Schwingungswellenfunktionen 

innerhalb des Moleküls, das heißt, die entsprechende Schwingung ist unabhängig 

von allen anderen Schwingungen (harmonische Näherung). 






1.2 Symmetrieanalyse von Schwingungen/Gruppentheorie 

Im Folgenden soll erläutert werden, wie mit Hilfe der Gruppentheorie Art und Zahl der 

Molekülschwingungen bestimmt und deren IR- bzw. Raman-Aktivität ermittelt werden 

kann. Zunächst muss die Symmetrie (d.h. die Punktgruppe) des Moleküls ermittelt 

werden. Dazu bestimmt man das Verhalten des Moleküls unter verschiedenen 

Symmetrieoperationen bzw. prüft, welche Symmetrieelemente (Drehachsen, 

Spiegelebenen, Drehspiegelebenen) das Molekül aufweist. Im Falle des 

Wassermoleküls findet man die Punktgruppe C2v. Kennt man die Punktgruppe eines 

Moleküls kann man mit Hilfe der sogenannten Charaktertafel für diese Punktgruppe 

die IR- und/oder Raman-aktiven Schwingungen ermitteln. Eine Charaktertafel ist wie 

folgt aufgebaut: 

In der Kopfzeile der Charaktertafel steht in der Regel ganz links die entsprechende 

Punktgruppe, gefolgt von den zugehörigen Klassen der Symmetrieelemente (E, C2, 

�v(xz), �v(yz)). Die Punktgruppe C2v weist in jeder Klasse genau ein 

Symmetrieelement auf – solche Gruppen werden als abelsch bezeichnet. Die 

Gesamtzahl aller Symmetrieelemente ergibt die Gruppenordnung h und ist im Falle 

der Punktgruppe C2v gleich 4. (In der Punktgruppe C3v beispielsweise ist die 

Gruppenordnung h = 6, da die Klasse C3 zwei und die Klasse �v drei konjugierte 

Elemente aufweist). In den weiteren Zeilen sind die so genannten irreduziblen 

Darstellungen (A1, A2, B1, B2 im Falle der Punktgruppe C2v) mit ihren Charakteren 

bezüglich der Symmetrieelemente aufgeführt. Am Ende der jeweiligen Zeile finden 

sich noch einige Funktionen und Operationen, die sich gleich verhalten 

(„transformieren“), wie die jeweilige irreduzible Darstellung – wobei Ri für die Rotation 

um die entsprechende Raumachse steht. Insgesamt hat das Wassermolekül 3N = 9 

Freiheitsgrade, wenn N die Anzahl der Atome ist, da jedes der drei Atome in die drei 

Raumrichtungen ausgelenkt werden kann. Diese Freiheitsgrade lassen sich nun 

separieren in die jeweiligen Translationen des gesamten Moleküls in die drei 

Raumrichtungen, die Rotationen des Moleküls um die drei Hauptachsen des 

Moleküls (bei linearen Molekülen zwei Hauptachsen mit endlichem 

Trägheitsmoment) und die Normalmoden, welche in der harmonischen Näherung 

orthogonal zueinander und daher alle unabhängig voneinander sind. Will man sich 

der Gruppentheorie bedienen, um diese Normalmoden zu finden und zu 

beschreiben, so wird zunächst eine geeignete Basis benötigt, anhand welcher die 

Freiheitsgrade untersucht werden können. Eine solche geeignete Basis ist zum 

Beispiel die Gesamtheit der Einheitsvektoren, die die möglichen Verschiebungen der 

Atome im Molekül beschreiben. Im Folgenden untersucht man, wie die 

Seite 7 






Symmetrieoperationen der entsprechenden Punktgruppe auf die Einheitsvektoren 

wirken: 

Die Basis aus den Einheitsvektoren an den jeweiligen Atompositionen „transformiert“ 

also unter dem Einfluss der Symmetrieoperation C2 wie folgt: 

C2 

�q , q , q , q , q , q , q , q , q � ��q , �q , q , �q , �q , q , �q , �q 

, q � 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 7 8 9 4 5 6 1 2 3 

Seite 8 

(Gl. 9) 

q6 bleibt unverändert (q6 � q6), q4 und q5 ändern ihre Richtung (q4 � -q4), q3 und q9 

vertauschen (q3 � q9) usw.. Allgemein kann man schreiben: 

� � 

q'��q (Gl. 10) 

mit der Matrizen-Darstellung � für die Symmetrieoperation C2: 






Zu dieser Darstellung � gibt es unendlich viele äquivalente Darstellungen �´, die über 

die Ähnlichkeitstransformation mit einer regulären Matrix S ineinander überführbar 

sind (Basistransformation): 

' 

�1 

� � � 

S S (Gl. 12) 

Unverändert bleibt bei der Ähnlichkeitstransformation die Summe der 

Diagonalelemente der Matrix � (grau unterlegt), welche auch als Charakter � 

bezeichnet wird: 

� kk 

k 

�R�� R� 

� (Gl. 13) 

Im obigen Beispiel der Darstellung für die Drehung um 180° in der Basis der 

Einheitsvektoren ergibt sich der Charakter zu �(�(C2)) = 0 + 0 + 0 + (-1) + (-1) + 1 + 0 

+ 0 + 0 = -1. In ähnlicher Weise erhält man auch die Charaktere für die Identität E 

und die Spiegelungen an den vertikalen Spiegelebenen �xz und �yz: 

Seite 9 



�(E) = 1 +1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 + 1 = 9 




�(�xz) = 0 +0 + 0 + 1 + (-1) + 1 + 0 + 0 + 0 = 1 (Gl. 14) 

�(�yz) = (-1) +1 + 1 + (-1) + 1 + 1 + (-1) + 1 + 1 = 3 

Zusammengefasst findet man für die Charaktere der reduziblen Darstellung der 

Freiheitsgrade des Wassermoleküls: 

Betrachtet man obige Darstellung der Drehung um die Hauptdrehachse (Gl. 11), so 

erkennt man, dass für die Ermittlung des Charakters nur die Atome betrachtet 

werden müssen, die bei der Symmetrieoperation ihre Positionen beibehalten (sonst 

„landet“ man nach der Symmetrieoperation nicht auf der Diagonalen). Zusätzlich 

lassen sich die Symmetrieoperationen in „eigentliche“ und „uneigentliche“ 

Symmetrieoperationen einteilen. Eine Symmetrieoperation, die ein rechtshändiges 

Objekt in ein linkshändiges überführt, nennt man uneigentlich, sämtliche übrigen 

Operationen eigentlich. Operationen, die eine ungerade Anzahl von Inversionen oder 

Spiegelungen enthalten, sind uneigentlich. 

Untersucht man das Transformationsverhalten eines einzelnen Basisdreibeins 

(Vektoren x, y und z an einem Atom), so findet man allgemein für die Darstellung 

eigentlicher Symmetrieoperationen (E und Cn): 

�� 

�cos sin 0� 

� � 

�e ��sin � cos � 0� � �e �2�cos � �1 

(Gl. 15) 

� 0 0 1� 

� � 

und für uneigentliche Symmetrieoperationen (�, i und Sn): 

�� 

�cos sin 0 � 

� � 

�u ��sin � cos � 0 � � �u �2�cos � �1 

(Gl.16) 

� 0 0 �1� 

� � 

Seite 10 






wobei � der Winkel der Drehung ist – also � = 360°/n für Cn bzw. Sn. Für die Identität 

E und die Spiegelung � ist � = 0°, während für die Inversion i � = 180° wegen i � S2. 

Man kommt also sehr viel schneller zu dem Ergebnis in Tabelle 2, wenn man 

untersucht, wie viele Atome in dem betrachteten Molekül bei Durchführung der 

jeweiligen Symmetrieoperation ihre Positionen beibehalten und die erhaltene Zahl 

mit dem entsprechenden Charakter der jeweiligen Symmetrieoperation nach 

Gleichung 15 bzw. Gleichung 16 multipliziert. Wie sich leicht überprüfen lässt, 

ergeben sich die erhaltenen Charaktere als direkte Summe der irreduziblen 

Darstellungen der Punktgruppe C2v – nämlich 3 A1 + 1 A2 + 2 B1 + 3 B2. Kennt man 

die Charaktere der irreduziblen Darstellungen (aus der Charaktertafel), so lässt sich 

umgekehrt die Anzahl der irreduziblen Darstellungen mit folgender Formel 

bestimmen: 

1 

� � � �* � � 

i 

ci hk� Rk � Rk 

Gl.(17) 

h 

k 

Hierin ist h die Gruppenordnung (h(C2v) = 4), hk die jeweilige Klassenordnung (im 

i 

Falle von Abelschen Gruppen wie C2v für alle Klassen 1), �R � 

Seite 11 

� der Charakter der 

irreduziblen Darstellung i bezüglich eines Symmetrieelements R der Klasse k und 

�R � 

� der entsprechende Charakter der Darstellung für die Freiheitsgrade des 

k 

Moleküls bezüglich des Symmetrieelements R der Klasse k. 

Man findet damit im Falle des Wassermoleküls für die jeweilige Anzahl der 

irreduziblen Darstellungen 

k 






Es folgt also, dass sich die Freiheitsgrade des Moleküls (in der harmonischen 

Näherung) als direkte Summe voneinander unabhängiger Freiheitsgrade mit dem 

jeweiligen Transformationsverhalten zusammensetzen: 

� �3A � A �2B �3B 

(Gl. 19) 

1 2 1 2 

Da in diesen Freiheitsgraden noch die Translation und die Rotation des Moleküls 

enthalten sind 

�� 

trans rot vib (Gl. 20) 

müssen letztere noch abgezogen werden, um auf die Schwingungsfreiheitsgrade zu 

kommen. Ein Blick auf die Charaktertafel der Punktgruppe C2v verrät, dass die 

translatorischen Freiheitsgrade (x, y, z) transformieren wie A1, B1 und B2: 

�trans � A1�B1�B 2 

(Gl. 21) 

Seite 12 






und die rotatorischen Freiheitsgrade (Rx, Ry, Rz) wie A2, B1 und B2: 

�rot � A2 �B1�B 2 

(Gl. 22) 

Zieht man diese ab, erhält man für die Schwingungsfreiheitsgrade: 

Für die Anwendung dieser Gruppentheorie in der Schwingungs-Spektroskopie ist 

wichtig, dass IR-aktive Moden entsprechend der Koordinaten x, y und z 

transformieren (analog zum Dipolübergangsmoment!), Raman-aktive Moden 

hingegen entsprechend dem symmetrischen Polarisierbarkeitstensor wie x 2 , y 2 , z 2 

sowie xy, xz und yz transformieren (wobei gilt: xy = yx, xz = zx, yz = zy). Somit lässt 

sich in der Charaktertafel eindeutig zuordnen, welche Normalmoden prinzipiell IR- 

bzw. Raman-aktiv sein könnten. D.h. also für H2O: alle 3 Schwingungsmoden (2A1 + 

B2) sind sowohl IR- als auch Raman-aktiv. 

Für andere mehratomige Moleküle funktioniert die Analyse der relevanten 

Schwingungen nach der Gruppentheorie/Symmetriebetrachtung ganz analog nach 

diesem einfachen Muster: 

Seite 13 






1. Schritt: Feststellen der Punktgruppe nach folgendem Fließschema (Identifizierung 

sämtlicher verschiedener Symmetrieelemente des Moleküls). 

Abb.4: Fließschema zur Punktgruppenbestimmung 

2. Schritt: Heraussuchen der entsprechenden Charaktertafel der irreduziblen 

Darstellungen aus der Literatur (z.B. 6., ref.[4]). 

3. Schritt: Aufstellen der reduziblen Darstellung (s.Tab.2) mit Hilfe der Gleichungen 

(15) und (16), Hilfs-Überlegung hierbei: welche Atome behalten bei der jeweiligen 

Symmetrieoperation ihre Positionen bei. 

4. Schritt: Formulieren der reduziblen Darstellung als Summe der irreduziblen 

Darstellungen mit Hilfe von Gleichung (17). 

Seite 14 






5. Schritt: Abziehen der Moden für Translation (x, y, z) sowie Rotation (Rx, Ry, Rz), 

um so sämtliche Schwingungsmoden in irreduzibler Darstellung zu erhalten. 

6. Schritt: Identifizieren der Raman-aktiven Moden anhand der Charaktertafel. Diese 

transformieren wie x 2 , y 2 , z 2 sowie xy, xz und yz. Man erhält somit eine Aussage über 

die Gesamtzahl der aktiven Moden, sowie deren Entartungsgrad, was eine 

Vorhersage der Anzahl an im Raman-Spektrum sichtbaren Banden erlaubt. 

Seite 15 



2 Versuchsaufbau 




Abb.5: Versuchsaufbau: i-Raman-Spektrometer (oben) und Arbeitsplatte (unten) 

(Anm.: Im Praktikum werden Schnappdeckelgläschen bzw. Originalfläschchen in 

einer „Dunkelkammer“ verwendet, wobei die Sonde möglichst dicht am Gefäßrand 

positioniert wird) 

Seite 16 



3 Vorgehen 




Sie arbeiten mit einem Laser der Klasse 3. Daher: Möglichst immer 

Laserschutzbrillen tragen und niemals direkt in den Laserstrahl schauen! 

Während des Experiments darf kein Schmuck wie Armbänder oder Ringe 

getragen werden (Reflexe)! 

s.a. Kapitel 7! 

a) Öffnen Sie das Programm BWSpec 

b) Zur Dunkelmessung den Schieber am Laser öffnen und den leeren Probenraum 

mit dem Deckel verschließen. Die Laserstärke auf 70 einstellen und auf den „Dark 

scan“-Knopf (1) drücken. 

c) Zur Probenmessung die Probe in den Probenraum stellen und diesen mit dem 

Klappdeckell verschließen. Für die Messungen an den organischen Lösemitteln 

direkt an der jeweiligen Vorratsflasche messen, für die wässrigen Proben an 

Schnappdeckelgläschen. Laserkopf dabei immer möglichst direkt an der 

Glasoberfläche positionieren! 

d) “Dark subtracted“ unter “Display options“ einstellen und ein Spektrum aufnehmen 

(2). 

e) Evtl. Variation der Laserstärke (3) und Integrationszeit (4) zur Optimierung des 

Spektrums. 

f) Bei “schönem“ Spektrum “Enable Cursor“ setzen, und mit dem erscheinenden 

Cursor Peakpositionen und relative Peakhöhen bestimmen. Hierbei evtl. die x-Achse 

über “Scales“ reskalieren. 

Abb.6: Zur Bedienung des Programmes “BWSpec“ 

Seite 17 






3.1 Raman-Spektroskopie an reinen organischen Lösemitteln 

Ziel des Versuches ist es, anhand der Raman-Spektren von einfachen (fünfatomigen) 

Molekülen verschiedener Symmetrie die Gültigkeit der Gruppentheorie zu bestätigen, 

indem die Anzahl der gemessenen Banden mit der theoretischen Vorhersage 

verglichen wird. Außerdem soll der Isotopen-Effekt auf die Schwingungsenergie 

untersucht werden. Hierzu sollen mit Hilfe einer Laser-Ramanapparatur die 

frequenzverschobenen Streuspektren der Moleküle CCl4, CHCl3 und CDCl3 

aufgenommen, und die Wellenzahlen der beobachteten Raman-Linien bestimmt 

werden. Es sind bereits abgefüllte Probenfläschchen bzw. die Originalfläschchen mit 

den Flüssigkeiten CCl4, CHCl3 und CDCl3 vorhanden. 

Bestimmen Sie jeweils die Lage der RAMAN-Peaks und notieren Sie sich die Werte! 

1. Messungen an flüssigem Tetrachlorkohlenstoff (CCl4): 

Bestimmung der Peaks im Intervall von 200 - 1000 cm -1 . 

2. Messungen an flüssigem Chloroform (CHCl3) 

Entsprechend der Messungen an CCl4, Bereich: 200 - 3200 cm -1 , Peaks in mehreren 

geeigneten Intervallen auslesen. 

3. Messungen an deuteriertem Chloroform (CDCl3) 

Bereich: 200 - 3200 cm -1 , Peaks in mehreren geeigneten Intervallen auslesen. 

3.2 Raman-Spektroskopie an Wasser/Ethanol-Mischungen 

Ziel des Versuches ist es, anhand der Raman-Spektren von Wasser/Ethanol- 

Mischungen bekannter Zusammensetzung den “unbekannten“ Alkoholgehalt 

mehrerer handelsüblicher Spirituosen zu bestimmen. 

Bestimmen Sie jeweils die Lage und die relativen Intensitäten der charakteristischen 

Peaks (Werte notieren!). Benutzen Sie sowohl für die Kalibrierung als auch für die 

Analyse der Spirituosen jeweils den stärksten Raman-Peak. Wiederholen Sie jede 

Messung mindestens 3mal, wobei Sie die Position der Schnappdeckelgläschen bzw. 

Spirituosen-Fläschchen jeweils leicht verändern, um so den Fehler der Methode zur 

Konzentrationsbestimmung abzuschätzen. 

1. Zur Kalibrierung: Messung der Spektren von Wasser/Ethanol-Mischungen 

bekannter Zusammensetzung (10, 20, 30, 40, 50, 60 vol% EtOH). 

2. Messung der Spektren mehrerer Spirituosen. 

Alle Proben unter Aufgabe 3.2 werden in Schnappdeckelgläschen vermessen! 

Seite 18 



4 Auswertung 

4.1 Flüssigkeiten 




Aus den registrierten Raman-Spektren von CCl4, CHCl3 und CDCl3 sollen jeweils die 

Wellenzahlen der beobachteten Raman-Linien bestimmt werden. 

(i) Tragen Sie die Lagen der Spektrallinien sämtlicher Moleküle in einer 

gemeinsamen Tabelle ein. Vergleichen Sie Ihr Ergebnis mit den Literaturwerten 

(recherchieren!). 

(ii) Zuordnung der beobachteten Raman-Linien zu den entsprechenden 

Molekülschwingungen (Normalschwingungen): Begründen Sie die Zuordnung an 

Hand der Symmetrie und energetischer Argumente. Benutzen Sie hierzu auch die 

entsprechenden Charaktertafeln aus der Literatur (z.B. 6., ref.(2)), um die 

Gesamtzahl der Raman-aktiven Normalmoden für die jeweiligen Moleküle zu 

ermitteln. 

(iii) Diskutieren Sie die Energieverschiebungen der Schwingungen bei Substitution 

einzelner Atome im Molekül (CHCl3�vs.�CDCl3). Vergleichen Sie die Verhältnisse der 

gemessenen Schwingungsfrequenzen bei Substitution mit den theoretisch zu 

erwartenden Werten (quantitativ!). Bei welchen Moden ist der Isotopeneffekt 

besonders ausgeprägt, warum? 

4.2 Wasser/Ethanol-Mischungen 

(i) Erstellen Sie anhand ihrer Daten eine Eichbeziehung Peak-Intensität vs. Vol% 

EtOH. 

(ii) Bestimmen Sie mit Hilfe dieser Eichbeziehung den Alkoholgehalt mehrerer 

Spirituosen, und vergleichen Sie Ihr Ergebnis mit dem Etiketten-Aufdruck. 

Seite 19 



5 Fragen zur Vorbereitung 




5.1 Wodurch unterscheidet sich die Ramanspektroskopie von der IR- und von der 

Fluoreszenzspektroskopie? Skizzieren Sie jede der Methoden im 

Energieniveauschema. Wie unterscheiden sich die Auswahlregeln? 

5.2 Was versteht man unter Normalkoordinaten und Normalschwingungen? Wie viele 

Normalschwingungen hat ein n-atomiges Molekül? Überlegen Sie sich die 

Normalschwingungen von einfachen Molekülen. 

5.3 Warum und wie erhält man aus dem Ramanspektrum Informationen über die 

Symmetrie eines Moleküls? 

5.4 Welche Vorteile hat ein Laser in der Ramanspektroskopie gegenüber anderen 

Lichtquellen (z.B. Hg-Hochdrucklampe)? 

Seite 20 



6 Literatur 




[1] P.W.Atkins, Physikalische Chemie, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim 2002 

(3.korrigierte Auflage) 

[2] P.W.Atkins, Molecular Quantum Mechanics, Oxford University Press, 2005 (4 th 

ed.) 

[3] Bergmann-Schaefer Aufbau der Materie, Experimentalphysik IV,Walter de 

Gruyter, NY 1975 

Hilfreiche Web-links: 

[4] http://www.chemie.unibas.ch/~huber/Gruppenfinder/Gruppen/Charaktertafeln.html 

[5] http://www.chemie.uni-mainz.de/Praktikum/AC/ACF/174.php -> Prof. Heinze: 

Anleitung zum Umgang mit Charaktertafeln. und Skript zum IR-Versuch 

Seite 21 






7 Gefährdungsbeurteilung des Versuches 

Laser: Auch indirekt über Reflexe etc. das Auge erreichendes Laserlicht kann zu 

irreparablen Netzhautschäden führen. Sicherheitsunterweisung beachten! 

Es folgen die wichtigsten Unterlagen zur Lasersicherheitsbelehrung: 

(Quelle: Thijs J. Aartsma, Leiden University, Department of Biophysics 

Abb.20: Schädigung der Netzhaut des Auges durch Laserstrahlung 

Seite 22 






Abb.21: Bei der Bedienung von Laserapparaturen ist eine geeignete Schutzbrille zu 

tragen, und der Blick stets oberhalb der Ebene des Lichtstrahlenganges zu halten. 

Abb.22: Licht-Empfindlichkeit des menschlichen Auges als Funktion der 

Lichtwellenlänge. 

Seite 23 






Abb.23: Absorption der Netzhaut, und Transmission von Hornhaut und Linse des 

menschlichen Auges. 

Abb.24: Transmission des menschlichen Auges für elektromagnetische Strahlung 

verschiedener Wällenlängen. 

Seite 24 






Near Ultraviolet Wavelengths (UVA) 315 - 400 nm 

� Most of the radiation is absorbed in the lens of the eye. 

� The effects are delayed and do not occur for many years 

(e.g.; cataracts). 

Far Ultraviolet (UVB) 280 - 315 nm and (UVC) 100 - 280 nm 

� Most of the radiation is absorbed in the cornea. 

� Snow blindness/welder's flash) will result with high doses. 

Visible (400 -760 nm) and Near Infrared (760 - 1400 nm) 

� Most of the radiation is transmitted to the retina. 

� Overexposure may cause flash blindness or retinal burns 

and lesions. 

Far Infrared (1400 nm - 1 mm) 

� Most of the radiation is transmitted to the cornea. 

� Overexposure to these wavelengths will cause corneal 

burns. 

Abb.25: Unfälle beim Umgang mit Lasern nach Häufigkeit. 

Seite 25 






Tab.2: Klassifizierung von Lasern entsprechend der Gefährdung. 

Fehlverhalten beim Umgang mit Lasern 

Common unsafe practices: 

Seite 26 






Sicherheitsmaßnahmen beim Umgang mit Lasern 

Control and Safety measures: 

Seite 27 



8 Tabellen für die Messwerte 

entfällt 




Seite 28 



9 Verwendete Größen 




Größe Abkürzung 

Dipolmoment 

� �� 

Polarisierbarkeit �� 

Wellenzahl 

� � 

Transformationsmatrix � � 

Charakter der Transformationsmatrix � � 

Seite 29

Physikalische Chemie - Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Erfolgreiche ePaper selbst erstellen

Template löschen?

Als Template speichern?