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Alt 30.01.2020, 21:27   #1   Druckbare Version zeigen
Chemische Evolution Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 9
Wie funktioniert IR-Absorption?

Hallo zusammen,

Ich befasse mich derzeit sehr intensiv mit dem Thema Klimawandel und würde gerne auch die chemische Theorie dahinter verstehen. Nur leider ist es so, dass ich jetzt gewiss nicht der Chemie affinste Mensch bin.

Daher erhoffe ich hier mir eine Auskunft über das Thema in hoffentlich einfach, auch für mich Laien verständlichen Form.

Es geht darum, wie die Absorption von IR-Strahlen bei Treibhausgasen genau funktioniert. Man hört immer, da werden halt Molekülbindungen in Schwingung gebracht etc. Aber das ist immer alles so Wischiwaschi.

Warum zum Beispiel ist Methan ein stärkeres Treibhausgas als CO2? Warum absorbieren sie in bestimmten Spektren und in den anderen nicht?

So wie ich mir das bisher zusammenreime, funktioniert das in etwa so:

Also es geht ja darum, dass diese IR-Strahlung (Photonen sind damit wahrscheinlich gemeint, oder?) das Schwingungs- und Rotationsniveau von Molekülen beeinflusst. Diese Photonen sorgen also dafür, dass die Molekülbindungen in Schwingung geraten (Valenzschwingungen und Deformationsschwingungen) und die Moleküle etwas rotieren. Dadurch bildet sich ein vorrübergehendes Dipolmoment aus – also es kommt zu einer räumlichen Ladungstrennung von den negativen Elektronen und den positiven Atomkernen (also vom Schwerpunkt her). Oder aber braucht es ein Dipolmoment, DAMIT sie in Schwingung geraten? Aber warum? Und wieso sind es Photonen in einem bestimmten IR-Spektrum? Also warum gerade CO2 im Bereich 15 ym, andere aber in anderen Bereichen? Gibt es außerdem Faustregeln mit denen sich bestimmen lässt, wie stark IR-aktiv ein Treibhausgas ist? Also Methan ist ja wirksamer als CO2.

Ich hoffe wirklich, ihr könnt mir weiterhelfen.

Vielen Dank schon mal!

Grüße aus Bayern
Chemische Evolution ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 31.01.2020, 09:36   #2   Druckbare Version zeigen
Cyrion Männlich
Mitglied
Beiträge: 6.727
AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

Das ist ganz einfach ... wenn Du mal ein paar Jahre Dich mit dem Thema intensiver beschäftigst. Um das zu verstehen braucht man viele, viele weitere Informationen, Mathematik, Physik etc.

Nur soviel: Jedes Teilchen bewegt sich. Wenn sie zusammenhängen, dann kann es kompliziertere Bewegungen als einfach wildes Durcheinanderschwirren geben: Schwingungen, Rotationen.

Dazu kommt, dass nicht jede Frequenz der Schwingungen und Rotationen "erlaubt" ist, es sind nur ganz bestimmte Frequenzen möglich (Stichwort: Quantelung).

Jedes Schwingung "enthält" eine gewisse Energiemenge. Wenn die Schwingung sich ändert, dann muss diese Energie aufgenomen oder abgegeben werden. Ein möglicher Weg hierzu ist elektromagnetische Strahlung.

Als Umkehrschluss: Jedes Molekül, Salz etc. besteht aus unterschiedlich verknüpften Atomen, die sich jedoch immer bewegen. Diese Bewegungen und auch ihre Änderungen sind abhängig davon, welche Atome in der Nähe sind und wie die Atome untereinander verknüpft sind.

Ändern sich diese Bewegungen kann unter anderem elektromagnetische Strahlung (das sichtbare Licht ist ein Teil davon, anbdere Teile unterscheiden wir Menschen nach Gammastrahlung, Röntgenstrahlung, UV-Strahlung, IR-Strahlung Radiowellen etc.) aufgenommen oder abgegeben werden. Welche Strahlung (also welche Frequenz und damit welche Energie diese Strahlung hat) hängt davon ab, welche Bewegungsänderung gemacht wird.
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Philippus Theophrastus Aureolus Bombastus von Hohenheim: Allein die Dosis machts, daß ein Ding kein Gift sei.

Erfahrung: Wenn es so einfach wäre, hätte es schon längst jemand gemacht
Cyrion ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 31.01.2020, 10:28   #3   Druckbare Version zeigen
Chemische Evolution Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 9
AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

Danke schon mal für deinen Beitrag.

Du hältst es also für ausgeschlossen, dass ich zumindest die Grundprinzipien einigermaßen verstehe, ohne mich damit jahrelang zu beschäftigen? Hmm, dass Chemie ein komplexes und kompliziertes Feld ist, das weiß ich natürlich. Trotzdem dachte ich immer, dass richtige Experten es durchaus schaffen, auch mal komplexere Themen einfach darzustellen, um zumindest die Grundprinzipien dahinter zu verstehen. Dass ich dann selber daran nicht forschen kann, das leuchtet mir natürlich ein.

Trotzdem so ganz kapiert habe ich es noch nicht.

Ich fasse nochmal zusammen:
Moleküle sind ja Verbindungen mehrere Atome.
Man kann sich das nicht so vorstellen, dass diese Atome und Moleküle starr sind, sondern sie bewegen sich: Sie schwingen und rotieren etc.

Das gilt aber dann logischerweise auch für Sauerstoff oder Stichstoff – dennoch sind das ja keine Treibhausgase. Es braucht dafür ja mindestens drei Atome.
Warum eigentlich?

Die Bewegungen hängen, so schreibst du also, davon ab, welche anderen Atome/Moleküle in der Nähe sind. Ich vermute wegen Anziehung, Abstoßung etc. oder? Aber in der Atmosphäre ist die Zusammensetzung ja in etwa gleichbleibend.

Ich habe es so verstanden, dass die Photonen der IR-Strahlung diese Schwingungen beeinflussen, nicht andere Moleküle/Atome in der Nähe. Bei der Absorption eines solchen Photons wird quasi die Molekülbindung zum Beispiel in Schwingung versetzt und danach wieder abgegeben (in alle Richtungen).

So wie du es schreibst, wäre es aber eher so, dass die Schwingungen also da sind und durch diese die Photonen aufgenommen werden, ist das richtig?

Jetzt frage ich mich noch, welche Rolle das Dipolmoment spielt, von dem auch die Rede ist.

Ich hoffe ich nerve mich meinen Fragen nicht, aber ich habe wirklich ein Interesse daran, das zumindest ansatzweise zu verstehen.

Danke nochmals für die Mühe bisher!
Chemische Evolution ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 31.01.2020, 11:01   #4   Druckbare Version zeigen
imalipusram Männlich
Mitglied
Beiträge: 7.375
AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

Zitat:
Zitat von Chemische Evolution Beitrag anzeigen
Du hältst es also für ausgeschlossen, dass ich zumindest die Grundprinzipien einigermaßen verstehe, ohne mich damit jahrelang zu beschäftigen?
Ganz so wild isses mE nicht, die Grundlagen stehen in einem ordentlichen Spektroskopiebuch, zB "Spektroskopische Methoden in der Organischen Chenmie" von Hesse, Meier und Zeh und in den Lehrbüchern der Physikalischen Chemie.

Siehe auch https://wetter.tagesschau.de/wetterthema/2020/01/30/meteorologie-und-quantenphysik.html

Um als Treibhausgas aktiv zu sein, muß ein Molekül in bestimmten Spektralbereichen absorbieren. Sauerstoff und Stickstoff tun dies glücklicherweise nicht, sonst wäre es etwas wärmer hier. Der Grund, warum es auf der Venus recht ungemütlich ist, sind die großen Mengen an Schwefeloxiden und Kohlendioxid in der Atmosphäre, die eben entsprechend gut Wärmestrahlung absorbieren.
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Und so gehts hier manchmal zu (sowas Ähnliches wie Fronleichnam, hier wird TuDiGong, dem Erdgott, tüchtig eingeheizt!) Oder so (auch ungeeignet für Gefahrstoffphobiker) und so und so.
imalipusram ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 31.01.2020, 14:14   #5   Druckbare Version zeigen
safety  
Mitglied
Beiträge: 1.671
AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

Zum Einstieg auch z.B. http://www.pci.tu-bs.de/aggericke/PC2/Kap_IV/IR-Spektroskopie.htm
safety ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 31.01.2020, 18:14   #6   Druckbare Version zeigen
Chemische Evolution Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 9
AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

puh, sieht kompliziert aus. Danke. Werd ich mich mal reinfuchsen. Hatte gehofft, das kann man auch ohne Buchstaben und Formeln so ansatzweise verstehen.
Chemische Evolution ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 31.01.2020, 19:27   #7   Druckbare Version zeigen
cg Männlich
Mitglied
Beiträge: 1.733
AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

Wenn Du ansatzweise verstehst, warum eine Saite auf der Harfe einen bestimmten Ton abgibt, wenn man sie zupft, hast Du das Wesentliche verstanden: Massen die elastisch miteinander verbunden sind schwingen mit einer bestimmten Frequenz. Zugleich bilden sich Obertöne, je nach Bauart des Instruments. Das zusammen ist Emission.
Nächster Schritt: Wenn Du in den Resonanzkörper der Harfe einen Ton hinein singst, schwingt die Saite mit, die auf diesen Ton gestimmt ist. Das ist Absorption.
Hier endet die einfache Erklärung.
Aus einem Gemisch vieler verschieden hoher Töne, dem sog. Rauschen, filtert die Harfe die Töne heraus, die den Saiten entsprechen und absorbiert etwas von diesen Tönen. Die anderen werden nicht absorbiert. Das ist selektive Absorption. So was wird als Absorptionsspektrum dargestellt.

Eine gespannte Saite ist ein physikalisch recht überschauberer Körper. Trotzdem ist ihr Spektrum nicht trivial.
Atome mit Bindungen verhalten sich viel komplexer. Entsprechend komplex sind die Spektren solcher Resonatoren.
cg ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 01.02.2020, 09:14   #8   Druckbare Version zeigen
zweiPhotonen  
Mitglied
Beiträge: 7.566
AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

Eine auf das Wesentliche kondensierte Übersicht die alle mit dem Triebhauseffekt verknüpften phys.-chem. Aspekt darlegt, wird es kaum geben.

Aus meiner Sammlung kommt diser Artikel der Fragestellung am nächsten:
P.P. Bera, J.S. Francisco, T.J. Lee: Identifying the Molecular Origin of Global Warming, J. Phys. Chem. A 113 (2009) 12694
Indem die Absorption der Strahlung (Wellenlänge & Absorptionsquerschnitt) interessierender Moleküle mit quantenmech. Rechnungen untersucht werden.
Aspekte der Umwandlung in Wärme hab' ich beim Überfliegen nicht gesehen.
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Wenn es einfach wäre, hätte es schon jemand gemacht!

I said I never had much use for it. Never said I didn't know how to use it.(M. Quigley)
You can't rush science, Gibbs! You can yell at it and scream at it, but you can't rush it.(A. Sciuto)

Wer durch diese Antwort nicht zufriedengestellt ist, der möge sich bitte den Text "Über mich" in meinem Profil durchlesen und erst dann meckern.
zweiPhotonen ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 02.02.2020, 20:31   #9   Druckbare Version zeigen
Chemische Evolution Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 9
AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

Hmm, danke.


scheinbar spielt da auch der Streuquerschnitt der Moleküle eine Rolle bei dem Thema.
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Alt 04.02.2020, 09:00   #10   Druckbare Version zeigen
chemiewolf Männlich
Mitglied
Beiträge: 23.539
AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

Zitat:
Zitat von Chemische Evolution Beitrag anzeigen
scheinbar spielt da auch der Streuquerschnitt der Moleküle eine Rolle bei dem Thema.
ja, alle Eigenschaften eines Moleküls basieren auf seinen physikalisch-chemischen Eigenschaften. Der Streuquerschnitt ist ebenso wie der Dipol, die Bindungsgeometrie u.v.a. ein Teil davon.
__________________
The State Senate of Illinois yesterday abandoned its Committee on Efficiency and Economy for reasons of 'efficiency and economy'.
De Moines Tribune, 6 February 1955
chemiewolf ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 04.02.2020, 23:05   #11   Druckbare Version zeigen
Chemische Evolution Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 9
AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

Okay danke. Ja scheinbar ist es wirklich nicht möglich, das Ganze einigermaßen kompakt darzustellen.
Chemische Evolution ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 05.02.2020, 09:47   #12   Druckbare Version zeigen
Cyrion Männlich
Mitglied
Beiträge: 6.727
AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

Man braucht einfach viele Informationen und viel Verständnis. Sorry.
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Cyrion ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 05.02.2020, 10:10   #13   Druckbare Version zeigen
imalipusram Männlich
Mitglied
Beiträge: 7.375
AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

Zitat:
Zitat von Chemische Evolution Beitrag anzeigen
Okay danke. Ja scheinbar ist es wirklich nicht möglich, das Ganze einigermaßen kompakt darzustellen.
Qualitativ reicht ein Satz aus: Treibhausgase absorbieren die von der Erde reflektierte, in Wärmestrahlung umgewandelte, Sonnenstrahlung und heizen dadurch den Planeten mehr auf, als wir das vertragen werden.

Wenns genauer werden muß, sollte man Chemie oder Physik studieren, wenigstens ein paar Semester lang. Mit einem Königsweg wirds, wie meistens, schwierig.
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Alt 05.02.2020, 17:41   #14   Druckbare Version zeigen
Chemische Evolution Männlich
Mitglied
Themenersteller
Beiträge: 9
AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

Hmm naja, ich finde schon, dass man sich auch in viele naturwissenschaftliche Themen reinfuchsen kann. Viele Professoren wie Harald Lesch schaffen es ja durchaus auch mal in einem Vortrag von einer Stunde, die wesentlichen Zusammenhänge für Laien einfach verständlich zu machen. Ich dachte auch immer, dass die wirklichen Experten die sind, die ein Thema auch einfach erklären können, ohne dass etwas falsch ist, aber dafür alle wesentlichen Punkte beinhaltet. Aber gut kann sein, dass das in der Chemie nicht geht.
Chemische Evolution ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 05.02.2020, 17:59   #15   Druckbare Version zeigen
imalipusram Männlich
Mitglied
Beiträge: 7.375
AW: Wie funktioniert IR-Absorption?

Zitat:
Zitat von Chemische Evolution Beitrag anzeigen
Hmm naja, ich finde schon, dass man sich auch in viele naturwissenschaftliche Themen reinfuchsen kann. Viele Professoren wie Harald Lesch schaffen es ja durchaus auch mal in einem Vortrag von einer Stunde, die wesentlichen Zusammenhänge für Laien einfach verständlich zu machen. Ich dachte auch immer, dass die wirklichen Experten die sind, die ein Thema auch einfach erklären können, ohne dass etwas falsch ist, aber dafür alle wesentlichen Punkte beinhaltet. Aber gut kann sein, dass das in der Chemie nicht geht.
Die allgemeinverständliche Seite ist (Harald Lesch kann sowas auch sicher viel besser darstellen, als meinereiner hier ):
Kohlendioxid und andere Treibhausgase verstärken den Treibhauseffekt.
Die nächste Stufe (wenn man verstehen will, warum das so ist), ist, sich die Absorptionspektren der Gase anzusehen und zu verstehen.
Um die Relevanz zu bewerten, muß man die Stärke der jeweiligen Absorption und die (zeitlich und räumlich dynamischen) Konzentrationen der Gase kennen und bewerten.
Daß diese Gase so doof absorbieren, kann man in diesem Zusammenhang einfach zur Kenntnis nehmen. Oder man guckt sich an, wie molekulare Absorption funktioniert (molekulare Grundlagen der Spektroskopie). Ist hier aber eigentlich nicht wirklich notwendig, ich korrigiere mich hier.

Schwierig wirds mE vor allem, wenn man dann die Forschungsergebnisse zum Thema verstehen und vor allem interpretieren will. Dazu braucht man meiner Meinung nach vor allem wissenschaftliche Lebenserfahrung.

Gibt es in Deiner Nähe vielleicht Leute, die sich mit dem Thema befassen (Meetup.com?) oder gar eine AG an der Uni, die auf dem Gebiet forscht? Mit Leuten zu reden bringt einen idR schneller ans Ziel, als auf sich alleine gestellt den ganzen Weg selbst zusammenzusuchen.
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