H10.3 Spectrofotometrie

• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 5

10.3 Spectrofotometrie

Leerdoelen

Na deze les kun je: 

• uitleggen wat ir-spectrometie;
• ir-spectra kunnen interpreteren;

Filmpje

Bekijk het volgende filmpje ter uitleg van de theorie

Kwantitatief vs kwalitatief

Kwantitatief: bepalen van een hoeveelheid 

• Colormetrie (UV/VIS)
• Chromatografie

Kwalitatief: bepalen van een eigenschap/ structuur

• Infraroodspectrometrie (IR)
• Massaspectrometrie (MS)

UV/Vis wordt tegenwoordig nauwelijks meer gedaan voor structuurbepaling, vandaar dat we het er niet meer over gaan hebben.

Kwantitatief vs kwalitatief

Kwantitatief: bepalen van een hoeveelheid 

• Colormetrie (UV/VIS)
• Chromatografie

Kwalitatief: bepalen van een eigenschap/ structuur

• Infraroodspectrometrie (IR)
• Massaspectrometrie (MS)

UV/Vis wordt tegenwoordig nauwelijks meer gedaan voor structuurbepaling, vandaar dat we het er niet meer over gaan hebben.

Molecuulvibraties

• Strekvibraties: de bindingen tussen atomen worden korter / langer
• Buigvibraties: de bindingshoeken tussen atomen worden groter / kleiner
  

• Frequenties van deze vibraties komen overeen met die van infrarood licht. 
• => Bij IR licht zijn er dus interacties (resonantie) tussen licht en bepaalde groepen in een molecuul.

Molecuulvibraties

• Strekvibraties: de bindingen tussen atomen worden korter / langer
• Buigvibraties: de bindingshoeken tussen atomen worden groter / kleiner

H​2​​O

CO​2​​

Strek

Buig

Hier even praten over frequenties en golflengtes. op het schoolbord.
Wat is hier de frequentie van deze animaties, en hoeveel cm-1 zou dat zijn?

Spectrofotometer

Een spectrofotometer 

• laat een spectrum van licht door de te onderzoeken stof gaan (de golflengte verandert steeds).
• Hierbij wordt gemeten hoeveel licht er overblijft.

• Bij IR-spectrofotometrie gebruikt men IR-straling

Golfgetal

Het is handiger om gebruik te maken van het golfgetal in plaats van de golflengte :

golfgetal(cm​−1​​)=​λ(cm)​​1​​

Bereken het golfgetal dat hoort bij
λ = 5000 nm

IR-Spectrum

Een spectrum kun je analyseren met behulp van BINAS 39C.

Laten we eens kijken naar een aantal spectra.

Golfgetal

Het golfgetal is het omgekeerde 

van de golflengte 

(dus 1 / golflengte)

De as loopt dus  

'verkeerd om' 

(van hoog naar laag)

x

NIST

Amerikaanse overheidsinstelling 

(National Institute for Standards and Technology)

die enorme hoeveelheid data van stoffen bijhoudt.

Binas 39 C 1/2

PAK UW BiNaS!!

- C1 geeft een snel overzicht van alle mogelijke pieken (ook wel "banden" genoemd

- C2 gebruik je voor de identificatie van pieken

voorbeeld: O-H alcohol: brede OH piek tussen 3200-3525

C1 moet je dus niet gebruiken tijdens het PO!

Wat zie je wel?

• C=O groepen 
• O-H groepen
• N-H groepen
• C=C bindingen
• C-O bindingen
• Aromaticiteit (benzeen)
• C-H in een alkaan
• C-X (zelden)

Wat zie je niet?

• massa van het molecuul
• hoe vaak een groep voorkomt
• hoe de groepen ten opzicht van elkaar zitten

Match de volgende groepen met hun pieken

O-H strek

N-H strek

C-H strek (alkaan)

C=C strek

C=O strek

C-H strek (alkyn)

C-O strek (alcohol)

C-O strek (carbonzuur)

~3400 breed

dubbele band tussen ~3500-3400

~2950 medium

dubbele banden rond ~1580 en ~1470

~1715 scherp

~3400 scherp

~1100 scherp

~1250 scherp

~1410 medium

~1600 breed

dubbele band

rond ~1810 en ~1755

dubbele band

rond ~2830 en ~2755

~850 scherp

Alkanen, alkenen, aromaten

Probeer de pieken zelf toe te wijzen

Kijk goed naar de verschillen in de spectra!

Alkaan of alkeen?

Propaan

Propeen

C=C strek bij 1600. (hier ongeveer 1500)

Verschuift naar lagere waarden bij kortere ketens

900: C-H buig uit vlak (eindstandig =CH2)

Alkeen of aromaat?

(Soms moeilijk te bepalen met alleen IR, hier heb je nog een andere techniek voor nodig, bijv. MS!)

Hexa-2,4-dieen

Benzeen

C-H meerdere scherpe pieken tussen 3000 en 2800 cm^-1

alkaan, alkeen, aromaat, alkyn?

Er is altijd ondersteunend bewijs nodig.

C-H meerdere scherpe pieken tussen 3000 en 2800 cm^-1

alkaan, alkeen, aromaat, alkyn?

Er is altijd ondersteunend bewijs nodig.

Doordat benzeen een ring is en enorm chemisch stabiel, zijn de vibraties ook enorm scherp.

Meerdere groepen

Bijv. ethanol vs 1,2-ethaandiol

Wat nu volgt zijn een aantal side-by-side slides waarin leerlingen de verschillen moeten gaan herkennen tussen verschillende structuren. Wat kun je op een IR wel of niet zien?

Meerdere groepen niet (althans, niet direct)

Ethanol

1,2-ethaandiol

O-H strek (3525-3200 cm^-1)

Brede piek -> zeer herkenbaar

Een OH bult

O-H strek (3525-3200 cm^-1)

Brede piek -> zeer herkenbaar

Een OH bult

C-O strek (alcohol, fenol)

1255-1000 cm^-1

C-O strek (alcohol, fenol)

1255-1000 cm^-1

Verschil zit hem in de diepte van de OH-bult. Deze is NIET kwantitatief!

Verschillen tussen karakteristieke groepen

Probeer de pieken zelf toe te wijzen
Kijk goed naar de verschillen in de spectra!

alcohol of carbonzuur?

ethanol

ethaanzuur

O-H strek (3525-3200 cm^-1)

Brede piek -> zeer herkenbaar

Een OH bult

O-H strek (3525-3200 cm^-1)

Brede piek -> zeer herkenbaar

Een OH bult

C-H strek aldehyde:
kenmerkende dubbele piek
(2850-2820 en 2750-2700)

Niet zichtbaar onder O-H strek van carbonzuur

O-H groep carbonzuur

3400-2500 cm^-1 hele brede piek bij een spectrum van een oplossing in water. 

C-H meerdere scherpe pieken tussen 3000 en 2800 cm^-1

alkaan, alkeen, aromaat, alkyn?

Er is altijd ondersteunend bewijs nodig.

C-H meerdere scherpe pieken tussen 3000 en 2800 cm^-1

alkaan, alkeen, aromaat, alkyn?

Er is altijd ondersteunend bewijs nodig.

Niet zichtbaar onder O-H strek van carbonzuur!

C-O strek (alcohol, fenol)

1255-1000 cm^-1

C=O scherpe piek tussen 1700 en 1800 cm^-1

Deze piek kan op veel groepen duiden

Er is altijd ondersteunend bewijs nodig

Verschil tussen zuur- en OH-bult?

positie. En de OH is "gladder".

Belangrijk is de combi met 1700.

Gladde bult + scherpe piek bij 1700?

Dan heb je een hydroxyaldehyde ipv een zuur

Alcohol of amine?

O-H (enkele piek) & C-O

(alcohol; ethanol)

N-H (dubbele piek) & C-N 

(amine; ethaandiamine)

O-H strek (3525-3200 cm^-1)

Brede piek -> zeer herkenbaar

Een OH bult

C-O strek (alcohol, fenol)

1255-1000 cm^-1

N-H strek (~3500, ~3400 cm^-1)

Primair amine

Lijkt op de OH-bult maar dubbel

N-H buig 1650-1560 cm^-1

primair amine

De pieken van N-H buig uit het vlak 910-660 cm^-1

en C-N strek ~1410 cm^-1 zijn in dit geval te zien

maar lastig duidelijk te herkennen

C-H meerdere scherpe pieken tussen 3000 en 2800 cm^-1

alkaan, alkeen, aromaat, alkyn?

Er is altijd ondersteunend bewijs nodig.

C-H meerdere scherpe pieken tussen 3000 en 2800 cm^-1

alkaan, alkeen, aromaat, alkyn?

Er is altijd ondersteunend bewijs nodig.

C-N buig is meestal niet te zien

N-H strek is karakteristiek dubbel, en rond 3700-3300 goed te zien in afwezigheid van OH bult.

N-H buig is rond 1600 soms ook moeilijk waar te nemen in aminozuren.

Keton of aldehyde?

Propanon

Propanal

C-H strek aldehyde:
kenmerkende dubbele piek
(2850-2820 en 2750-2700)

C-H meerdere scherpe pieken tussen 3000 en 2800 cm^-1

alkaan, alkeen, aromaat, alkyn?

Er is altijd ondersteunend bewijs nodig.

C-H meerdere scherpe pieken tussen 3000 en 2800 cm^-1

alkaan, alkeen, aromaat, alkyn?

Er is altijd ondersteunend bewijs nodig.

C=O scherpe piek tussen 1700 en 1800 cm^-1

Deze piek kan op veel groepen duiden

Er is altijd ondersteunend bewijs nodig

Onder de 1500 cm-1 zit je in het fingerprinting gebied.

Daar beïnvloeden vibraties elkaar sterk en is toewijzen moeilijk.

C-H buig is berucht...

Aldehyde of carbonzuur?

ethanal

ethaanzuur

O-H strek (3525-3200 cm^-1)

Brede piek -> zeer herkenbaar

Een OH bult

C-H strek aldehyde:
kenmerkende dubbele piek
(2850-2820 en 2750-2700)

C-H meerdere scherpe pieken tussen 3000 en 2800 cm^-1

alkaan, alkeen, aromaat, alkyn?

Er is altijd ondersteunend bewijs nodig.

C=O scherpe piek tussen 1700 en 1800 cm^-1

Deze piek kan op veel groepen duiden

Er is altijd ondersteunend bewijs nodig

ZEER kenmerkende  dubbele piek van de aldehyde.

Piek bij 1700 is vaak ook iets breder dan bij een zuur, maar dat is alleen te zien voor een getraind oog...

Ester of carbonzuur?

C=O en C-O zonder O-H

(ester; ethylethanoaat)

C=O, C-O én brede O-H 

(carbonzuur; ethaanzuur)

Acetic Acid

Afwezigheid van een OH groep

C=O scherpe piek tussen 1700 en 1800 cm^-1

Deze piek kan op veel groepen duiden

Er is altijd ondersteunend bewijs nodig

C-O strek ester

1290-1150 en 1125-1000 cm^-1

C=O scherpe piek tussen 1700 en 1800 cm^-1

Deze piek kan op veel groepen duiden

Er is altijd ondersteunend bewijs nodig

O-H groep carbonzuur

3400-2500 cm^-1 hele brede piek bij een spectrum van een oplossing in water. 

Nauwe en zwakkere piek bij oplossing in hydrofoob oplosmiddel ergens in het bereik 3700-3400.

C-O strek carbonzuur

1320-1210 cm^-1

C-H meerdere scherpe pieken tussen 3000 en 2800 cm^-1

alkaan, alkeen, aromaat, alkyn?

Er is altijd ondersteunend bewijs nodig.

OH strek is uiteraard niet zichtbaar bij de ester.

Dit laat ook onomstotelijk zien wat de zuurbult is: de OH strek van COOH.

Isomeren

Aan de hand van de molecuulformule + IR-spectrum zou je de structuur kunnen bepalen. 

Wat zijn de structuurformules van deze verbindingen?

Strek-vibratie

Buig-vibratie

Butanal of Butanon?

(Vul je antwoord in op de volgende dia)

Kijk naar het spectrum op de vorige dia.
Butanal of Butanon?

1. Butanal
2. Butanon

Aminozuur of Carbonzuur?

(Vul je antwoord in op de volgende dia)

Kijk naar het spectrum op de vorige dia.
Aminozuur of Carbonzuur?

1. Aminozuur
2. Carbonzuur

Stel 1 vraag over een onderdeel dat je niet helemaal hebt begrepen.

Huiswerk

• MAAK: H10.3 Opgave 13, 14, 15, 18
• LEES: 10.4 Kwantitatieve analyse met spectrofotometrie