Chemie · Oberstufe · Verstehen und üben

Massenspektrometrie

Lies Molekül-Ionen, Fragmente und Isotopenmuster – und verbinde die Peaks mit chemischen Strukturen.

M → M⁺• → Fragment-Ionen

Masse · Ladung · Struktur

Ein Massenspektrum zeigt Ionen nach ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis

Die Massenspektrometrie hilft, Molekülmassen und Strukturmerkmale zu bestimmen. Dazu werden Teilchen ionisiert, nach ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis m/z getrennt und registriert. Je nach Ionisationsmethode entstehen auch Bruchstücke: Fragment-Ionen.

Wir beginnen mit der Elektronenionisation (EI) kleiner organischer Moleküle. Dabei wird einem Molekül M ein Elektron entzogen. Das entstehende Molekül-Ion M⁺• trägt eine positive Ladung und ein ungepaartes Elektron.

M + e⁻ → M⁺• + 2 e⁻

Das Plus steht für die Ladung, der Punkt für das ungepaarte Elektron. Nicht jede Ionisationsmethode liefert M⁺•; andere Verfahren können etwa [M+H]⁺ erzeugen.

Von der Probe zum Spektrum

1 · Ionisieren

Aus neutralen Teilchen werden Ionen. Nur geladene Teilchen lassen sich im Analysator entsprechend beeinflussen.

2 · Nach m/z trennen

Je nach Bauart werden elektrische oder magnetische Felder beziehungsweise Flugzeiten genutzt. Entscheidend sind Masse und Ladungszahl gemeinsam.

3 · Registrieren

Der Detektor liefert ein Signal für die ankommenden Ionen. Daraus entstehen Peaks bei den jeweiligen m/z-Werten.

4 · Auswerten

Molekül-Ionen, Fragmente und Isotopenmuster gemeinsam prüfen. Ein einzelner Peak liefert selten eine eindeutige Struktur.

Beispiel: Ionenmasse ungefähr 60 u, z = 1 → m/z ungefähr 60; z = 2 → ungefähr 30

u ist die atomare Masseneinheit; z ist die Ladungszahl in Einheiten der Elementarladung. In den folgenden Schulbeispielen gilt z = 1. Die sehr kleine Elektronenmasse wird bei nominalen Massen vernachlässigt.

Propanon: Molekül-Ion und Fragment unterscheiden

Didaktischer Ausschnitt mit frei gewählten relativen Intensitäten, kein gemessenes vollständiges Spektrum. Die Massen passen zu den gezeigten Zuordnungen.

Molekül-Ion · m/z 58

C₃H₆O⁺•: 3·12 + 6·1 + 16 = 58. Die nominelle Molekülmasse beträgt 58 u.

Basispeak · m/z 43

Der intensivste Peak wird auf 100 % gesetzt. Hier passt das Fragment CH₃CO⁺ mit nomineller Masse 43 u. Der Basispeak ist nicht zwingend das Molekül-Ion.

[CH₃–C(=O)–CH₃]⁺• → CH₃–CO⁺ + •CH₃

Die Differenz 58 − 43 = 15 passt zur Abspaltung eines neutralen Methylradikals •CH₃. Das neutrale Fragment erzeugt in diesem Schritt keinen eigenen Ionenpeak. Ein Peak bei m/z 15 kann aus einem anderen Fragmentierungsweg stammen, bei dem CH₃⁺ entsteht.

100 % beim Basispeak bedeutet „höchstes Signal als Bezug“, nicht „100 % aller Teilchen“. Die Peakintensitäten müssen sich daher nicht zu 100 % addieren.

Isotopen-Labor: Welche Muster verraten Halogene?

Vergleiche ideale Isotopenmuster für einfach geladene Ionen. Andere Isotope, etwa ¹³C, sind hier ausgeblendet. M bezeichnet den Peak mit den leichteren Halogenisotopen.

Intensitätsverhältnis

M : M+2 ≈ 3 : 1

Deutung

³⁵Cl und ³⁷Cl unterscheiden sich um ungefähr 2 u. Für ein Chloratom liefert ihre natürliche Häufigkeit näherungsweise ein 3:1-Muster.

Nominale Molekülmasse berechnen

Für die nominale Masse nutzt du ganzzahlige Isotopenmassen: ¹²C = 12, ¹H = 1, ¹⁶O = 16. Das ist nicht dasselbe wie eine hochaufgelöste exakte Masse oder die aus mittleren Atommassen berechnete molare Masse.

Ethanol C₂H₆O: 2·12 + 6·1 + 16 = 46 u

EI-Molekül-Ion bei z = 1: m/z ≈ 46

Dimethylether besitzt dieselbe Summenformel C₂H₆O und dieselbe nominale Masse. Erst weitere Daten, etwa Fragmentierung, IR oder NMR, helfen bei der Unterscheidung.

Vier typische Stolperstellen

Höchster m/z-Wert

Er ist nicht automatisch die Molekülmasse: Isotopenpeaks, Addukte, Verunreinigungen und mehrfach geladene Ionen können die Deutung verändern.

Fehlendes Molekül-Ion

Bei starker Fragmentierung kann das EI-Molekül-Ion sehr schwach sein oder fehlen. Aus seinem Fehlen folgt nicht, dass kein Molekül vorlag.

Gleiche nominale Masse

Unterschiedliche Summenformeln können denselben ganzzahligen Massenwert besitzen. Hochauflösung liefert zusätzliche Information.

Isotopenmuster

Für den Unterricht: Beobachtung und Zuordnung trennen

Einstieg: Im Beispielspektrum Basispeak und Molekül-Ion unterscheiden.
Partnerarbeit: Isotopenmuster auswählen und mit Isotopenhäufigkeiten begründen.
Sicherung: Eine Strukturhypothese formulieren und nennen, welche weiteren Daten nötig sind.

Kostenlose Materialien zum Weiterüben

Massenspektren auswerten – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)

Direkt passend: Molekül-Ionen, Fragmente und Massenspektren auswerten.

Kostenlos · PDF · mit Lösungen

Material ansehen und herunterladen

Stoffmenge, Mol & molare Masse – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)

Ergänzende Grundlagen zur Massenrechnung; molare Masse und Ionenmasse bewusst unterscheiden.

Kostenlos · PDF · mit Lösungen

Material ansehen und herunterladen

Strukturformeln organischer Moleküle zeichnen – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)

Vorbereitung: Strukturformeln lesen und mögliche Molekülgerüste erkennen.

Kostenlos · PDF · mit Lösungen

Material ansehen und herunterladen

Zur Chemie-Themenübersicht