Opgaver til A4.5

Opgaverne hører til afsnit A4.5 IR-spektret. Prøv selv, før du åbner hjælpen under opgaven.

Opgave A4.5.1: Fra IR-kilde til spektrum

Når et IR-spektrum måles, er der tre ting på lysets vej gennem IR-spektrometeret. Her står de i tilfældig rækkefølge: en detektor, en prøve og en IR-kilde.

Figuren viser det samme udsnit af et IR-spektrum tegnet på to måder. Den ene kurve viser transmittansen i procent, som IR-spektrene i afsnit A4.5 gør. Den anden kurve viser absorbansen, som absorptionsspektrene i afsnit B5.2 gør. Udsnittet har to bånd, X og Y.

Figur 1: Det samme udsnit af et IR-spektrum tegnet på to måder: kurve 1 og kurve 2.
  1. Skriv detektoren, prøven og IR-kilden i den rækkefølge, de står i på lysets vej, og skriv, hvad hver af de tre gør.
  2. Hvilken af de to kurver i figuren viser transmittansen, og hvilken viser absorbansen? Begrund svaret.
  3. Aflæs transmittansen og absorbansen for bånd X og for bånd Y.
  4. Absorbansen kan beregnes af transmittansen med formlen A = −log(T) fra afsnit B5.2. Transmittansen T skal skrives som decimaltal, så 25 % skrives 0,25. Kontrollér med formlen, at dine aflæsninger for bånd X og bånd Y passer sammen.

Lyset begynder i IR-kilden og slutter i detektoren.

Transmittansen er den del af lyset, der går igennem prøven. Den måles i procent og kan højst være 100 %. Absorbansen har ingen enhed. Den er 0, når alt lyset går igennem prøven, og den vokser, når prøven absorberer mere lys.

Se på tallene på de to lodrette akser i figuren: den ene akse går fra 0 til 100, og den anden går fra 0 til 1,2.

Ved bånd X absorberer prøven næsten alt lyset. Der er transmittansen lav og absorbansen høj. Et bånd peger derfor nedad i kurven for transmittansen og opad i kurven for absorbansen.

Til spørgsmål d: er transmittansen 10 %, skal du indsætte T = 0,10 i formlen A = −log(T).

  1. På lysets vej står de tre i rækkefølgen IR-kilde, prøve, detektor.
  • IR-kilden sender infrarødt lys med mange bølgetal ud.
  • Prøven absorberer lyset ved de bølgetal, der passer med svingningerne i prøvens molekyler. Resten af lyset går igennem.
  • Detektoren måler, hvor meget lys der kommer igennem prøven ved hvert bølgetal. Resultatet tegnes som et IR-spektrum.
  1. Kurve 2 viser transmittansen. Den lodrette akse går fra 0 til 100, altså procent, og kurven ligger tæt ved 100 % de steder, hvor prøven ikke absorberer. Ved de to bånd dykker kurven.

Kurve 1 viser absorbansen. Den lodrette akse går fra 0 til 1,2, og kurven ligger tæt ved 0 de steder, hvor prøven ikke absorberer. Ved de to bånd peger kurven opad.

  1. Aflæsningerne:
Bånd Transmittans (kurve 2) Absorbans (kurve 1)
X 10 % 1,0
Y 50 % 0,30
  1. For bånd X er transmittansen 10 %, så T = 0,10:

\[ A = -\log(0{,}10) = 1{,}00 \]

For bånd Y er transmittansen 50 %, så T = 0,50:

\[ A = -\log(0{,}50) = 0{,}30 \]

De beregnede absorbanser passer med aflæsningerne på kurve 1. De to kurver viser altså det samme på hver sin måde: hvor prøven absorberer meget lys, er transmittansen lav og absorbansen høj. I et IR-spektrum er det transmittansen, der vises, og derfor er et bånd et dyk i kurven.

Opgave A4.5.2: Aflæs akserne

Linalool er et af de stoffer, der giver lavendel dens duft. Figuren viser IR-spektret af linalool. Tre af båndene er mærket A, B og C.

Figur 2: IR-spektret af linalool med tre mærkede bånd.
  1. Mellem to lodrette streger i spektret er der 100 cm−1. Beskriv, hvordan den vandrette akse ændrer sig ved 2000 cm−1.
  2. Aflæs bølgetallet for bunden af bånd A, bånd B og bånd C.
  3. Aflæs transmittansen i bunden af bånd A, bånd B og bånd C. Aflæs også transmittansen ved 2400 cm−1, hvor spektret ikke har noget bånd.
  4. Hvilket af de tre mærkede bånd er kraftigst, og hvilket er bredest?

I spektret af linalool aflæses bølgetallet på den vandrette akse, og det falder mod højre. Transmittansen aflæses på den lodrette akse.

Find bunden af båndet, altså det laveste punkt i dykket. Gå lodret ned til den vandrette akse for at aflæse bølgetallet, og gå vandret ud til den lodrette akse for at aflæse transmittansen.

Tæl de lodrette streger fra det nærmeste tal på aksen i spektret af linalool. Bunden af bånd A ligger mellem 3500 og 3000 cm−1: den ligger mellem den første og den anden streg til højre for 3500, altså mellem 3400 og 3300 cm−1.

Bånd C ligger til højre for 2000 cm−1. Der står stregerne længere fra hinanden, men der er stadig 100 cm−1 mellem to streger.

Det kraftigste bånd er det, der når længst ned mod 0 %. Det bredeste bånd er det, der fylder mest på den vandrette akse.

Figur 3: Aflæsningen af bølgetal og transmittans i IR-spektret af linalool.

  1. Til venstre for 2000 cm−1 står de lodrette streger tæt, og der står et tal på aksen for hver 500 cm−1. Til højre for 2000 cm−1 står stregerne dobbelt så langt fra hinanden, og der står et tal for hver 200 cm−1. Den højre del af spektret er altså trukket ud, så båndene under 2000 cm−1 er lettere at skille fra hinanden.

  2. og c. Aflæsningerne i spektret af linalool:

Bånd Bølgetal i cm−1 Transmittans
A omkring 3340 omkring 40 %
B omkring 2960 omkring 30 %
C omkring 1640 omkring 60 %

Ved 2400 cm−1 er transmittansen omkring 95 %. Næsten alt lyset går igennem prøven, så linalool absorberer næsten ikke infrarødt lys med det bølgetal.

  1. Bånd B er kraftigst, for det når længst ned: transmittansen er kun omkring 30 % i bunden. Bånd A er bredest: det strækker sig fra omkring 3600 til 3100 cm−1, mens bånd B og bånd C er smalle.

Opgave A4.5.3: De fire områder

Et IR-spektrum deles i fire områder: fra 4000 til 2500 cm−1, fra 2500 til 2000 cm−1, fra 2000 til 1500 cm−1 og under 1500 cm−1.

Her er ti svingninger i tilfældig rækkefølge:

  • C=O-stræk
  • O−H-stræk
  • C≡N-stræk
  • C−O-stræk
  • C−H-stræk
  • C=C-stræk
  • bøjning af vinklen H−C−H
  • N−H-stræk
  • C≡C-stræk
  • C−C-stræk
  1. Placer hver af de ti svingninger i det rigtige af de fire områder.
  2. Begrund med de to regler fra afsnit A4.4, hvorfor strækkene af O−H, N−H og C−H ligger ved de højeste bølgetal, og hvorfor C≡C-strækket ligger ved et højere bølgetal end C=C-strækket, som igen ligger højere end C−C-strækket.
  3. Hvad kaldes området under 1500 cm−1? Forklar, hvorfor båndene i området ikke tolkes, og hvad området kan bruges til.
  4. Et stof har et kraftigt bånd ved 1100 cm−1. En elev skriver: “Båndet viser, at stoffet har en C−O-binding.” Vurdér elevens konklusion.

Sortér svingningerne efter bindingens slags: bindinger til hydrogen, tripelbindinger, dobbeltbindinger og enkeltbindinger mellem tungere atomer. Hver slags har sit eget område. Bøjninger ligger sammen med enkeltbindingerne.

De to regler fra afsnit A4.4 er: en stærkere binding svinger hurtigere, og lettere atomer svinger hurtigere. En hurtigere svingning giver et højere bølgetal.

Tabellen under “Spektrets fire områder” i afsnit A4.5 viser, hvad der ligger i hvert område.

Du kan begynde begrundelserne sådan: “Hydrogenatomet er det letteste atom, så bindinger til hydrogen …” og “En tripelbinding er stærkere end en dobbeltbinding, så …”

Til spørgsmål d: C−O-strækket ligger ved 1260 til 1000 cm−1. Tænk over, hvilke andre svingninger der også ligger under 1500 cm−1.

  1. De ti svingninger fordelt på de fire områder:
Område i cm−1 Svingninger
4000 til 2500 O−H-stræk, N−H-stræk, C−H-stræk
2500 til 2000 C≡N-stræk, C≡C-stræk
2000 til 1500 C=O-stræk, C=C-stræk
under 1500 C−O-stræk, C−C-stræk, bøjning af vinklen H−C−H
  1. Strækkene af O−H, N−H og C−H ligger højest på grund af atomernes masse: lettere atomer svinger hurtigere, og hydrogenatomet er langt det letteste atom. Bindinger til hydrogen svinger derfor hurtigst og ligger ved de højeste bølgetal, fra 4000 til 2500 cm−1.

Rækkefølgen C≡C, C=C, C−C skyldes bindingens styrke: en stærkere binding svinger hurtigere. Atomerne er de samme i de tre bindinger, men tripelbindingen er stærkere end dobbeltbindingen, som er stærkere end enkeltbindingen. C≡C-strækket ligger derfor ved 2500 til 2000 cm−1, C=C-strækket ved 2000 til 1500 cm−1 og C−C-strækket under 1500 cm−1.

Bøjningen af vinklen H−C−H ligger også under 1500 cm−1, selv om hydrogenatomerne er lette. Det er lettere at bøje en vinkel end at strække en binding, så en bøjning ligger ved et lavere bølgetal end strækket af de samme bindinger.

  1. Området under 1500 cm−1 kaldes fingeraftryksområdet. Her ligger strækkene af alle enkeltbindinger mellem tungere atomer og alle bøjninger. Der er så mange bånd oven i hinanden, at de ikke kan knyttes til bestemte grupper, og derfor tolkes de ikke. Mønsteret af bånd er til gengæld forskelligt fra stof til stof, ligesom et fingeraftryk. Fingeraftryksområdet kan derfor bruges til at sammenligne spektret af en prøve med spektret af et kendt stof.

  2. Elevens konklusion holder ikke. C−O-strækket ligger ganske vist ved 1260 til 1000 cm−1 og er kraftigt, men 1100 cm−1 ligger i fingeraftryksområdet. Her ligger også C−C-stræk og bøjninger, så båndet ved 1100 cm−1 kan skyldes andet end en C−O-binding. Eleven skal i stedet se efter bånd over 1500 cm−1, fx et bredt O−H-bånd fra en alkohol eller et C=O-bånd fra en ester.

Opgave A4.5.4: Brug tabellen

Brug tabellen over IR-bånd i afsnit A4.5 til begge spørgsmål.

  1. Seks bindinger står i tabellen herunder. Find bølgetallet og båndets karakter for hver af dem.
Binding Findes i
C=O en keton
O−H en alkohol
C−H på sp2-carbon et alken
C≡N en nitril
C=O en ester
C−H på sp-carbon et alkyn
  1. Seks bånd fra seks forskellige IR-spektre står i tabellen herunder. Skriv for hvert bånd alle de bindinger i tabellen i afsnit A4.5, som bølgetallet passer med. Brug derefter båndets karakter til at vælge mellem dem.
Bånd Bølgetal i cm−1 Båndets karakter
1 3350 kraftigt og bredt
2 3300 kraftigt og skarpt
3 2250 middel
4 2120 svagt
5 1715 kraftigt og skarpt
6 1650 svagt

Til spørgsmål a: find rækken med bindingen i tabellen i afsnit A4.5. Flere af bindingerne står i mere end én række, fx C=O. Vælg den række, hvor kolonnen “Findes i” passer.

Til spørgsmål b: gå tabellen i afsnit A4.5 igennem række for række, og spørg hver gang: ligger båndets bølgetal inden for rækkens interval?

Bånd 1 ved 3350 cm−1 ligger inden for tre intervaller: O−H i alkoholer og phenoler (3640 til 3160 cm−1), O−H i carboxylsyrer (3400 til 2500 cm−1) og N−H (3500 til 3300 cm−1). Sammenlign nu båndets karakter, kraftigt og bredt, med de tre rækker.

Bånd 3 ved 2250 cm−1 passer med både C≡N og C≡C. Det ene af de to bånd er middel, og det andet er svagt.

  1. Bølgetal og karakter for de seks bindinger:
Binding Findes i Bølgetal i cm−1 Båndets karakter
C=O en keton 1725 til 1705 kraftigt og skarpt
O−H en alkohol 3640 til 3160 kraftigt og bredt
C−H på sp2-carbon et alken 3100 til 3000 middel
C≡N en nitril 2260 til 2200 middel
C=O en ester 1750 til 1735 kraftigt og skarpt
C−H på sp-carbon et alkyn omkring 3300 kraftigt og skarpt
  1. De seks bånd:
Bånd Bølgetallet passer med Karakteren peger på
1 O−H i alkoholer og phenoler, O−H i carboxylsyrer, N−H O−H i en alkohol eller en phenol
2 C−H på sp-carbon, O−H i alkoholer og phenoler, O−H i carboxylsyrer, N−H C−H på sp-carbon i et alkyn
3 C≡N og C≡C C≡N i en nitril
4 C≡C C≡C i et alkyn
5 C=O i ketoner og C=O i carboxylsyrer C=O i en keton eller en carboxylsyre
6 C=C i alkener og C=O i amider C=C i et alken

Begrundelserne:

  • Bånd 1 er kraftigt og bredt, som O−H-båndet i en alkohol eller en phenol. N−H-båndet er kun middel og har spidser. O−H-båndet i en carboxylsyre er meget bredt og når helt ned til 2500 cm−1. C−H på sp-carbon ligger også i nærheden, omkring 3300 cm−1, men det bånd er skarpt.
  • Bånd 2 er skarpt. Båndene fra O−H er brede, og båndet fra N−H er kun middel. Et kraftigt og skarpt bånd omkring 3300 cm−1 er C−H på et sp-hybridiseret carbonatom.
  • Bånd 3 er middel, som C≡N-båndet. C≡C-båndet er svagt.
  • Bånd 4 ved 2120 cm−1 ligger under intervallet for C≡N, som går fra 2260 til 2200 cm−1. Kun C≡C er tilbage, og C≡C-båndet er netop svagt.
  • Bånd 5 ved 1715 cm−1 ligger i intervallet for både ketoner og carboxylsyrer, og begge bånd er kraftige og skarpe. Båndet alene kan ikke afgøre det. Det gør resten af spektret: en carboxylsyre har også et meget bredt O−H-bånd fra 3400 til 2500 cm−1.
  • Bånd 6 er svagt, som C=C-båndet i et alken. C=O-båndet i et amid er kraftigt.

Opgave A4.5.5: Båndets karakter

Hindbærketon er det stof, der giver hindbær deres duft. Figuren viser hindbærketon og stoffets IR-spektrum. Fire bånd i spektret er mærket 1 til 4. Tabellen viser, hvilken svingning hvert af de fire bånd skyldes.

Figur 4: Hindbærketon og stoffets IR-spektrum med fire mærkede bånd.
Bånd Binding og svingning
1 O−H-stræk i hydroxygruppen
2 C−H-stræk på sp3-carbon
3 C=O-stræk i carbonylgruppen
4 C=C-stræk i benzenringen
  1. Beskriv karakteren af hvert af de fire bånd i spektret af hindbærketon. Brug ét ord for styrken (kraftigt, middel eller svagt) og ét ord for bredden (bredt eller skarpt).
  2. Forklar, hvorfor bånd 1 fra O−H-strækket er bredt.
  3. Forklar, hvorfor bånd 3 fra C=O-strækket er kraftigt, og hvorfor bånd 4 fra C=C-strækket i benzenringen er svagt.

Se på de fire mærkede bånd i spektret af hindbærketon. Styrken ser du på, hvor langt båndet når ned: et kraftigt bånd når langt ned mod 0 %, og et svagt bånd er kun et lille dyk. Bredden ser du på, hvor meget båndet fylder på den vandrette akse: et skarpt bånd er en smal spids.

Styrken og bredden har hver sin forklaring i afsnit A4.5 under “Båndets karakter”: den ene handler om, hvor polær bindingen er, og den anden handler om hydrogenbindinger.

Til spørgsmål b: molekylerne i hindbærketon danner hydrogenbindinger til hinanden med deres hydroxygrupper. Du kan begynde sådan: “Nogle O−H-bindinger sidder i en stærk hydrogenbinding, andre i en svag, og derfor …”

Til spørgsmål c: en svingning absorberer kun infrarødt lys, hvis den flytter ladninger i molekylet. Sammenlign elektronegativiteterne for carbon og oxygen i C=O med de to ens atomer i C=C.

  1. Karakteren af de fire bånd i spektret af hindbærketon:
Bånd Bølgetal i cm−1 Binding og svingning Båndets karakter
1 omkring 3340 O−H-stræk kraftigt og bredt
2 omkring 2930 C−H-stræk på sp3-carbon middel og skarpt
3 omkring 1715 C=O-stræk kraftigt og skarpt
4 omkring 1610 C=C-stræk i benzenringen svagt og skarpt

Bånd 2 fra C−H på sp3-carbon står i tabellen i afsnit A4.5 som kraftigt, men i spektret af hindbærketon er det kun middel. Styrken afhænger også af, hvor mange bindinger af samme slags molekylet har, og hindbærketon har kun syv C−H-bindinger på sp3-hybridiserede carbonatomer.

  1. Hydroxygrupperne i hindbærketon danner hydrogenbindinger fra molekyle til molekyle. Nogle O−H-bindinger sidder i en stærk hydrogenbinding, andre i en svag, og de svinger derfor ikke helt ens. Båndene fra de mange lidt forskellige O−H-bindinger ligger ved siden af hinanden og smelter sammen til ét bredt bånd.

  2. Styrken af et bånd afhænger af, hvor polær bindingen er. Oxygen har elektronegativiteten 3,5 og carbon 2,5, så C=O-bindingen er meget polær. Når C=O-bindingen strækkes, flytter ladningerne δ+ og δ− sig meget, og bindingen absorberer meget infrarødt lys. Bånd 3 er derfor kraftigt.

En C=C-binding i benzenringen sidder mellem to carbonatomer med samme elektronegativitet og er næsten upolær. Strækket flytter kun lidt ladning, og bindingen absorberer kun lidt lys. Bånd 4 er derfor svagt.

Opgave A4.5.6: Grænsen ved 3000

Figuren viser udsnit omkring 3000 cm−1 af IR-spektrene for fire carbonhydrider, A, B, C og D. Den røde stiplede linje står ved 3000 cm−1.

Figur 5: Udsnit omkring 3000 cm−1 af IR-spektrene for fire carbonhydrider.

De fire carbonhydrider er, i tilfældig rækkefølge:

  • cyclohexan, C6H12, en ring af seks carbonatomer med enkeltbindinger
  • cyclohexen, C6H10, en ring af seks carbonatomer med én dobbeltbinding
  • toluen, C6H5CH3, en benzenring med en methylgruppe
  • pent-1-yn, HC≡CCH2CH2CH3, en kæde af fem carbonatomer med en tripelbinding for enden
  1. Angiv for hvert af de fire udsnit, om der er C−H-bånd over 3000 cm−1, og aflæs cirka, hvor de ligger.
  2. Angiv for hvert af de fire stoffer A, B, C og D, hvilken hybridisering de carbonatomer har, som hydrogenatomerne sidder på, og afgør, om stoffet er mættet eller umættet.
  3. Hvilket af de fire udsnit hører til cyclohexan, og hvilket hører til pent-1-yn? Begrund svaret.
  4. De to sidste udsnit hører til cyclohexen og toluen. Forklar, hvorfor tabellen i afsnit A4.5 ikke kan afgøre, hvilket af de to udsnit der hører til cyclohexen. Angiv de bånd længere til højre i spektrene, som kan afgøre det.

I de fire udsnit falder bølgetallet mod højre, så bånd til venstre for den stiplede linje ligger over 3000 cm−1.

C−H-båndets plads afhænger af carbonatomets hybridisering: C−H på sp3-carbon ligger ved 2960 til 2850 cm−1, C−H på sp2-carbon ved 3100 til 3000 cm−1 og C−H på sp-carbon omkring 3300 cm−1.

Et stof er mættet, når alle C−H-bånd ligger under 3000 cm−1. Er der også bånd over 3000 cm−1, er stoffet umættet.

Tegn eller forestil dig de fire stoffer, og find hybridiseringen ved at tælle naboer: et carbonatom med fire naboer er sp3-hybridiseret, med tre naboer sp2-hybridiseret og med to naboer sp-hybridiseret. I cyclohexan har alle carbonatomer fire naboer. I pent-1-yn har de to carbonatomer i tripelbindingen to naboer hver.

Til spørgsmål d: både en dobbeltbinding mellem carbonatomer og en benzenring har C−H på sp2-carbon. Find C=C i alkener og C=C i benzenringe i tabellen i afsnit A4.5.

  1. og b. De fire udsnit:
Udsnit C−H-bånd over 3000 cm−1 Hydrogenatomerne sidder på Stoffet er
A ja, to små bånd omkring 3060 og 3030 sp2- og sp3-carbon umættet
B nej kun sp3-carbon mættet
C ja, et kraftigt og skarpt bånd omkring 3310 sp- og sp3-carbon umættet
D ja, et bånd omkring 3020 sp2- og sp3-carbon umættet

Alle fire udsnit har også bånd under 3000 cm−1, ved omkring 2960 til 2850 cm−1. De skyldes C−H-stræk på sp3-hybridiserede carbonatomer.

  1. Udsnit B hører til cyclohexan. Det er det eneste udsnit uden bånd over 3000 cm−1, og cyclohexan er det eneste af de fire stoffer, hvor alle carbonatomer er sp3-hybridiserede.

Udsnit C hører til pent-1-yn. Båndet omkring 3310 cm−1 skyldes C−H på et sp-hybridiseret carbonatom, og kun pent-1-yn har et hydrogenatom på et carbonatom i en tripelbinding.

  1. Udsnit A og udsnit D har begge bånd mellem 3100 og 3000 cm−1. Tabellen har kun én række for C−H på sp2-carbon, og den gælder både alkener og benzenringe. Båndene over 3000 cm−1 viser derfor kun, at begge stoffer er umættede.

Det afgørende er båndene fra C=C-strækket. Cyclohexen har et svagt bånd fra C=C i et alken ved 1680 til 1640 cm−1. Toluen har i stedet benzenringens bånd omkring 1600 og 1500 cm−1. I de hele spektre viser det sig, at udsnit A hører til toluen og udsnit D til cyclohexen.

Opgave A4.5.7: O−H eller N−H?

Fire stoffer har alle seks carbonatomer:

Stof Formel Stofklasse
hexan-1-ol CH3CH2CH2CH2CH2CH2OH primær alkohol
hexansyre CH3CH2CH2CH2CH2COOH carboxylsyre
hexylamin CH3CH2CH2CH2CH2CH2NH2 primær amin
dipropylamin CH3CH2CH2NHCH2CH2CH3 sekundær amin

Figuren viser udsnit fra 3800 til 2400 cm−1 af de fire stoffers IR-spektre i tilfældig rækkefølge. Udsnittene er mærket A, B, C og D.

Figur 6: Udsnit fra 3800 til 2400 cm−1 af IR-spektrene for hexan-1-ol, hexansyre, hexylamin og dipropylamin i tilfældig rækkefølge.
  1. Beskriv formen af båndet over 3000 cm−1 i hvert af de fire udsnit.
  2. Par hvert af de fire udsnit med ét af de fire stoffer. Begrund svaret.
  3. Alle fire udsnit har skarpe bånd mellem 3000 og 2850 cm−1. Angiv, hvilken binding og svingning de skyldes.
  4. Triethylamin, (CH3CH2)3N, er en tertiær amin med samme molekylformel som hexylamin og dipropylamin, C6H15N. Forklar, hvorfor IR-spektret af triethylamin ikke har noget bånd mellem 3500 og 3300 cm−1.

Se efter tre ting i båndet over 3000 cm−1 i hvert af de fire udsnit: er det bredt eller smalt, er det kraftigt eller kun middel, og har det én eller to spidser?

Figuren under “O−H og N−H” i afsnit A4.5 viser, hvordan båndene fra en alkohol, en carboxylsyre, en primær amin og en sekundær amin ser ud.

En primær amin har gruppen −NH2 med to N−H-bindinger og giver to spidser. En sekundær amin har gruppen −NH− med én N−H-binding og giver én spids.

O−H-båndet i en carboxylsyre er så bredt, at det når helt ned til 2500 cm−1 og ligger hen over C−H-båndene.

Til spørgsmål d: tegn triethylamin, og se efter, hvilke atomer hydrogenatomerne sidder på.

  1. og b. De fire udsnit:
Udsnit Båndet over 3000 cm−1 Binding Stof
A én smal spids omkring 3320, middel N−H i −NH− dipropylamin
B meget bredt og kraftigt, fra omkring 3400 og helt ned til 2500 O−H i −COOH hexansyre
C bredt og kraftigt, omkring 3340 O−H i en alkohol hexan-1-ol
D to spidser omkring 3380 og 3310, middel N−H i −NH2 hexylamin

Begrundelsen: O−H-båndene er brede og kraftige, og N−H-båndene er smallere og kun middel. Det meget brede bånd i udsnit B, som breder sig ud over C−H-båndene, er carboxylsyrens O−H-bånd, så udsnit B hører til hexansyre. Det brede bånd i udsnit C har bunden ved omkring 3340 cm−1 og ligger til venstre for C−H-båndene. Det er alkoholens O−H-bånd, så udsnit C hører til hexan-1-ol. Udsnit D har to spidser og hører til den primære amin hexylamin, som har to N−H-bindinger. Udsnit A har én spids og hører til den sekundære amin dipropylamin, som har én N−H-binding.

  1. De skarpe bånd mellem 3000 og 2850 cm−1 skyldes C−H-stræk på sp3-hybridiserede carbonatomer. Alle fire stoffer har en carbonkæde af CH2- og CH3-grupper.

  2. Båndet ved 3500 til 3300 cm−1 skyldes N−H-stræk. I triethylamin binder nitrogenatomet tre carbonatomer og ingen hydrogenatomer. Triethylamin har altså ingen N−H-binding, og derfor er der ikke noget N−H-bånd. Alle 15 hydrogenatomer i triethylamin sidder på sp3-hybridiserede carbonatomer, så mellem 4000 og 2500 cm−1 har spektret af triethylamin kun C−H-båndene ved 2960 til 2850 cm−1.

Opgave A4.5.8: Fire stoffer med C=O

Fire stoffer har alle en C=O-binding:

Stof Formel Stofklasse
hexanal CH3CH2CH2CH2CH2CHO aldehyd
pentan-2-on CH3COCH2CH2CH3 keton
propansyre CH3CH2COOH carboxylsyre
butanamid CH3CH2CH2CONH2 amid

Figuren viser de fire stoffers IR-spektre i tilfældig rækkefølge.

Figur 7: IR-spektrene af hexanal, pentan-2-on, propansyre og butanamid i tilfældig rækkefølge.
  1. Find C=O-båndet i hvert af de fire spektre, og aflæs dets bølgetal. Forklar, hvorfor C=O-båndet alene ikke er nok til at kende de fire stoffer fra hinanden.
  2. Par hvert af de fire spektre med ét af de fire stoffer. Angiv for hvert par det bånd, der afgør det.
  3. Pentylethanoat, CH3COOCH2CH2CH2CH2CH3, er en ester, som dufter af pære. Ligesom en keton har en ester hverken bånd fra O−H eller fra N−H. Forklar, hvordan IR-spektret af en ester alligevel kan skelnes fra IR-spektret af en keton.

C=O-båndet er kraftigt og skarpt og ligger mellem 1750 og 1600 cm−1. Det er det dybeste smalle bånd i hvert af de fire spektre.

Tabellen under “C=O” i afsnit A4.5 viser for hver stofklasse det andet bånd, der afgør, hvilken slags carbonylgruppe stoffet har.

Se efter tre ting til venstre i hvert spektrum:

  • et meget bredt bånd fra 3400 til 2500 cm−1 (O−H i en carboxylsyre)
  • et bånd ved 2840 til 2690 cm−1, lige til højre for de kraftige C−H-bånd (C−H i −CHO i et aldehyd)
  • to spidser ved 3500 til 3300 cm−1 (N−H i gruppen −NH2)

Det spektrum, der ikke har nogen af de tre, hører til ketonen.

Til spørgsmål c: sammenlign intervallet for C=O i estere med intervallet for C=O i ketoner.

  1. I spektrum 1 ligger C=O-båndet ved omkring 1665 cm−1. I spektrum 2, 3 og 4 ligger C=O-båndet næsten samme sted, mellem 1700 og 1730 cm−1.

Intervallerne for C=O i tabellen overlapper: aldehyder har 1740 til 1720 cm−1, ketoner 1725 til 1705 cm−1 og carboxylsyrer 1725 til 1695 cm−1. Et C=O-bånd lige over 1700 cm−1 kan derfor høre til flere stofklasser, og det må afgøres med et andet bånd i spektret.

  1. Spektrene og stofferne:
Spektrum Stof Det bånd, der afgør det
1 butanamid to spidser ved omkring 3400 og 3320 cm−1 fra N−H-stræk i −NH2
2 hexanal bånd ved omkring 2720 cm−1 fra C−H-stræk i −CHO
3 propansyre meget bredt bånd fra 3400 til 2500 cm−1 fra O−H-stræk i −COOH
4 pentan-2-on ingen bånd fra O−H, N−H eller C−H i −CHO

I spektrum 1 passer C=O-båndets plads ved omkring 1665 cm−1 også med butanamid, for C=O i amider ligger ved 1700 til 1600 cm−1. I spektrum 2 har hexanals C−H i −CHO to spidser, men den ene ved omkring 2820 cm−1 ligger som en skulder på de kraftige C−H-bånd, så det er spidsen ved omkring 2720 cm−1, man ser tydeligst.

  1. C=O-båndet i en ester ligger ved 1750 til 1735 cm−1, og C=O-båndet i en keton ligger ved 1725 til 1705 cm−1. De to intervaller overlapper ikke. Esterens C=O-bånd ligger altså ved et lidt højere bølgetal end ketonens, og her kan bølgetallet afgøre det. Et C=O-bånd ved fx 1740 cm−1 i spektret af pentylethanoat passer med en ester og ikke med en keton.

Opgaver i eksamensstil

Opgaverne ligner delopgaverne i den skriftlige prøve i kemi A. Skriv svarene, som du ville gøre til prøven: med bølgetallet, båndets karakter og den binding og svingning, der giver båndet.

Opgave A4.5.eks.1: Ananasaroma

Ethylbutanoat dufter af ananas og bruges som aromastof i slik og sodavand. Stoffet er en ester. Figuren viser ethylbutanoat og stoffets IR-spektrum. To bånd i spektret er mærket A og B.

Figur 8: Ethylbutanoat og stoffets IR-spektrum.
  1. Angiv bølgetallet for bånd A og for bånd B.
  2. Beskriv karakteren af bånd A og af bånd B.
  3. Angiv, hvilken binding og svingning hvert af de to bånd skyldes, og hvilken del af ethylbutanoat bindingen sidder i.
  4. Forklar ud fra bindingernes styrke og atomernes masse, hvorfor bånd A ligger ved et højere bølgetal end bånd B.

Aflæs bølgetallet i bunden af hvert bånd. Husk, at skalaen på den vandrette akse skifter ved 2000 cm−1.

Brug tabellen over IR-bånd i afsnit A4.5 til at finde de bindinger, der passer med bølgetal og karakter. Se på strukturen af ethylbutanoat: hvilke bindinger har molekylet, og hvilken hybridisering har carbonatomerne i de to carbonkæder?

I spektret af ethylbutanoat ligger bånd A lige under 3000 cm−1 og har flere spidser. Bånd B ligger mellem 1700 og 1800 cm−1 og er det dybeste bånd i spektret.

Til spørgsmål d: de to regler fra afsnit A4.4 siger, at en stærkere binding svinger hurtigere, og at lettere atomer svinger hurtigere. Du kan begynde sådan: “Bånd A skyldes en binding til hydrogen. Hydrogenatomet er …”

  1. Bånd A ligger ved omkring 2960 cm−1 og har flere spidser ned til omkring 2870 cm−1. Bånd B ligger ved omkring 1740 cm−1.

  2. Bånd A er kraftigt og består af flere skarpe spidser. Bånd B er kraftigt og skarpt, og det er det kraftigste bånd i spektret.

  3. Tolkningen af de to bånd i spektret af ethylbutanoat:

Bånd Bølgetal i cm−1 Båndets karakter Binding og svingning Funktionel gruppe
A 2960 til 2870 kraftige, skarpe spidser C−H-stræk på sp3-carbon de to carbonkæder
B 1740 kraftigt og skarpt C=O-stræk estergruppen

Alle C−H-bånd ligger under 3000 cm−1, så alle hydrogenatomer i ethylbutanoat sidder på sp3-hybridiserede carbonatomer, og carbonkæderne er mættede. Bølgetallet for bånd B ligger i intervallet for estere, 1750 til 1735 cm−1. Der er intet bredt bånd ved 3640 til 3160 cm−1, og det passer med, at en ester ikke har nogen O−H-binding.

  1. Bånd A skyldes C−H-stræk. Hydrogenatomet er meget let, og lettere atomer svinger hurtigere. Derfor ligger bindinger til hydrogen ved de højeste bølgetal i spektret.

Bånd B skyldes C=O-stræk. C=O er en stærk dobbeltbinding, og en stærkere binding svinger hurtigere, så C=O-strækket ligger højere end strækkene af enkeltbindinger mellem carbon og oxygen. Men carbonatomet og oxygenatomet er begge meget tungere end et hydrogenatom, og derfor svinger C=O langsommere end C−H. Bånd B ligger ved 1740 cm−1 og bånd A ved 2960 cm−1.

Opgave A4.5.eks.2: Menthol fra pebermynte

Menthol giver pebermynte dens smag og virker kølende i munden. Stoffet bruges i tandpasta, tyggegummi og halspastiller. Figuren viser menthol og stoffets IR-spektrum. To bånd i spektret er mærket A og B.

Figur 9: Menthol og stoffets IR-spektrum.
  1. Angiv bølgetallet for bånd A og for bånd B, og beskriv de to bånds karakter.
  2. Angiv, hvilken binding og svingning hvert af de to bånd skyldes, og hvilken funktionel gruppe bånd A viser.
  3. Forklar, hvorfor bånd A er meget bredere end bånd B.
  4. Angiv hybridiseringen af de ti carbonatomer i menthol, og forklar, hvordan C−H-båndenes plads i spektret passer med hybridiseringen.

Bånd A ligger mellem 3500 og 3000 cm−1, og bånd B ligger lige under 3000 cm−1. Brug tabellen over IR-bånd i afsnit A4.5 til at finde bindingerne.

Menthol har én funktionel gruppe. Find den i strukturen.

Til spørgsmål c: molekylerne i menthol danner hydrogenbindinger til hinanden med deres hydroxygrupper. C−H-bindingerne danner ikke hydrogenbindinger.

Til spørgsmål d: hybridiseringen findes ved at tælle carbonatomets naboer. I en zigzagformel er hydrogenatomerne på carbon ikke tegnet, så husk at tælle dem med. Se derefter i spektret, om der er C−H-bånd over 3000 cm−1.

  1. Bånd A ligger ved omkring 3340 cm−1 og er kraftigt og bredt. Bånd B ligger ved omkring 2960 cm−1 med flere spidser ned til omkring 2860 cm−1. Bånd B er kraftigt og består af skarpe spidser.

  2. Tolkningen af de to bånd i spektret af menthol:

Bånd Bølgetal i cm−1 Båndets karakter Binding og svingning Funktionel gruppe
A 3340 kraftigt og bredt O−H-stræk hydroxygruppe
B 2960 til 2860 kraftige, skarpe spidser C−H-stræk på sp3-carbon carbonskelettet

Bånd A viser en hydroxygruppe. Menthol er en alkohol, og bølgetallet ligger i intervallet for O−H i alkoholer, 3640 til 3160 cm−1. Der er intet kraftigt bånd ved 1750 til 1600 cm−1, så menthol har ingen carbonylgruppe.

  1. Hydroxygrupperne i menthol danner hydrogenbindinger fra molekyle til molekyle. Nogle O−H-bindinger sidder i en stærk hydrogenbinding, andre i en svag, og de svinger derfor ikke helt ens. Båndene fra de mange lidt forskellige O−H-bindinger smelter sammen til ét bredt bånd. C−H-bindingerne i menthol danner ikke hydrogenbindinger. De svinger ens fra molekyle til molekyle, og bånd B består derfor af skarpe spidser.

  2. Alle ti carbonatomer i menthol er sp3-hybridiserede, for hvert af dem har fire naboer, når hydrogenatomerne tælles med. Molekylet har ingen dobbeltbindinger.

Det passer med spektret: alle C−H-bånd ligger under 3000 cm−1, hvor C−H på sp3-carbon ligger. Der er ingen bånd ved 3100 til 3000 cm−1 fra C−H på sp2-carbon og intet bånd omkring 3300 cm−1 fra C−H på sp-carbon. Menthol er altså et mættet stof.

Opgave A4.5.eks.3: Citronellal i myggelys

Citronellal er et af duftstofferne i citronellaolie, som bruges i myggelys. Stoffet har molekylformlen C10H18O. Figuren viser citronellal og stoffets IR-spektrum. Fem bånd i spektret er mærket A til E.

Figur 10: Citronellal og stoffets IR-spektrum.
  1. Angiv bølgetallet for hvert af de fem bånd A til E.
  2. Beskriv karakteren af hvert af de fem bånd.
  3. Angiv, hvilken binding og svingning hvert af de fem bånd skyldes, og hvilken funktionel gruppe i citronellal bindingen hører til.
  4. Bånd D og bånd E skyldes begge strækket af en dobbeltbinding. Forklar, hvorfor bånd E er meget svagere end bånd D.

Find først de funktionelle grupper i strukturen af citronellal: molekylet har en aldehydgruppe, −CHO, og en dobbeltbinding mellem to carbonatomer.

Slå derefter grupperne op i tabellen over IR-bånd i afsnit A4.5. Et aldehyd har to slags bånd: et fra C=O og et fra C−H i −CHO. En dobbeltbinding mellem carbonatomer viser sig også med to slags bånd: et fra C=C og et fra C−H på sp2-carbon.

I spektret af citronellal ligger bånd A lige over 3000 cm−1, og bånd B ligger lige under. Bånd C ligger mellem 2800 og 2700 cm−1. Bånd D og bånd E ligger begge mellem 1800 og 1600 cm−1.

Til spørgsmål d: styrken af et bånd afhænger af, hvor polær bindingen er. Sammenlign C=O-bindingen i aldehydgruppen med C=C-bindingen i carbonkæden.

  1. til c. Tolkningen af de fem bånd i spektret af citronellal:
Bånd Bølgetal i cm−1 Båndets karakter Binding og svingning Funktionel gruppe
A 3020 middel og skarpt C−H-stræk på sp2-carbon dobbeltbinding, C=C
B 2960 til 2860 kraftige, skarpe spidser C−H-stræk på sp3-carbon carbonkæden
C 2720 middel og skarpt C−H-stræk i −CHO aldehydgruppe
D 1725 kraftigt og skarpt C=O-stræk aldehydgruppe
E 1660 svagt og skarpt C=C-stræk dobbeltbinding, C=C

Bølgetallene er aflæst og gælder derfor kun omtrent. C−H i −CHO har to spidser. Den anden ligger ved omkring 2820 cm−1 som en skulder på bånd B.

Bølgetallet for bånd D passer i tabellen med både et aldehyd og en keton. Det er bånd C fra C−H i −CHO, der viser, at carbonylgruppen sidder i en aldehydgruppe. Bånd A og bånd E viser hver for sig, at citronellal er umættet. Der er intet bredt bånd ved 3640 til 3160 cm−1, så citronellal har ingen hydroxygruppe.

  1. Styrken af et bånd afhænger af, hvor polær bindingen er, for en svingning absorberer kun infrarødt lys, hvis den flytter ladninger i molekylet.

Bånd D skyldes C=O-strækket. Oxygen er meget mere elektronegativt end carbon, så C=O-bindingen er meget polær. Når bindingen strækkes, flytter ladningerne sig meget, og bindingen absorberer meget lys.

Bånd E skyldes C=C-strækket. De to carbonatomer har samme elektronegativitet, så C=C-bindingen er næsten upolær. Strækket flytter kun lidt ladning, og båndet bliver svagt, selv om C=C også er en dobbeltbinding.