Strukturaufklärung: Erklärung & Methoden | StudySmarter
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Strukturaufklärung

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Chemie

Die verschiedenen Arten der Strukturaufklärung 


Die verwendeten Möglichkeiten zur Strukturaufklärungen sind meist davon abhängig, welcher Stoff analysiert werden soll. Je nach Analysemethode lassen sich vor allem auch unterschiedliche Informationen entnehmen. Die folgende Tabelle gibt dir als erstes einen Überblick über die verschiedenen Methoden und wofür sie verwendet werden. Im Anschluss erläutern wir die einzelnen Methoden noch genauer.


MessmethodeArt der Probeerhaltene Informationen
Röntgenbeugung: Neutronenbeugungkristalline Festkörper (vorzugsweise Einkristalle)Kristall- und Molekülsymmetrie, Bindungslängen, Bindungswinkel, thermische Schwingungen der Atome
Kernmagnetische Resonanz-Spektroskopie (NMR-Spektroskopie)Flüssigkeiten, gelöste Stoffe; Feststoffe (aufwendig)Anwesenheit charakteristischer Atomgruppen; Molekülsymmetrie; Aussage, welche Atome aneinander gebunden sind
Infrarot- und Raman-SpektroskopieGase; Flüssigkeiten, gelöste Stoffe; FeststoffeBindungsstärke zwischen Atomen; Molekülsymmetrie; Anwesenheit charakteristischer Atomgruppen
Mikrowellen-SpektroskopieGase (kleine Moleküle)Bindungslängen, Bindungswinkel
ElektronenbeugungGaseBindungslängen, Bindungswinkel
ElektronenmikroskopieFeststoffeLage von Baueinheiten, Baufehler
Raster-TunnelmikroskopieOberflächen von Feststoffen und darauf adsorbierte Substanzen
MassenspektrometrieGase und verdampfbare SubstanzenMolekülmasse; Anwesenheit bestimmter Atomgruppen


Röntgenbeugung


Voraussetzung für die Röntgenstrahlung ist der kristalline Zustand des Stoffes. Daher wird diese Methode auch als Kristallstrukturanalyse bezeichnet. Die monochromen Röntgenstrahlen werden am Kristall in einem bestimmten Muster gebrochen, aus dem dann Schlussfolgerungen gezogen werden können. 


 Strukturaufklärung, Röntgenbeugung Kristall, StudySmarterAbbildung 1: Röntgenbeugung am Kristall; Quelle: physikunterricht-online.de


Die Abbildung zeigt dir, wie diese Brechung ungefähr aussieht. Daraus abgeleitet entsteht die Bragg-Gleichung: 



Hiermit werden die verschiedenen Abstände zwischen einer Art von Atomen berechnet. Das gibt Aussagen darüber, in welchem Abstand die einzelnen Atome zueinander stehen. Es lässt sich sagen, wie dicht der Kristall gepackt ist und an welcher Stelle sich die einzelnen Atome befinden. Eine Beugung der Röntgenstrahlung findet schließlich nur am Atom selbst statt. 


NMR-Spektroskopie


Die NMR-Spektroskopie ist die häufigste Methode, mit der unbekannte Substanzen analysiert werden. Das gilt besonders für organische Verbindungen. Die Grundlage dafür ist das Verhalten der Atome in einem Magnetfeld. Währenddessen findet eine parallele oder antiparallele Ausrichtung statt. Der Energieunterschied zwischen beiden Ausrichtungen entspricht ungefähr der Strahlung im Frequenzbereich von Radiowellen (50-750 MHz). 


Wenn man die Atome nun mit Radiowellen bestrahlt, wird ein Teil der Strahlung absorbiert. Dieses Absorptionsverhalten wird dann aufgezeichnet und ausgewertet. 


Strukturaufklärung, NMR-Spektroskopie, Peaks, StudySmarterAbbildung 2: Aufnahme einer NMR-Spektroskopie; Quelle: chemgapedia.de


Die Abbildung zeigt dir die Aufnahmen einer NMR-Spektroskopie. Dabei handelt es sich jedoch nur um die Aufnahme von Wasserstoffatomen. Dennoch tauchen unterschiedliche Signale auf. Das liegt daran, dass die umliegenden Atome den Wasserstoff abschirmen können. Die Absorption verändert sich und verschiebt sich auch in der Aufnahme. Dieser Effekt wird auch chemische Verschiebung genannt. 


Infrarotspektroskopie


Mithilfe der Infrarotspektroskopie wird die Absorption eines Stoffes gegenüber infraroter Strahlung betrachtet. Die Moleküle werden aufgrund der Absorption des Lichts in Schwingung versetzt. Man unterscheidet dabei die Valenzschwingung entlang der Bindung oder die Deformationsschwingung, die senkrecht zur Bindung der Atome stattfindet. 


Eine Analyse ist nun möglich, da jedes Atom eine Schwingung nur in einem bestimmten Frequenzbereich aufnimmt. Mithilfe einer Vergleichsmessung kann nun aufgenommen werden, in welchem Bereich die Strahlung absorbiert worden ist. 


Mikrowellen-Spektroskopie 


Auch bei dieser Art der Strukturaufklärung werden die einzelnen Atome in Schwingung versetzt. Hierfür gilt bei dieser Methode jedoch als Bedingung, dass es sich hierbei um Moleküle handeln muss, die einen Dipol besitzen oder deren Dipolmoment sich während der Schwingung verändert. Anschließend wird die Absorption der Wellen gemessen. 


Strukturaufklärung, Wellenlänge und Energie, Mikrowellenspektroskopie, StudySmarterAbbildung 3: Die unterschiedlichen Wellen; Quelle: Matissek R., Fischer M., Steiner G. (2018) Spektrometrie. In: Lebensmittelanalytik. Springer-Lehrbuch. Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg. S. 125. 


Diese Abbildung zeigt dir noch einmal, in welchem Bereich die verschiedenen Wellen ungefähr stattfinden. So haben Mikrowellen ungefähr eine Frequenz von 0,01m bzw. 1cm. Das sichtbare Licht, das wir wahrnehmen, befindet sich hingegen in einem Nanometer-Bereich. Allerdings haben Mikrowellen eine deutlich geringere Energie. 


Problematisch bei dieser Methode ist jedoch die Wechselwirkung der Moleküle untereinander. Daher werden häufig Gase damit analysiert. Flüssigkeiten sind im Gegensatz zu Feststoffen ebenfalls noch möglich, allerdings deutlich komplizierter, weshalb diese Methode selten dafür angewendet wird. 


Elektronenbeugung 


Die Elektronenbeugung funktioniert beinah auf die gleiche Art und Weise wie die Röntgenbeugung. Statt Röntgenstrahlung werden in diesem Fall jedoch konzentrierte Elektronenstrahlen auf ein Medium geleitet. Dadurch entsteht ein Beugungsmuster, das auf die gleiche Art und Weise wie bei der Röntgenbeugung analysiert werden kann. 


Markant an dieser Methode ist vor allem, dass sie im Vakuum stattfindet. Das erhöht die Interaktion zwischen der Probe und dem Elektronenstrahl. 


Elektronenmikroskopie


Die Elektronenmikroskopie kennst du sicherlich aus der Biologie. Dennoch kann diese Methode auch in der Chemie verwendet werden. Der Vorteil der Elektronenmikroskopie besteht darin, dass sie auch Oberflächen analysiert und das in einem Bereich, in dem man ungefähr erahnen kann, wo sich die einzelnen Atome befinden. 


Für die Chemie spielt es allerdings besonders eine Rolle, die Lage der einzelnen Einheiten in einem Molekül zu bestimmen und somit unter anderem auch Fehlern auf den Grund zu gehen. 


Raster-Tunnelmikroskopie


Ähnliche Ergebnisse liefert die Rastertunnelmikroskopie. Allerdings ist es hiermit noch einmal deutlicher möglich, Atome zu erkennen. Damit du einen Eindruck davon bekommst, siehst du diese Abbildung: 


Strukturaufklärung, Atomanordnung Nickel, Rastertunnelmikroskop, StudySmarterAbbildung 4: Aufnahme der Atomanordnung von Nickel; Quelle: leifiphysik.de 


Bei dieser Aufnahme handelt es sich um Nickel, dessen Atome regelmäßig angeordnet sind. Das Rastertunnelmikroskop tastet die Oberfläche mithilfe einer extrem feinen Sonde ab, wodurch diese Strukturen entstehen, die dann durch einen Computer sichtbar gemacht werden. Einzig problematisch bei dieser Strukturaufklärung ist, dass sie nur für Feststoffe funktioniert und selbst da nur an der Oberfläche arbeiten kann. 


Massenspektrometrie


Zur Vollständigkeit gehen wir auch auf die Massenspektrometrie kurz ein. Genauere Informationen zur Entwicklung und Verwendung findest du in dem entsprechenden Artikel. 


Die Massenspektrometrie ist eine Methode, bei der die einzelnen Ionen beschleunigt werden. Mithilfe eines magnetischen und teilweise auch eines elektrischen Feldes werden sie abgelenkt und treffen dann auf eine Oberfläche auf. Die unterschiedlichen Treffer werden notiert und mithilfe eines Schreibers dann ausgegeben. Es entsteht ein Massenspektrum. 


Mit dieser Methode wurde ursprünglich herausgefunden, welche Masse ein Atom hat. Dabei wurden auch die einzelnen Isotope unter Berücksichtigung ihrer Häufigkeit betrachtet. Darauf beruhen heute auch die Berechnungen zur molaren Masse. 



Mit diesem Wissen kennst du die wichtigsten Methoden, um herauszufinden, wie ein Molekül aufgebaut ist. Weiterhin gibt es natürlich verschiedene chemische Möglichkeiten, bei denen aufgrund von Reaktionen ein Bestandteil bestimmt werden kann. Häufig ist damit jedoch nicht klar, wo er sich befindet. Daher werden Methoden wie die NMR-Spektroskopie angewandt, um sich die entsprechenden Moleküle noch genauer anzuschauen. 



Anwendung der Strukturaufklärung 


Die Strukturaufklärung spielt nicht nur eine Rolle, wenn es um die chemische Betrachtung geht. Fachübergreifend ist sie auch für die Biologie essentiell. Damit können wie im Fall der NMR-Spektroskopie viele organische Substanzen analysiert werden. Mithilfe dieser Methoden lassen sich aber auch Abbildungen der DNA und der Proteine machen. 


Grundsätzlich unterscheidet man dabei die Analyse von kleinen und großen Molekülen. Als kleine Moleküle betitelt man die Moleküle, die du von den alltäglichen chemischen Reaktionen kennst. 

Dem gegenüber stehen die großen Moleküle, bei denen es sich um biologische Makromoleküle handelt. Dazu zählen unter anderem die DNA und die Proteine. 


Strukturaufklärung, Anwendung, StudySmarterAbbildung 5: Das Corona-Virus unter dem Elektronenmikroskop; Quelle: weltderphysik.de


Aus aktuellem Anlass zeigt dir diese Aufnahme einmal das Corona-Virus unter dem Elektronenmikroskop. Natürlich ist diese Version coloriert, um die einzelnen Bestandteile deutlicher zu machen. Nur durch solche Strukturaufklärungen ist es jedoch überhaupt erst möglich, das Corona-Virus zu bekämpfen. 




Zum Abschluss dieses Artikels erhältst du nun die wichtigsten Informationen kurz zusammengefasst. Damit lernst du noch besser für die nächste Prüfung. 



Strukturaufklärung - Das Wichtigste auf einen Blick

  • Die Strukturaufklärung dient der Analyse von Molekülen, die bisher unbekannt sind oder bei denen man sich nicht sicher ist, um welche Moleküle es sich handelt. Je nach Methode können auch die entsprechenden Eigenschaften der Bindungen nachgewiesen werden. 
  • Bei einer Röntgenbeugung wird monochrome Röntgenstrahlung am Kristall gebeugt. Mithilfe der Bragg-Gleichung lässt sich daraus dann berechnen, in welchem Abstand die Atome der gleichen Arten sich befinden. 
  • Die NMR-Spektroskopie beruht auf der unterschiedlichen Ausrichtung der Atome in einem Magnetfeld. Dadurch entstehen Energieunterschiede im Radiowellenbereich, die dann absorbiert werden können. 
  • Die Infrarot- sowie die Mikrowellenspektroskopie versetzen die Atome in Schwingung. Der entsprechende Frequenzbereich kann dann analysiert werden und einzelnen Atomen oder Gruppen zugeordnet werden. 
  • Die Elektronenbeugung ähnelt der Röntgenbeugung. Der essentielle Unterschied besteht darin, dass Elektronen in einem Vakuum auf die Probe geleitet werden. 
  • Die Elektronen- und Rastertunnelmikroskopie dienen vor allem dem Abtasten der Oberfläche zur Analyse. Mithilfe beider Methoden ist es möglich, die Lage der Atome zu erkennen. 
  • Mithilfe der Massenspektrometrie wurden die einzelnen Massen der Atome bestimmt. Dabei werden Ionen beschleunigt und über eine elektrisches oder magnetisches Feld unterschiedlich abgelenkt. 


Häufig gestellte Fragen zum Thema Strukturaufklärung

Mithilfe einer Strukturaufklärung lässt sich vor allem klären, welche Atome sich wo in einem Molekül befinden. Mit anderen Methoden lassen sich aber auch Bindungslängen, Bindungswinkel, Molekülsymmetrie, Bindungsstärke sowie die Molekülmasse analysieren. 

Als kleine Moleküle bezeichnet man die einzelnen Moleküle, die in chemischen Reaktionen zum Beispiel vorkommen. Große Moleküle sind biologische Makromoleküle. Dazu zählen Proteine und die DNA. 

Zur Strukturaufklärung gibt es verschiedene Möglichkeiten. Zu den instrumentellen Methoden zählen: 

  • Röntgenbeugung
  • NMR-Spektroskopie
  • Infrarotspektroskopie
  • Mikrowellen-Spektroskopie
  • Elektronenbeugung
  • Elektronenmikroskopie
  • Raster-Tunnelmikroskopie
  • Massenspektrometrie

Finales Strukturaufklärung Quiz

Frage

Welche Stoffklasse kann mithilfe einer Elektronenmikroskopie untersucht werden? 

Antwort anzeigen

Antwort

Mithilfe der Elektronenmikroskopie können nur Feststoffe untersucht werden. 

Frage anzeigen

Frage

Welche Voraussetzung muss erfüllt werden, damit eine Strukturaufklärung mithilfe einer Röntgenbeugung stattfindet? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Bedingung dafür ist der kristalline Zustand des Stoffes. 

Frage anzeigen

Frage

Wofür wird die NMR-Spektroskopie hauptsächlich verwendet? 

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Antwort

Sie wird besonders zur Strukturaufklärung von organischen Verbindungen verwendet. 

Frage anzeigen

Frage

Welche Art von Wellen wird für die NMR-Spektroskopie als Strukturaufklärung verwendet? 

Antwort anzeigen

Antwort

Dafür werden vorrangig Wellen im Radiowellen-Bereich verwendet. Das entspricht einer Frequenz von 50-750MHz. 

Frage anzeigen

Frage

Wie nennt man den Effekt, der bei der NMR-Spektroskopie entsteht, wenn zum Beispiel Wasserstoff durch andere Atome abgeschirmt wird? 

Antwort anzeigen

Antwort

Dabei handelt es sich um eine chemische Verschiebung. Die Peaks im Spektrogramm treten versetzt auf. 

Frage anzeigen

Frage

Wie läuft eine Infrarotspektroskopie ab? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Moleküle werden aufgrund der Strahlung in Schwingung versetzt. Die Analyse erfolgt dann, in dem die entsprechenden Frequenzbereich betrachtet werden, die charakteristisch für jedes Atom absorbiert worden sind. 

Frage anzeigen

Frage

Bei einer Infrarotspektroskopie unterscheidet man zwei Schwingungsarten: (1) ... und (2) ... . 

Antwort anzeigen

Antwort

Bei einer Infrarotspektroskopie unterscheidet man zwei Schwingungsarten: (1) Valenzschwingung und (2)Deformationsschwingung. 

Frage anzeigen

Frage

Welche Moleküle können für eine Strukturanalyse mit Mikrowellen-Spektroskopie verwendet werden? 

Antwort anzeigen

Antwort

Für diese Art kommen nur Moleküle mit einem Dipol in Frage oder Moleküle, deren Dipolmoment sich während der Schwingung verändert. 

Frage anzeigen

Frage

Welches Problem besitzt die Mikrowellen-Spektroskopie? 

Antwort anzeigen

Antwort

Das Problem dieser Methode der Strukturauflösung liegt in der Wechselwirkung der Moleküle selbst. Daher werden häufig Gase analysiert, deren winzige Mengen in einem großen Bereich verteilt werden. 

Frage anzeigen

Frage

Unter welchen Bedingungen findet eine Elektronenbeugung statt? 

Antwort anzeigen

Antwort

Um die Interaktion zwischen Probe und Elektronenstrahl zu erhöhen findet diese Strukturaufklärung im Vakuum statt. 

Frage anzeigen

Frage

Wie wird die Oberfläche mit einem Rastertunnelmikroskop analysiert? 

Antwort anzeigen

Antwort

Der Vorteil dieses Mikroskops besteht darin, dass die Oberfläche mit einer extrem feinen Sonde abgetastet wird. Dadurch werden selbst einzelne Atome erkennbar. 

Frage anzeigen

Frage

Wofür dient die Massenspektrometrie? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Massenspektrometrie ist eine Methode der Strukturaufklärung, bei der besonders die Masse der Atome betrachtet wird. Gleichzeitig werden auch Isotope berücksichtigt. Man erhält somit unter anderem ein Häufigkeitsverhältnis der einzelnen Isotope in einem Element. 

Frage anzeigen

Frage

Was bezeichnet man als große Moleküle? 

Antwort anzeigen

Antwort

Als große Moleküle werden biologische Makromoleküle bezeichnet. Dabei handelt es sich zum Beispiel um die DNA und die verschiedenen Proteine. Auch diese bedürfen einer Strukturaufklärung. 

Frage anzeigen

Frage

Mithilfe welcher Methode kann die Bindungsstärke zwischen den Atomen analysiert werden? 

Antwort anzeigen

Antwort

Dafür wird vorrangig die Infrarot- oder Raman-Spektroskopie verwendet. 

Frage anzeigen

Frage

Wofür wird die Massenspektrometrie in der Physik verwendet? 

Antwort anzeigen

Antwort

In der Physik findet die Massenspektrometrie hauptsächlich Anwendung, um Isotopenzusammensetzungen chemischer Elemente zu überprüfen. 

Frage anzeigen

Frage

Aus welchen drei Einheiten besteht ein Massenspektrometer? 

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Antwort

Ein Massenspektrometer besteht immer aus: 

  • Ionenquelle
  • Analysator
  • Detektor.
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Frage

In einer Ionenquellen wird die Probe ionisiert. Dafür gibt es verschiedene Methoden, z.B. (1) ..., (2) ... und (3) ... . 

Antwort anzeigen

Antwort

In einer Ionenquellen wird die Probe ionisiert. Dafür gibt es verschiedene Methoden, z.B. (1) Elektronen-Stoß-Ionisation, (2) Elektronenspray-Ionisation und (3) Atomospheric Pressure Chemical Ionization.

Frage anzeigen

Frage

Wie läuft eine Elektronen-Stoß-Ionisation ab? 

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Antwort

Dabei werden Elektronen mit einer Energie von 70eV auf die Probe geschossen. Energie wird übertragen, sodass primär positive Ionen entstehen. Diese sind oftmals instabil und zerfallen in ein bestimmtes Muster aus Fragmenten. 

Frage anzeigen

Frage

Nach welchen zwei Kriterium kann der Detektor in der Massenspektrometrie arbeiten? 

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Antwort

Der Detektor nimmt die Ionen entweder zeit- oder ortsabhängig auf. 

Frage anzeigen

Frage

Wie nennt man die Ausschläge in einem Massenspektrum? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Ausschläge werden als Peaks bezeichnet. 

Frage anzeigen

Frage

Was lässt sich aus einem Massenspektrum ablesen? 

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Massenspektrum ist das Ergebnis der Massenspektrometrie. Daraus kann man ablesen, welches Isotop von welchem Element ab häufigsten vorkommt. 

Frage anzeigen

Frage

In welchen Bereichen findet die Massenspektrometrie noch eine Anwendung? 

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Antwort

Zu diesen Gebieten zählen zum Beispiel Geologie, Archäologie und Klimatologie. 

Frage anzeigen

Frage

Welches Element wird für die Archäologie untersucht? 

Antwort anzeigen

Antwort

Kohlenstoff

Frage anzeigen

Frage

Warum müssen die Teilchen einer Probe für eine Massenspektrometrie erst ionisiert werden? 

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Antwort

Die Ionisierung erfolgt, weil nur geladene Teilchen von einem magnetischen oder elektrischen Feld beeinflusst werden können. Sonst würde keine massen- und geschwindigkeitsabhängig Ablenkung stattfinden. 

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