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Inhalt Einleitung I. Spektroskopie II. Beugung III. Bildgebung IV. Sonstige Methoden
Vorlesung: Methoden der Anorganischen Chemie

Einleitung


Vorlage(n)


Die präparative Chemie ('Chemie = Umwandlung von Stoffen') mit dem Ziel der Herstellung von Stoffen mit ganz bestimmten Eigenschaften oder Wirkungen steht im Mittelpunkt des Chemiestudiums. Nach einer (hoffentlich erfolgreichen) Synthese ist jedoch immer auch die möglichst vollständige Charakterisierung der Produkte erforderlich. Diese reicht von der Bestimmung der chemischen Zusammensetzung (Elementar-Analyse, qualitaive und/oder quantitative Elementzusammensetzung) über die Aufklärung der Molekül- oder Kristallstruktur, die letztlich zum Verständnis der Zusammenhänge zwischen Struktur und Eigenschaft essentiell ist, bis zur Messung der gewünschten Eigenschaften.

Für alle Schritte dieser Charakterisierung stehen eine Reihe unterschiedlicher physikalisch-chemischer Methoden zur Verfügung. Vor der Wahl einer Methode sollte immer die grundsätzliche Frage stehen:

Welche Informationen/Eigenschaften sollen ermittelt/bestimmt werden?

Für die anorganische Chemie sind hier viele Antworten möglich:
  1. Wie ist die chemische Zusammensetzung?, d.h. welche Atomsorten sind in welchem Verhältnis vorhanden? Dieser Frage wird vor allem im Grundstudium nachgegangen mit der Bestimmung von Bekannte Methoden hierfür sind (vgl. wieder Grundstudium!)
  2. Bei Molekülen werden i.A. die funktionellen Gruppen (d.h. Teile der Konnektivität der Atome) durch Vergleich mit Bekanntem (Fingerprint, Datenbanken) mittels IR- und NMR-Spektroskopie bestimmt. Im Bereich der anorganischen Molekülchemie sind diese Methoden analog zur organischen Chemie anwendbar. Gerade bei Metallkomplexen kommt der Koordination um die Metallatome/ionen und der lokalen Symmetrie entscheidende Bedeutung zu, was direkt überleitet zur Frage ...
  3. Welche Struktur (mit der abgestuften Bedeutung, s.u. !) liegt vor? Dies ist meist der Kernpunkt der Charakterisierung, wobei weiter zu unterscheiden ist in:
  4. Weitere physikalische Untersuchungsmethoden dienen der Bestimmung von Eigenschaften und Wirkungen, wie z.B.

Einteilung physikalisch-chemischer Charakterisierungsmethoden

Fast alle physikalisch-chemischen Charakterisierungsmethoden lassen sich drei Gruppen zuordnen: Einige weitere Methoden sind die Massenspektrometrie (MS) sowie viele Messung diverser anwendungsrelevanter Eigenschaften, die weit über die eigentliche Chemie hinausgehen können und jeweils für die jeweilige Eigenschaft beliebig speziell werden können.

Welche Methode liefert (Warum?) welche Information?

Wie eine Methode grundsätzlich funktioniert und welche Art von Informationen sie liefert kann, hängt sehr entscheidend von den Energien ab, die jeweils angewendet werden. Dazu zeigt das Schema in Abb. 0.1. gegliedert nach den drei Methodengruppen Spektroskopie (rot), Beugung (grün) und Mikroskopie/Bildgebung (blau) die einzelnen Methoden abhängig von der Energie der meist elektromagnetischen Strahlung (oben niedrige, unten hohe Energie).
Abb. 0.1. Methodengruppen und Energiebereiche ‣ SVG

Methoden nach Prinzipien und Energiebereichen

Das Prinzip der einzelnen Methoden, die verwendete Strahlung, die ausgelösten Elementarprozesse, die Betriebsarten sowie die daraus folgenden Informationen über die Probe werden anhand des Schemas aus Abb. 0.1. deutlich. Wichtig ist dabei, daß die einzelnen Methoden unterschiedliche Einheiten für die relevanten Energien verwenden (in Abb. O.1. liegen gleiche Energien auf gleicher Höhe, die Raumtemperatur ist als RT eingetragen, die Umrechnung der Einheiten ist an den Energieskalen unten angegeben und wird zu Beginn der spektroskopischen Methoden wiederholt). Die Spektrospkopie und die Beugung sind die wichtigsten Methodengruppe zur Messung von 'Bulk'-Eigenschaften von Proben. Die Strukturen von Oberflächen (die z.B. für katalytische Prozesse und auch viele mechanische Eigenschaften wichtig sind) sind durch bildgebende Methoden zugänglich. Neben allen grundsätzlichen physikalischen Prinzipien spielen auch immer auch eher triviale praktische Gründe eine Rolle für die Frage, ob eine Methoden für die Beantwortung einer bestimmten Fragestellung geeignet ist. Hierzu zählen z.B.:

Zusammenfassung I: Welche Methode liefert welche Art von Information? (Methode -> Information)

Nach den drei Methodengruppen gegliedert ergeben sich für die einzelnen Methoden die in Tabelle 0.1. gezeigten Informationen.
Tab. 0.1. Informationen der unterschiedlichen physikalisch-chemischen Charakterisierungsmethoden (X: sehr gut geeignet; (X): bedingt geeignet; farbliche Unterlegung zur Verdeutlichung der Stärken der Methodengruppen I (Spektroskopie), II (Beugung und III (Bildgebende Verfahren))
Gr. Methode Bindungs-elektr. Elementar-Lokale polykr. Oberflächen- Kristall- Kristall- Elementar- amorph/ Phasen-
typ Struktur analyse Struktur Textur Struktur defekte struktur zelle/RG kristallin best.
I NMR/ESR-Spektroskopie (X) (X) (X) X (X) (X)
IR/Raman-Spektroskopie (X) (X) X X X
UV/VIS-Spektroskopie X X (X) X (X)
Elektronenspektroskopie (ESCA,XPS,UPS,AES,EELS) X X X X X (X)
Röntgenspektroskopie (XRF, AEFS, EXAFS) (X) (X) (X) X X (X)
Mössbauer-Spektroskopie (X) (X) X
III Optische Mikroskopie X (X) (X) X
Rastersondenmethoden (AFM, STM) X X X X X X
Elektronenmikroskopie (EM) X X X X (X) X (X)
II Elektronenbeugung (X) X X X X
Röntgenbeugung (X) (X) (X) (X) X X X X
Neutronenbeugung (X) X X (X) (X)

Daraus folgt unmittelbar, dass die Stärke der spektroskopischen Methoden in der Aufklärung von Elementzusammensetzungen und der Bestimmung lokaler Symmetrie liegt. Die Beugungsmethoden liefern beim Vorliegen kristalliner Bulk-Proben umfassende Strukturinformationen mit hoher Genauigkeit. Die Stärke der Mikroskopie und der SPM-Verfahren ist die Abbildung von Oberflächen-Strukturen bis hinunter in den Bereich atomarer Auflösung.

Zusammenfassung II: Welche Fragestellung wird mit welcher Methode beantwortet? (Problem -> Methode)

In Tabelle 0.2. ist zusammengestellt, welche Problemstellungen bzw. Art der gewünschten Informationen mit welcher Methode bearbeitet/erhalten werden können. Dabei ist nach Aggregatzustand der Probe differenziert und die übliche Verfügbarkeit der Methoden ist als Zahl von (1: üblicherweise im Institut vorhanden) bis (4: sehr teure Spezialausrüstung erforderlich) mit aufgenommen.
Tab. 0.2. Fragestellung -> Methode (nach Aggregatzustand)
Frage Aggregatzustand der Probe
stellung gasförmig flüssig fest
Identifizierung von Substanzen (Fingerprint) IR/RAMAN (1)
UV/VIS (1)
Mikrowellen (2) NMR (1) MAS-NMR (2)
UPS
MS (1) MS/SIMS (2)
Pulver-Diffraktometrie (1)
Mikroskopie (1), Elektronenmikroskopie (2)
AFM/STM (2)
Thermoanalyse (TG/DTA/DSC) (1)
funktionelle Gruppen IR/RAMAN (1)
UV/VIS (1)
NMR (1)MAS-NMR (2)
Mössbauer (2)
MS (1) MS/SIMS (2)
Symmetrie IR/RAMAN (1)
Mikrowellen (2)NMR (2) MAS-NMR (2)
NQR (3)
Elektronenbeugung (3) Röntgenbeugung (1)
Neutronenbeugung (4)
EXAFS (4)
Geometrie (Abstände, Winkel) Mikrowellen (2)LC-NMR (1)
Elektronenbeugung (3) EXAFS (4)
Einkristall-Beugung (Röntgen (1), Neutronen (4))
Elektronenstruktur UV/VIS (1)
UPS (2)XPS (2)UPS, XPS (2)
ESR
Mössbauer
Einkristall-Beugung (Röntgen (1), Neutronen (4))
Schwingungen, Phononen IR, Raman (1)
NMR (1) MAS-NMR (2)
inelast. Neutronenstreuung (4)
physikalische und chemische Eigenschaften: div. Methoden
Verfügbarkeit (1) in den meisten Labors/Instituten verfügbar
(2) in einigen Instituten verfügbar
(3) in wenigen Instituen verfügbar
(4) teure Spezialausrüstung erforderlich

Inhalt, weitere Aufteilung der Vorlesung

Inhaltsübersicht aus der Vorlage 0.1:

Literaturhinweise

Inhalt Einleitung I. Spektroskopie II. Beugung III. Bildgebung IV. Sonstige Methoden
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