AP#Chemistry12# #...

17
AP Chemistry 12 1 ~ Unit X: Spectroscopy ~ Topics to Review: Review the history of the atom (Dalton’s theory, the discovery of the electron and nucleus (Thomson model and Rutherford’s gold foil experiment), Bohr’s model of the hydrogen atom, and electron configuration). You will need to also review periodic trends, particularly ionization energy. Khan Academy has an excellent section on atomic structure, electron configuration, and Bohr’s model here: https://www.khanacademy.org/science/apchemistry/electronicstructureofatomsap Background Information Light: Electromagnetic Waves (EM radiation) Electromagnetic radiation is one way that energy is transferred or propagated. Light, a form of EM radiation, exhibit wavelike properties, described by the diagram below. Waves have the following characteristics: Wavelength, λ (lambda) – distance from crest to crest Frequency, ν (nu) – number of wave cycles per unit time Amplitude – distance from midline to crest or midline to trough Wavelength is often measured in meters or nanometers (depending on the specific type of EM) (1 m = 10 9 nm) Frequency is usually measured in Hertz (Hz) which represent one cycle per second (1 Hz = 1 s 1 ). It represents how often the wave repeats. Wavelength and frequency are inversely proportional. As the wavelength gets longer, the shorter the frequency. Think about the two waves (on the diagram to the left) travelling from left to right. If they travel at the same speed, the wave with the longer wavelength will only go through about one cycle while the wave with the shorter wavelength will go through three cycles. The speed of a wave can be found by multiplying wavelength and frequency. The speed of all EM in a vacuum is the speed of light, c, 3.00 x 10 8 m/s. = Example 1: A particular wave of EM radiation has a frequency of 2.95 x 10 12 Hz. What is the wavelength? = = = 3.00 10 ! 2.95 10 !" 1 = 1.02 10 !!

Transcript of AP#Chemistry12# #...

Page 1: AP#Chemistry12# # ~UnitX:Spectroscopy~...andnucleus#(Thomson#model#andRutherford’s#goldfoil#experiment),#Bohr’s#model#of#the#hydrogen# atom,#andelectron#configuration). ! Youwill!need!to!also!review!periodic!trends,!particularly!

AP  Chemistry  12    

  1  

~  Unit  X:  Spectroscopy  ~  Topics  to  Review:  Review  the  history  of  the  atom  (Dalton’s  theory,  the  discovery  of  the  electron  and  nucleus  (Thomson  model  and  Rutherford’s  gold  foil  experiment),  Bohr’s  model  of  the  hydrogen  atom,  and  electron  configuration).  You  will  need  to  also  review  periodic  trends,  particularly  ionization  energy.    Khan  Academy  has  an  excellent  section  on  atomic  structure,  electron  configuration,  and  Bohr’s  model  here:  https://www.khanacademy.org/science/ap-­‐chemistry/electronic-­‐structure-­‐of-­‐atoms-­‐ap      

Background  Information  Light:  Electromagnetic  Waves  (EM  radiation)  Electromagnetic  radiation  is  one  way  that  energy  is  transferred  or  propagated.  Light,  a  form  of  EM  radiation,  exhibit  wavelike  properties,  described  by  the  diagram  below.    

Waves  have  the  following  characteristics:  • Wavelength,  λ  (lambda)  –  distance  from  crest  to  crest  • Frequency,  ν  (nu)  –  number  of  wave  cycles  per  unit  time    • Amplitude  –  distance  from  midline  to  crest  or  midline  to  trough    Wavelength  is  often  measured  in  meters  or  nanometers  (depending  on  the  specific  type  of  EM)  (1  m  =  109  nm)    Frequency  is  usually  measured  in  Hertz  (Hz)  which  represent  one  cycle  per  second  (1  Hz  =  1  s-­‐1).  It  represents  how  often  the  wave  repeats.    Wavelength  and  frequency  are  inversely  proportional.  As  the  wavelength  gets  longer,  the  shorter  the  frequency.  Think  about  the  two  waves  (on  the  diagram  to  the  left)  travelling  from  left  to  right.  If  they  travel  at  the  same  speed,  the  wave  with  the  longer  wavelength  will  only  go  through  about  one  cycle  while  the  wave  with  the  shorter  wavelength  will  go  through  three  cycles.  

 The  speed  of  a  wave  can  be  found  by  multiplying  wavelength  and  frequency.  The  speed  of  all  EM  in  a  vacuum  is  the  speed  of  light,  c,  3.00  x  108  m/s.  

𝑐   =  𝜆  𝜈    Example  1:  A  particular  wave  of  EM  radiation  has  a  frequency  of  2.95  x  1012  Hz.  What  is  the  wavelength?    

𝑐 =  𝜆  𝜈    

𝜆 =𝑐𝜈=3.00 ∗ 10!𝑚𝑠2.95 ∗ 10!" 1𝑠

= 1.02 ∗ 10!!  𝑚  

Page 2: AP#Chemistry12# # ~UnitX:Spectroscopy~...andnucleus#(Thomson#model#andRutherford’s#goldfoil#experiment),#Bohr’s#model#of#the#hydrogen# atom,#andelectron#configuration). ! Youwill!need!to!also!review!periodic!trends,!particularly!

AP  Chemistry  12    

  2  

The  wavelength  of  the  EM  radiation  is  1.02  x  10-­‐4  m.  This  is  approximately  0.1  mm,  which  corresponds  to  microwave  radiation.  EM  radiation  generally  ranges  from  10-­‐16  m  (gamma  rays)  to  108  (long  radio  waves).  The  

diagram  on  the  next  page  shows  the  wavelength  and  frequency  of  different  types  of  EM  radiation.  As  we  look  through  the  spectrum,  we  may  recognize  specific  types  of  radiation  as  harmful  to  humans.  These  potentially  include  gamma  rays,  X-­‐rays,  and  UV  radiation.  All  of  these  are  ‘high  energy’  radiation,  and  thus  can  cause  damage  to  our  DNA.  Other  forms  of  radiation,  like  visible  light,  microwaves,  and  radiowaves,  surround  us  constantly.  Their  frequencies  are  so  low  that  they  are  not  harmful  to  us.  How  is  frequency  related  to  harmfulness?      Dual  Nature  of  Light:  Quantization  of  Energy    It  has  been  known  for  centuries  that  light  behaves  like  a  wave.  However,  in  1900,  Max  Planck  studied  blackbody  radiation—objects  that  glowed  (emitted  radiation)  when  heated.  He  discovered  that  when  objects  absorbed  or  emitted  radiation,  they  could  only  do  so  in  discrete  amounts  rather  than  continuous  amounts.  So  instead  of  being  able  to  transfer  any  amount  of  energy,  Planck  discovered  that  it  was  only  possible  to  do  so  in  individual  packets,  known  as  a  quantum.    We  can  make  an  analogy  to  this  by  thinking  of  money.  When  we  make  transactions,  the  lowest  amount  we  can  pay  is  in  pennies  (let’s  assume  we  still  have  the  Canadian  penny).  We  can’t  pay,  for  example,  $0.5985  since  we  don’t  have  anything  ‘units’  of  money  that  is  less  than  a  cent.  Energy  works  in  a  similar  way.  The  smallest  unit  of  energy  is  related  to  the  Planck’s  constant,  h.  This  means  that  energy  can  only  be  transferred  in  multiples  of  ‘h’,  just  like  how  we  can  only  transfer  money  in  multiples  of  ‘pennies’.    

𝑃𝑙𝑎𝑛𝑐𝑘!𝑠  𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡:  ℎ = 6.626 ∗ 10!!"𝐽 ∗ 𝑠    This  discovery  led  to  the  idea  that  not  only  did  light  behave  like  a  wave,  it  also  displayed  particle-­‐like  properties.  This  is  known  today  as  the  wave-­‐particle  duality  (or  dual  nature  of  light,  wavelike  and  particle-­‐like  behavior).  It  turns  out  that  even  matter  displays  wave-­‐particle  duality…  Think  about  this  for  a  second.    When  energy  is  transferred  from  one  object  to  another  through  the  emission  (or  absorption)  or  light  (think  of  our  Sun’s  rays  of  light),  it  occurs  through  the  transfer  of  a  photon,  the  particle  of  light,  or  a  stream  of  photons.  Each  photon  emitted  carries  a  specific  amount  of  energy,  related  to  the  frequency  of  the  radiation  (aha!  Frequency  is  related  to  energy  of  light,  which  relates  to  its  harmfulness  to  human  health).  The  equation  is  given  by  Planck’s  equation:    

Page 3: AP#Chemistry12# # ~UnitX:Spectroscopy~...andnucleus#(Thomson#model#andRutherford’s#goldfoil#experiment),#Bohr’s#model#of#the#hydrogen# atom,#andelectron#configuration). ! Youwill!need!to!also!review!periodic!trends,!particularly!

AP  Chemistry  12    

  3  

𝐸 = ℎ𝑣    This  equation  tells  us  that  the  energy  of  a  photon  is  equal  to  its  frequency  multiplied  by  Planck’s  constant.  Again,  the  amount  of  energy  transfer  must  be  a  multiple  of  the  constant.  Example  2:  A  photon  of  red  light  at  650  nm  is  emitted  by  a  laser  pointer.  What  is  the  energy  of  this  photon?    

𝐸 = ℎ𝑣  𝑎𝑛𝑑  𝑐 = 𝜆𝑣  We  can  rearrange  the  speed  of  light  equation  for  𝑣  and  substitute  it  in  the  energy  equation.  

𝑣 =𝑐𝜆  𝑎𝑛𝑑  𝑡ℎ𝑒𝑟𝑒𝑓𝑜𝑟𝑒  𝐸 = ℎ

𝑐𝜆  

𝐸 = 6.626 ∗ 10!!"𝐽 ∗ 𝑠  3.00 ∗ 10!𝑚𝑠650 ∗ 10!!𝑚

= 3.06 ∗ 10!!"𝐽  

 The  energy  of  one  photon  of  red  light  at  650  nm  is  3.06  x  10-­‐19  J.  This  is  a  TINY  amount  of  energy,  as  expected,  since  this  is  just  one  particle  of  light.    Example  3:  Calculate  the  energy  of  one  mole  of  photons  of  gamma  radiation  with  wavelength  of  1  x  10-­‐14  m.    

𝐸 = ℎ𝑐𝜆  

𝐸 = 6.626 ∗ 10!!"𝐽 ∗ 𝑠  3.00 ∗ 10!𝑚𝑠1 ∗ 10!!"𝑚

= 2 ∗ 10!!!𝐽  

Since  this  is  only  the  energy  of  one  photon,  we  need  to  multiply  that  by  Avogadro’s  number  to  get  a  mole.  

𝐸 = 2 ∗ 10!!!𝐽

𝑝ℎ𝑜𝑡𝑜𝑛  ∗ 6.02 ∗ 10!"

𝑝ℎ𝑜𝑡𝑜𝑛𝑠𝑚𝑜𝑙𝑒

= 1 ∗ 10!"𝐽  

 Electron  Transitions:  

We  mentioned  earlier  that  matter  can  only  absorb  and  emit  in  specific  amounts  of  energy.  Why  is  that?  Let  us  look  at  the  electronic  structure  of  hydrogen.    The  hydrogen  atom  has  one  electron  at  the  n  =  1  shell  (ground  state).  The  shell  level  number  is  also  called  the  principal  quantum  number.  Recall  that  the  electron  configuration  for  hydrogen  is  1s1.  Since  the  electron  cannot  be  in  between  energy  levels,  it  must  gain  a  specific  amount  of  energy  in  order  to  be  promoted  to  a  higher  energy  level  (excited  state).  For  example,  it  must  absorb  exactly  1.634  *  10-­‐18  J  to  jump  to  the  n  =  2  shell.  This  corresponds  to  UV  light  at  122  nm.  This  would  mean  that  the  electron  at  n=1  would  need  to  absorb  light  at  122  nm  for  it  to  jump  to  n=2.    

The  energy  of  an  individual  level,  n,  is  given  by  the  equation  𝐸 =  −2.178 ∗ 10!!" !!

!!𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒𝑠.  Z  is  the  atomic  

number,  and  in  this  case,  it  is  1  for  hydrogen.      Thus,  the  relationship  between  the  energy  of  a  transition  between  levels  is  calculated  from  this  equation:  

∆𝐸 =  −2.178 ∗ 10!!" ∗ 𝑍!1

𝑛!"#$%! −1

𝑛!"!#!$%! 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒𝑠  

Page 4: AP#Chemistry12# # ~UnitX:Spectroscopy~...andnucleus#(Thomson#model#andRutherford’s#goldfoil#experiment),#Bohr’s#model#of#the#hydrogen# atom,#andelectron#configuration). ! Youwill!need!to!also!review!periodic!trends,!particularly!

AP  Chemistry  12    

  4  

A  negative  energy  change  in  this  case  means  energy  is  emitted  (electron  relaxing  from  a  higher  to  lower  state)  while  a  positive  energy  change  would  mean  energy  is  absorbed  (electron  exciting  from  lower  to  higher  state).  Important:  Even  though  we  can  use  this  equation  for  different  atoms,  it  only  works  well  for  hydrogen  and  other  1-­‐electron  systems  (i.e.  Li2+  or  O7+,  which  are  generally  unrealistic).  Example  4:  Calculating  the  energy  transition  when  an  n=4  electron  relaxes  to  n=2  in  a  hydrogen  atom.  Determine  the  type  of  EM  radiation  this  is.    

∆𝐸 =  −2.178 ∗ 10!!" ∗ 𝑍!1

𝑛!"#$%! −1

𝑛!"!#!$%! 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒𝑠  

∆𝐸 =  −2.178 ∗ 10!!" ∗ 1!12!−14!

𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒𝑠  

∆𝐸 =  −2.178 ∗ 10!!" ∗14−116

𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒𝑠  

∆𝐸 =  −4.084 ∗ 10!!"𝐽  The  photon  emitted  has  an  energy  of  4.084  x  10-­‐19J.    Since  E  =  hv  and  c  =  λv    

λ =cv=cEh=chE=

3.00 ∗ 10! 6.626 ∗ 10!!"

4.084 ∗ 10!!"= 4.87 ∗ 10!!𝑚 =  487  𝑛𝑚  

 EM  radiation  with  487  nm  is  visible  light  (greenish  blue)    Absorption  Spectrum  and  Emission  Spectrum:  If  we  look  at  the  various  emissions  (electron  relaxing)  possible  in  a  hydrogen  atom,  we  see  that  depending  on  where  it  starts  and  ends  at,  we  can  get  EM  radiation  with  various  wavelengths.    The  Balmer  series  (where  nfinal  =  2)  has  transitions  at  just  the  right  energy  level  such  that  the  EM  radiation  emitted  are  in  the  visible  light  region  (refer  to  Example  4).    The  Lyman  series  have  transitions  that  are  higher  in  energy  (UV  light  emissions)  while  the  Paschen  series  have  transitions  that  are  lower  in  energy  (infrared  emissions).    How  do  the  electrons  get  to  the  higher  energy  shells  in  the  first  place?      If  a  group  of  hydrogen  atoms  are  blasted  with  energy  (electricity  or  radiation),  electrons  in  the  different  hydrogen  atoms  will  absorb  whatever  energy  they  can  to  transition  to  some  other  shell.  For  example,  one  electron  might  absorb  a  lot  of  energy  and  transition  from  n=1  to  n=7  while  another  electron  will  absorb  smaller  amounts  of  energy  and  transition  from  n=1  to  n=2.  Yet,  some  other  electron  can  make  multiple  jumps  by  first  making  the  transition  from  n=1  to  n=2,  then  n=2  to  n=5.  Because  each  transition  corresponds  to  a  particular  wavelength,  blasting  radiation  of  the  ‘wrong’  wavelength  will  not  be  absorbed.    

To  the  left  is  the  absorption  spectrum  of  hydrogen  from  ~400  nm  to  ~700  nm.  Notice  that  there  are  bands  of  black.  These  correspond  to  the  wavelengths  of  light  that  were  absorbed  by  

Page 5: AP#Chemistry12# # ~UnitX:Spectroscopy~...andnucleus#(Thomson#model#andRutherford’s#goldfoil#experiment),#Bohr’s#model#of#the#hydrogen# atom,#andelectron#configuration). ! Youwill!need!to!also!review!periodic!trends,!particularly!

AP  Chemistry  12    

  5  

the  electrons  in  the  hydrogen  atoms.  These  wavelengths  of  light  are  no  longer  detected  once  the  electrons  absorb  them  to  make  an  electronic  transition.  On  the  other  hand,  the  colours  of  light  that  were  not  absorbed  are  sensed  by  the  detector.  These  colours  do  not  provide  the  electron  with  the  correct  amount  of  energy  to  make  the  necessary  transitions.  Finally,  notice  the  dark  band  ~480  nm.  According  to  Example  4,  what  electronic  transition  did  the  electron  that  absorbed  this  wavelength  of  light  make?      Now  that  the  light  has  been  absorbed  and  the  electrons  are  all  excited,  the  electrons  need  to  emit  light  since  an  excited  state  is  unstable.  The  electrons  will  generally  all  eventually  head  back  to  the  ground  state,  but  they  can  take  detours  along  the  way.  For  example,  a  n=7  electron  can  first  transition  to  n=5,  then  to  n=2,  then  to  n=1.  When  these  electronic  transitions  occur,  they  emit  light  with  the  wavelength  corresponding  to  the  appropriate  energy  level  difference.  For  example,  a  transition  from  n  =5  to  n=  2  in  a  hydrogen  atom  corresponds  to  a  wavelength  of  light  of  ~434  nm,  blue  light  (calculate  this  for  yourself!).    The  emission  spectrum  is  shown  on  the  right.  The  bands  on  colour  that  you  see  correspond  to  the  wavelengths  of  light  emitted  from  the  hydrogen  atom’s  electrons  relaxing  from  higher  energy  levels  to  lower  energy  levels.    If  we  put  the  two  spectra  next  to  each  other,  something  obvious  should  stand  out.  The  absorption  spectrum  is  the  ‘opposite’  of  the  emission  spectrum.  This  should  make  sense—Any  wavelength  of  light  that  is  absorbed  to  make  a  transition  (e.g.  n=2  to  n=  3)  must  be  the  same  light  that  is  emitted  when  the  electron  relaxes  (n=3  back  to  n=2).  The  absorbed  light  will  show  up  as  a  ‘dark  band’  in  the  absorption  spectrum  and  the  emitted  light  will  show  up  as  a  ‘coloured  band’  in  the  emission  spectrum.  

 Likewise,  if  it  takes  ~434  nm  light  to  promote  an  electron  from  n=2  to  n=5,  then  434nm  light  will  be  emitted  when  the  electron  relaxes  from  n=5  to  n=2.      Note:  A  more  accurate  view  of  these  diagrams  would  be  to  treat  an  atom  as  a  sphere,  and  the  circular  shells  as  energy  levels.  However,  the  lines  all  pointing  inwards  can  seem  confusing.  Recall  that  the  most  inner  shells  are  the  ones  that  are  closest  to  the  nucleus,  and  thus  are  the  most  stabilized  and  have  the  lowest  amount  of  energy.  The  energy  diagrams  in  the  previous  pages  flattened  out  the  circles  into  lines  to  easily  distinguish  between  n=1,  n=2,  n=3,  etc.      We  finally  now  have  the  background  knowledge  to  understand  spectroscopy  J  

Page 6: AP#Chemistry12# # ~UnitX:Spectroscopy~...andnucleus#(Thomson#model#andRutherford’s#goldfoil#experiment),#Bohr’s#model#of#the#hydrogen# atom,#andelectron#configuration). ! Youwill!need!to!also!review!periodic!trends,!particularly!

AP  Chemistry  12    

  6  

Spectroscopy:  Overview  Spectroscopy  is  the  set  of  laboratory  techniques  used  to  interact  radiation  (EM)  with  substances.  For  example,  we  have  seen  how  certain  ions  absorb  various  colours  of  light  in  spectrophotometry  or  colourimetry.  Depending  on  the  radiation  we  use,  we  can  focus  on  specific  structures.  For  example,  the  carbon  oxygen  double  bond  in  a  carboxylic  acid  interacts  with  IR  radiation,  while  the  extended  conjugated  (alternating  double  and  single  bonds)  structure  in  dyes  interacts  with  visible  light.  Since  different  structures  react  differently  to  different  types  of  EM  radiation,  you  would  choose  the  wavelength  of  light  that  is  appropriate  to  what  you  want  to  study.  Important  note:  Even  though  we  have  only  looked  at  electronic  transitions  in  atomic  orbitals,  specifically  for  the  hydrogen  atom,  electronic  transitions  between  molecular  orbitals  and  between  vibrational  modes  occur  in  a  similar  fashion—these  transitions  occur  because  electrons  involved  in  the  bond  absorbs  EM  radiation  at  a  specific  wavelength.  For  example,  an  electron  involved  in  the  bonding  between  C=O  in  a  ketone  absorbs  light  with  a  frequency  of  5  x  1013  Hz.  This  corresponds  to  the  IR  radiation  region,  and  thus  allows  us  to  identify  a  molecule  as  having  ketone  group  whenever  they  absorb  at  this  frequency.  Below  is  a  table  that  generalizes  the  type  of  radiation  a  scientist  would  want  to  use  in  different  studies.  We  will  go  into  a  little  more  detail  for  the  techniques  that  are  bolded.  

Technique   Frequency  and  Source  Radiation   Utility  of  Technique  

Photoelectron  Spectroscopy  (PES)  

X-­‐Ray  to  High  Energy  Ultraviolet  

   1016  to  1019  Hz  

• Excitation  and  ejection  of  core  atomic  electrons  • Sample  is  a  solid  or  in  the  gas  phase  • Photoelectron  spectrum  is  based  on  energy  levels  of  

individual  orbitals  (1s  vs  4d)  • Allows  identification  of  atoms  

UV-­‐Vis  Spectroscopy,  Colourimetry,  

Spectrophotometry)  

Ultraviolet  to  Visible  Light  

 1014  to  1016  Hz  

• Excitation  of  molecular  π-­‐bond  electrons,  atomic  valence  electrons,  or  metal  ion  valence  electrons  

• Sample  is  in  an  aqueous  solution  and  is  either  an  organic  molecule  with  extensive  pi-­‐bonding  or  a  transition  metal  ion  

• Absorbance  spectrum  is  based  on  energy  levels  of  absorbing  structures  

• Allows  determination  of  concentrations  using  Beer’s  Law  • Allows  identification  of  (large)  structures  such  as  benzene  

rings  or  extended  double  bond  structures  in  organic  molecules  

IR  (Vibrational)  Spectroscopy  

Infrared    

1012  to  1014  Hz  

• Excitation  of  molecular  vibrations  in  covalent  bonds  • Sample  is  in  solution,  a  liquid  or  solid  • IR  spectrum  is  based  on  functional  groups  present  (a  

ketone  C=O  bond  absorbs  a  different  IR  wavelength  when  compared  to  an  alkene  C=C  bond)  

• Allows  determination  of  specific  types  bonds  in  molecules  

Microwave  (Rotational)  Spectroscopy  

Microwave    

108  to  1012  Hz  

• Excitation  of  molecular  rotations  in  molecules  • Sample  is  in  gas  phase  • Allows  determination  of  chemical  composition  of  matter  in  

space  using  radio  telescopes  • Also  helped  us  understand  intermolecular  forces  

Nuclear  Magnetic  Resonance  

Spectroscopy  (NMR)  

Radio  wave    

<108  Hz  

• Excitation  of  nuclei  in  atoms  and  molecules  • Sample  is  in  solution  • Allows  determination  of  location  of  hydrogen  atoms  (and  

other  atoms)  in  organic  molecules  • Ubiquitous  in  the  field  of  organic  chemistry  

Page 7: AP#Chemistry12# # ~UnitX:Spectroscopy~...andnucleus#(Thomson#model#andRutherford’s#goldfoil#experiment),#Bohr’s#model#of#the#hydrogen# atom,#andelectron#configuration). ! Youwill!need!to!also!review!periodic!trends,!particularly!

AP  Chemistry  12    

  7  

Example  5:  For  each  of  the  following,  pick  the  appropriate  spectroscopic  technique  to  use.  a. Determine  the  concentration  of  a  blue  dye.  b. Determine  how  much  energy  is  required  in  total  to  remove  all  the  electrons  in  an  oxygen  atom.  c. Distinguish  between  a  C=O  bond  and  a  C-­‐O  bond.  d. Determine  whether  we  have  a  sample  of  sodium  atoms  or  magnesium  atoms.  e. Determine  the  absorptivity  coefficient  of  Mn2+  ions.  

 Answers:  

a. UV/Vis  spectroscopy  using  Beer’s  Law  b. Photoelectron  Spectroscopy  (PES)  c. IR  Spectroscopy  d. PES  e. UV/Vis  spectroscopy  using  Beer’s  Law  

 Photoelectron  Spectroscopy  

Theory:  The  diagrams  on  the  right  shows  the  PES  technique.  A  monochromatic  beam  of  X-­‐ray  light  (monochromatic  means  one  wavelength  only)  is  absorbed  by  the  sample.  Since  the  energy  of  X-­‐rays  is  so  high,  electrons  have  enough  energy  not  only  to  jump  to  a  higher  energy  level,  but  they  completely  escape  the  surface  of  the  sample.  By  analyzing  the  kinetic  energy  of  these  escaped/ejected  electrons,  we  can  calculate  how  strongly  they  were  bound  to  the  surface  (binding  energy)  and  thus  analyze  the  sample  for  its  identity.      This  technique  is  related  to  the  Einstein’s  discovery  of  the  photoelectric  effect  which  states  that  the  amount  of  kinetic  energy  an  electron  has  after  ejection  from  a  surface  is  equal  to  the  amount  of  energy  the  light  source  has  minus  the  binding  energy  (how  tightly  held  the  electrons  are).  Einstein  won  his  Nobel  Prize  for  this  discovery!       𝑲𝑬𝒆𝒍𝒆𝒄𝒕𝒓𝒐𝒏  =  𝑬𝒑𝒉𝒐𝒕𝒐𝒏  −  𝑬𝒃𝒊𝒏𝒅𝒊𝒏𝒈  Let  us  look  at  the  photoelectron  spectrum  (to  the  left)  of  an  element  with  a  low  atomic  number,  and  thus  low  

number  of  electrons.  Which  element  is  the  PES  for?  The  exact  values  of  the  binding  energies  are  not  important,  only  the  relative  values.  Also,  notice  that  the  scale  on  the  x-­‐axis  is  not  linear,  but  logarithmic,  and  that  the  scale  itself  is  decreasing  from  left  to  right.    If  we  look  at  the  height  of  each  peak,  notice  that  the  lowest-­‐whole-­‐number-­‐ratio  is  2:2:3.  This  would  most  

likely  mean  there  are  7  electrons.  The  atom  with  7  electrons  is  nitrogen.  Let’s  check  to  see  if  the  rest  of  the  information  agrees.  The  electron  configuration  of  nitrogen  is  1s22s22p3.  We  know  that  core  electrons  are  held  the  tightest  since  they  are  closest  to  the  nucleus,  and  in  nitrogen,  these  would  be  the  1s  electrons.  Nitrogen  also  has  five  valence  electrons,  and  these  would  be  the  remaining  2s  and  2p  electrons.  These  electrons  are  held  less  tightly  since  they  are  further  away  from  the  nucleus.  To  summarize,  the  first  peak  corresponds  to  the  two  electrons  in  the  1s  orbital,  the  second  peak  is  the  2s  orbitals,  and  the  third  peak  is  the  3s  orbital.  

Page 8: AP#Chemistry12# # ~UnitX:Spectroscopy~...andnucleus#(Thomson#model#andRutherford’s#goldfoil#experiment),#Bohr’s#model#of#the#hydrogen# atom,#andelectron#configuration). ! Youwill!need!to!also!review!periodic!trends,!particularly!

AP  Chemistry  12    

  8  

Example  6:  Analyse  the  PES  and  determine  the  identity  of  the  element.  Once  identified,  assign  each  peak  to  an  orbital.    Answer:  There  are  three  peaks,  and  the  relative  height  of  each  peak  is  1:1:3.  If  we  add  all  three  numbers  together,  we  get  5.  The  element  with  5  electrons  is  boron.    

 If  we  analyse  boron’s  electron  configuration,  we  get  1s22s22p1.  This  does  not  give  us  the  1:1:3  ratio,  so  the  element  cannot  be  boron.    If  we  take  the  ratio  and  double  all  the  numbers,  we  get  2:2:6.  Adding  up  these  numbers,  we  get  10  electrons.  The  element  corresponding  10  electrons  is  neon.  The  electron  configuration  of  neon  is  1s22s22p6.  This  agrees  with  our  ratio  of  2:2:6,  and  thus  we  can  conclude  the  element  is  neon,  and  the  first  peak  is  the  1s,  second  peak  2s,  and  third  peak  2p.  Notice  once  again  that  the  specific  binding  energy  is  not  important.    Example  7:  The  PES  peak  for  the  3s  electrons  are  shown  for  Na  and  K.    

a. The  ionization  energy  of  K  is  known  to  be  lower  than  Na.  Explain  why.  (This  is  a  Chem  11  question!)  

b. Why  does  the  peak  for  K  have  a  higher  binding  energy  than  Na?    

c. Why  is  the  intensity  for  potassium  double  that  of  sodium?  

Answers:  a. The  ionization  energy  of  K  is  lower  than  that  of  Na  because  the  outer  most  electron  in  each  atom  is  in  different  orbitals.  The  outermost  electron  of  K  

is  the  4s  electron  and  the  outermost  electron  in  Na  is  the  3s.    • Since  4s  electrons  are  much  further  away  from  the  positively  charged  nucleus  compared  to  3s  electrons,  they  are  easier  to  remove  due  to  

weaker  electrostatic  attraction  (attractive)  • Moreover,  the  4s  electrons  are  more  shielded  by  core  electrons,  meaning  they  don’t  feel  the  attraction  of  the  nucleus  as  much  [another  

term  for  this  is  lower  effective  nuclear  charge]  (repelled  by  the  core  electrons:  1s22s22p63s23p6  =  18  electrons)  while  3s  electrons  are  less  shielded  (repelled  by  1s22s22p6  =  10  electrons)  (repulsive)  

b. When  we  are  removing  the  3s  electrons  in  each  atom,  we  only  need  to  consider  the  attractive  forces  to  the  nucleus  since  the  amount  of  shielding  will  be  the  same  (10  electrons).  There  are  more  protons  in  the  nucleus  of  potassium  than  in  sodium  (19  vs  11).  This  means  that  the  attraction  is  stronger.  A  stronger  attraction  results  in  more  energy  required  in  removing  the  electron  (thus  binding  energy).  

c. The  intensity  of  K  is  doubled  because  there  are  two  3s  electrons  in  K  but  only  one  3s  electron  in  Na.  

 Example  8:  The  complete  PES  of  aluminum  is  shown  on  the  right.  On  the  same  graph,  predict  how  the  PES  of  magnesium  would  look  like.  Explain  briefly  how  you  obtained  your  PES.      Answer:  First  verify  that  the  peaks  correspond  to  aluminum.  The  peak  ratios  are  2:2:6:2:1.  If  we  add  these  numbers  together,  we  get  13  electrons.  This  is  the  number  of  electrons  aluminum  has.  Moreover,  these  peaks  correspond  to  1s22s22p63s23p1  perfectly.  

 The  number  of  electrons  in  magnesium  is  12,  resulting  in  the  electron  configuration  1s22s22p63s2.  This  means  that  magnesium  will  have  4  peaks  that  are  similar  to  aluminum.  However,  magnesium  has  fewer  protons  (thus,  a  smaller  nuclear  charge).  A  smaller  nuclear  charge  would  mean  that  the  attraction  to  the  electrons  is  weaker.  Thus,  the  binding  energy  would  be  lower  for  ALL  orbitals.  

Page 9: AP#Chemistry12# # ~UnitX:Spectroscopy~...andnucleus#(Thomson#model#andRutherford’s#goldfoil#experiment),#Bohr’s#model#of#the#hydrogen# atom,#andelectron#configuration). ! Youwill!need!to!also!review!periodic!trends,!particularly!

AP  Chemistry  12    

  9  

 For  Al,  the  151  MJ/mol  peak  is  the  1s2  peak.  We  can  move  this  slightly  to  the  right  for  magnesium  since  the  binding  energy  is  lower.  We  would  do  this  for  each  of  the  other  orbitals  as  well.  However,  we  would  NOT  create  a  similar  peak  for  Al’s  3p1  since  Mg  does  not  have  a  3p  electron.    Note:  The  exact  locations  and  values  of  the  peaks  is  not  important.  What  is  important  is  the  relative  positions  of  the  peaks  (the  same  orbitals  are  all  lower  in  Binding  Energy).    Example  9:  The  PES  diagram  for  scandium  is  below.    

a. Rationalize  the  location  and  height  of  the  peaks  and  assign  orbitals.  Pay  attention  to  the  last  two  peaks.  b. Explain  why  scandium  commonly  forms  +3  charge  ions  (more  common  than  +2  charge  ions),  while  not  

forming  higher  charged  cations?                  Answers:  

a. The  peaks  from  left  to  right  are  as  follows:  1s22s22p63s23p63d14s2.  Although  4s  electrons  are  filled  before  3d  electrons,  4s  electrons  are  also  removed  first  during  ionization.  This  is  because  they  are  held  less  tightly  by  the  nucleus  (n=4  versus  n=3).  

b. The  4s2  and  3d1  electrons  are  very  close  in  energy.  Because  of  this,  the  amount  of  energy  required  to  remove  electrons  from  the  4s  and  3d  (<1MJ)  is  similar,  and  thus,  they  are  usually  removed  together.  Removing  even  more  electrons  requires  significantly  more  energy  (3+  MJ  for  the  3p  electrons)  

 The  PES  for  nitrogen  and  oxygen  are  shown  to  the  right.  We  would  expect  oxygen  to  have  a  higher  binding  energy  for  all  electrons  since  oxygen  has  a  higher  number  of  protons  with  no  extra  shielding.      However,  if  we  look  at  the  2p  peak,  we  see  that  it  has  a  lower  binding  energy  for  oxygen.  To  understand  why,  let’s  write  out  the  electron  configuration  of  each  atom  and  their  orbital  diagrams.  

O:  1s2  2s2  2p4  N:  1s2  2s2  2p3    

Notice  that  for  oxygen,  one  electron  in  the  p-­‐orbital  is  paired  (recall  that  there  are  three  2p  orbitals,  each  can  hold  2  electrons  for  a  total  of  6).  The  pairing  of  the  electron  causes  repulsion,  and  thus  the  electrons  are  less  tightly  bound  than  expected.  Less  tightly  bound  would  mean  it  is  easier  to  remove,  and  has  a  lower  binding  energy.  We  expect  this  to  be  true  also  between  phosphorus  atoms  and  sulphur  atoms.  

151   12.1  

7.9  

1.09  0.58  

Page 10: AP#Chemistry12# # ~UnitX:Spectroscopy~...andnucleus#(Thomson#model#andRutherford’s#goldfoil#experiment),#Bohr’s#model#of#the#hydrogen# atom,#andelectron#configuration). ! Youwill!need!to!also!review!periodic!trends,!particularly!

AP  Chemistry  12    

  10  

 Real  PES:  Real  photoelectron  spectra  are  much  more  convoluted  in  the  sense  that  they  contain  a  lot  of  background  ‘noise’  and  interference.  Peaks  are  also  not  well-­‐defined,  and  many  peaks  overlap.    

 Overlapping  peaks  occur  because  PES  is  usually  a  solid-­‐phase  technique.  With  so  many  atoms  nearby,  ejected  core  electrons  can  leave  holes  that  other  valence  electrons  can  drop  into.  The  relaxation  of  these  valence  electrons  into  the  now  vacant  spot  causes  an  emission  of  low  energy  photons  that  can  eject  other  electrons.  This  leads  to  electrons  with  low  kinetic  energy,  and  thus  calculations  would  show  that  these  electrons  have  high  binding  energy,  when  in  fact,  they  do  not.    

We  will  not  need  to  analyze  these  spectra,  but  be  aware  that  the  spectra  we  have  been  analyzing  are  idealized  (and  simulations,  rather  than  real).    

UV-­‐Vis  Spectroscopy/Colourimetry/Spectrophotometry  We  have  already  covered  this  in  the  kinetics  chapter.  Theory:  Recall  that  dissolved,  coloured  compounds  absorb  colours  of  light  that  are  complementary  (‘opposite’)  to  their  own  colour.  For  example,  a  red  dye  will  absorb  most  strongly  green-­‐blue  light  and  a  purple  dye  will  absorb  most  strongly  yellow  light.    This  is  because  white  light  is  a  mixture  of  all  colours  of  light,  and  any  light  that  is  absorbed  would  mean  that  it  is  not  passed  through  the  solution.  A  dye  that  absorbs  green  light  most  strongly  would  mean  that  all  other  light  can  pass  through.  This  would  mean  you  see  a  mixture  of  all  colours  except  green,  and  we  (aka  ‘our  brain’)  interpret  that  as  a  red-­‐orange  colour.    

 The  spectrum  to  the  left  shows  which  wavelengths  of  light  the  compound,  indigo  carmine,  absorbs  the  most.  The  wavelengths  of  light  it  absorbs  most  is  200nm,  then  290nm,  then  250nm  and  610nm.  The  lower  (<400  nm)  three  values  are  in  the  UV-­‐light  region,  and  thus  do  not  affect  the  colour  of  the  compound  itself,  but  absorbance  at  610  nm  means  that  indigo  carmine  absorbs  most  strongly  yellow-­‐orange  light,  leaving  the  compound  a  blue-­‐indigo  colour.    A  colourimetry  or  spectrophotometer  allows  

you  to  select  specific  wavelengths  of  light  to  illuminate  a  solution.  It  then  measures  the  intensity  of  light  entering,  Io,  and  amount  of  light  exiting  the  solution,  I.  Less  light  exiting  would  mean  the  solution  has  absorbed  most  of  it.  With  indigo  carmine,  we  would  use  the  wavelength  of  610  nm  since  that  is  the  coloured  light  that  it  absorbs  most.  It  is  important  that  we  select  the  most  absorbing  wavelength  since  this  means  that  the  instrument  would  be  more  sensitive  to  concentration  changes.  If  a  0.100  M  and  a  0.0800  M  both  absorb  at  0.001  

Page 11: AP#Chemistry12# # ~UnitX:Spectroscopy~...andnucleus#(Thomson#model#andRutherford’s#goldfoil#experiment),#Bohr’s#model#of#the#hydrogen# atom,#andelectron#configuration). ! Youwill!need!to!also!review!periodic!trends,!particularly!

AP  Chemistry  12    

  11  

y  =  2145x  +  0.002  

0  

1  

2  

3  

0   0.0002   0.0004   0.0006   0.0008   0.001  

Absorban

ce  

Concentra-on  of  Red  Dye  (M)  

Absorbance  of  Red-­‐Dye  at  495  nm    

absorbance  units  (wavelength  of  light  used  is  lowly  absorbed),  then  this  experiment  would  be  quite  useless.  It  would  be  much  better  if  the  two  solutions  had  significantly  different  absorbing  values  (wavelength  of  light  used  is  highly  absorbed).    An  absorbance  value  (no  units,  or  ‘absorbance’  units)  is  calculated  by  the  machine,  and  a  reading  is  given.        

𝐴 =  − log𝐼𝐼!

 

Solutions  that  are  coloured  and  more  concentrated  will  absorb  light  more  strongly.  This  is  given  by  Beer’s  Law:    

𝐴 = ɛ𝑏𝑐  A  is  the  absorbance  of  the  solution  at  a  particular  wavelength.    ɛ  is  the  molar  absorptivity  coefficient  (or  molar  extinction  coefficient)  and  has  units  of  M-­‐1  cm-­‐1  (or  M-­‐1  m-­‐1).  We  can  

think  of  the  molar  absorptivity  coefficient  as  how  absorbing  a  particular  compound  is.  The  higher  it  is,  the  stronger  it  will  absorb.    

b  is  the  path  length  of  the  cuvette,  a  container  (how  far  the  light  travels  through  the  solution)  c  is  the  concentration  of  the  solution.    Because  the  absorptivity  coefficient  and  path  length  can  be  fixed  for  any  solution  at  a  particular  wavelength,  we  can  make  solutions  of  known  concentrations  and  measure  their  absorbances  to  create  a  calibration  curve.    Calibration  Curves:  Determining  the  concentration  of  a  substance  can  be  done  if  we  know  its  absorbance  value  and  the  relationship  between  concentration  and  absorbance.  The  absorbance  values  are  easy  to  obtain  as  long  as  you  have  a  spectrophotometer.  However,  to  find  the  relationship  between  the  concentration  and  absorbance,  we  first  need  a  calibration  curve  that  matches  Beer’s  Law,  A  =  ɛbc.    Let’s  look  at  some  data  and  see  how  we  can  construct  a  calibration  curve:    Several  solutions  at  different  known  concentrations  of  red  dye  have  their  absorbances  measured  and  recorded.  The  wavelength  of  light  used  is  495  nm  and  the  cuvette  length  is  0.500  cm.  Side  note:  The  choice  for  the  length  of  the  cuvette  is  up  to  the  experimenter.  It  is  most  common  to  use  b  =  1.00cm.  The  following  data  is  collected  and  graphed  (next  page).  We  can  see  from  the  data  itself  that  as  the  concentration  increases,  the  absorbance  increases  linearly.  This  follows  Beer’s  Law.  

 The  equation  of  the  calibration  curve  is  y  =  2145x  +  0.002.  The  y-­‐intercept,  0.002,  should  be  zero  in  the  ideal  case  (since  if  concentration  is  zero,  absorbance  should  also  be  zero),  but  due  to  experimental  and/or  random  errors,  it  can  fluctuate.      

Concentration   Absorbance  

0.00100  M   2.147  

0.00080  M   1.718  

0.00060  M   1.289  

0.00040  M   0.860  

0.00020  M   0.431  

Page 12: AP#Chemistry12# # ~UnitX:Spectroscopy~...andnucleus#(Thomson#model#andRutherford’s#goldfoil#experiment),#Bohr’s#model#of#the#hydrogen# atom,#andelectron#configuration). ! Youwill!need!to!also!review!periodic!trends,!particularly!

AP  Chemistry  12    

  12  

   Since  our  y-­‐axis  is  absorbance  and  our  x-­‐axis  is  concentration,  we  can  write  A  =  2145c  +  0.002.    This  matches  with  Beer’s  Law  (A  =  ɛbc),  if  we  ignore  the  y-­‐intercept.  Since  the  slope  of  the  graph  is  2145  M-­‐1,  ɛb  must  also  equal  2145  M-­‐1.    In  this  example  then,  since  b  =  0.500  cm,  we  can  determine  the  absorptivity  coefficient  of  this  red  dye  at  495  nm.  

ɛ!"#!"  =2145𝑀!!

0.500𝑐𝑚  =  4290  𝑀!!𝑐𝑚!!  

 Generally,  coloured  compounds  that  have  ɛ  >  10000  M-­‐1  cm-­‐1  are  considered  strongly  absorbing  while  compounds  that  have  10  M-­‐1cm-­‐1  <  ɛ  <  1000  M-­‐1  cm-­‐1  are  considered  weakly  absorbing.    Now  that  we  have  our  calibration  curve  equation  A  =  2145c  +  0.002,  we  can  solve  for  any  unknown  concentration  of  red  dye  at  495  nm  as  long  as  we  can  measure  its  absorbance.    Example  10:  After  creating  the  calibration  curve  (y=2145x  +  0.002)  of  a  red  dye  using  the  wavelength  of  light  at  495  nm,  a  solution  of  red  dye  with  unknown  concentration  was  poured  into  a  0.500  cm  cuvette  and  its  absorbance  is  measured.  The  absorbance  is  measured  to  be  1.220.  What  is  the  concentration  of  the  solution?    Answer:  You  can  answer  this  in  two  ways:  Using  the  graph  or  using  the  equation.  Using  the  graph  is  less  accurate  since  it  requires  estimating,  so  let’s  use  the  equation.  

𝑦 = 2145𝑥 + 0.002  1.220 = 2145𝑥 + 0.002  

𝑥 = 0.00057  𝑀  Since  x  is  the  concentration,  [red  dye]  =  5.7  x  10-­‐3  M.    Example  11:  A  calibration  curve  is  created  for  thymol  blue  (λ=300nm)  and  the  linear  equation  obtained  (with  a  1.00  cm  cuvette)  is  y  =  12405x  –  0.0012.  As  part  of  a  kinetics  experiment,  multiple  solutions  of  thymol  blue  are  measured  at  different  times.  Calculate  their  concentrations.  Time(s)   0.00   30.00   60.00   90.00   120.00  Absorbance   1.948   1.714   1.480   1.246   1.012  Concentration  (M)              Answer:  This  is  done  in  the  same  way  as  in  Example  10.  The  answers  are  below:  Concentration  (M)   1.571  x  10-­‐4   1.383  x  10-­‐4   1.194  x  10-­‐4   1.005  x  10-­‐4   8.168  x  10-­‐5    Limitations  of  Spectrophotometry:  

1) Spectrophotometry  allows  us  to  determine  the  concentrations  of  solutions  of  unknown  concentrations  by  first  measuring  the  absorbances  of  solutions  of  known  concentrations  (calibration  curve).  However,  not  all  compounds  can  be  measured  this  way.          

Page 13: AP#Chemistry12# # ~UnitX:Spectroscopy~...andnucleus#(Thomson#model#andRutherford’s#goldfoil#experiment),#Bohr’s#model#of#the#hydrogen# atom,#andelectron#configuration). ! Youwill!need!to!also!review!periodic!trends,!particularly!

AP  Chemistry  12    

  13  

In  general,  many  transition  metals  have  various  colours,  so  these  can  also  be  studied  using  a  spectrophotometer.  To  the  left  is  a  list  of  some  metal  ions  and  their  colours  (metal  ion  colours  can  be  affected  by  what  they  are  coordinated  to,  so  the  list  is  not  complete,  and  only  gives  you  a  rough  idea  of  what  colour  they  can  be).    Moreover,  many  organic  compounds  with  extended  conjugated  structures  (alternating  single  and  double  bonds)  absorb  colours.  In  fact,  most  of  the  dyes  we  used  for  food  and  for  fabrics  are  all  organic  compounds.    To  the  right  is  the  molecular  structure  of  Allure  Red  dye.  Notice  its  conjugated  structure.    

 Although  certain  compounds  do  not  absorb  coloured  light,  they  may  significantly  absorb  wavelengths  of  light  corresponding  to  the  UV  region.  Hence,  this  technique  is  called  UV-­‐Vis  spectroscopy.  The  same  principles  apply  to  the  UV  region,  except  that  no  colours  are  visible.  The  solution  will  look  colourless  to  us,  but  still  absorbs  at  UV  wavelengths.  Organic  molecules  that  absorb  in  this  region  of  light  are  typically  less  conjugated  molecules  (smaller,  with  fewer  alternating  single  and  double  bonds).    Therefore,  if  we  are  working  with  molecules  that  do  not  contain  coloured  transition  metal  ions  or  organic  molecules  with  conjugated  structures,  it  is  not  possible  to  measure  their  concentration  using  UV-­‐vis  spectroscopy.    2)  Notice  that  all  the  values  we  have  worked  with  have  relatively  low  concentrations.  At  high  concentrations,  dissolved  molecules  and  ions  start  interacting  with  one  another  through  intermolecular  forces.  The  interactions  interfere  with  how  they  absorb  light  and  absorbance  can  significantly  alter.  Moreover,  at  high  concentrations,  the  molecules  may  react  with  themselves  (especially  for  chemical  indicators  that  are  pH  sensitive).  This  results  in  a  deviation  from  Beer’s  Law,  and  the  calibration  curve  becomes  inaccurate.      To  the  right  is  a  theoretical  graph  of  what  could  happen  at  high  concentrations.  Notice  that  the  early  parts  of  the  graph  show  linearity,  but  at  high  concentrations,  the  graph  curves  and  no  longer  shows  a  linear  relationship  (it  can  even  start  to  decrease  in  absorbance!)  Example  12:  Which  of  the  following  molecules  do  we  expect  to  be  able  to  analyse  with  UV-­‐vis  spectroscopy?  

a. Beta-­‐carotene  (found  in  carrots)             b.  Curcumin  (turmeric  powder)          

c.   Fructose  

(sugar)           d.  Anthracene     e.  Salt,  NaCl              

 f. Potassium   permanganate,   KMnO4  

Transition  Metal  Ion  

Colour  

Co2+   Pink,  Blue  Cu2+   Blue-­‐green  Fe2+   Olive-­‐green  Ni2+   Bright  green  Fe3+   Brown  to  yellow  CrO42-­‐   Orange  Cr2O72-­‐   Yellow  Ti3+   Purple  Cr3+   Violet  Mn2+   Pale  pink  MnO4-­‐   Purple  Zn2+/Ag+   Colourless  

Page 14: AP#Chemistry12# # ~UnitX:Spectroscopy~...andnucleus#(Thomson#model#andRutherford’s#goldfoil#experiment),#Bohr’s#model#of#the#hydrogen# atom,#andelectron#configuration). ! Youwill!need!to!also!review!periodic!trends,!particularly!

AP  Chemistry  12    

  14  

Answers:    a. Yes,  extended  conjugated  structure.  b. Yes,  extended  conjugated  structure.  c. No,  only  single  bonds  (the  wedges  and  dashes  are  irrelevant  here)  d. Yes,  but  most  likely  only  in  the  UV  region  since  it  is  not  conjugated  extensively.  e. No,  Na+  is  not  a  transition  metal  f. Yes,  MnO4-­‐  contains  a  transition  metal  

 IR  Spectroscopy/Vibrational  Spectroscopy  

Theory:  Molecules  contains  bonds,  and  these  bonds  vibrate  at  a  specific  frequency.  Depending  on  the  structure  of  the  molecule,  and  thus  its  bonds,  they  may  absorb  IR  radiation.  In  general,  molecules  with  vibrations  that  cause  a  change  in  dipole  moment  will  be  IR  active  (meaning  it  absorbs  IR  radiation  and  can  be  analysed  with  IR  Spectroscopy).  All  polar  molecules  are  IR  active.  For  example,  let’s  consider  a  few  molecules:  O2,  HCl,  and  CO2.    O2:  This  molecule  is  symmetrical  and  is  non-­‐polar.  No  matter  how  you  stretch  or  bend  the  bonds,  it  will  still  remain  non-­‐polar  (no  change  in  dipole  moment).  Thus,  O2  is  IR  inactive.    HCl:  This  molecule  is  polar  and  stretching  the  bond  will  change  its  polarity.  Thus,  HCl  is  IR  active.    CO2:  This  molecule  is  non-­‐polar,  however,  bending  due  to  vibrations  of  bonds  can  cause  it  to  become  polar.  Consider  the  diagram  to  the  right.  Since  CO2  can  become  polar,  CO2  is  IR  active.    Important:  Since  IR  spectroscopy  is  generally  used  for  organic  compounds,  and  they  are  almost  always  complex  molecules,  we  can  assume  that  all  of  them  are  IR  active.      How  is  IR  spectroscopy  used?  The  set-­‐up  of  IR  spectroscopy  is  similar  to  that  of  UV-­‐vis  spectroscopy.  IR  radiation  (of  varying  wavelengths)  is  given  off  by  a  lamp  source  and  directed  onto  the  sample  to  be  analysed.  The  sample  will  absorb  various  wavelengths  of  IR  and  the  rest  is  passed  onto  a  detector.  The  computer  processes  the  information  and  prints  out  a  spectrum.      IR  spectroscopy  is  generally  used  as  an  qualitative  analytical  technique  to  identify  functional  groups  of  organic  molecules.  Quantitatively,  it  is  less  useful  (for  example,  it  cannot  help  determine  concentration,  like  in  UV-­‐vis  spectroscopy).                  

Page 15: AP#Chemistry12# # ~UnitX:Spectroscopy~...andnucleus#(Thomson#model#andRutherford’s#goldfoil#experiment),#Bohr’s#model#of#the#hydrogen# atom,#andelectron#configuration). ! Youwill!need!to!also!review!periodic!trends,!particularly!

AP  Chemistry  12    

  15  

Let’s  see  an  example  of  an  IR  spectrum:  This  is  the  IR  spectrum  of  vanillin.  Notice  a  few  things:  

1) Instead  of  absorbance,  transmittance  is  used  instead  (it  just  means  the  opposite,  the  lower  the  transmittance,  the  higher  t  he  absorbance).      

2) Frequency  is  not  in  the  traditional  units  of  s-­‐1/Hz,  but  cm-­‐1.  This  is  just  a  different  unit  (wavenumber).  

 If  we  look  at  vanillin’s  spectrum,  we  see  that  there  are  many  ‘peaks’.  Peaks  in  IR  spectrums  are  upside  down.  For  example,  we  would  say  there  is  a  peak  at  3500cm-­‐1.  There  are  also  many  peaks  from  500-­‐1700cm-­‐1.  All  vanillin  samples  will  have  the  same  IR  spectrum,  and  thus,  if  we  had  an  unknown  sample  that  gave  us  this  IR  spectrum,  we  could  identify  it  as  vanillin.  As  mentioned  before,  specific  functional  groups  absorb  at  specific  wavenumbers.  Here  is  a  diagram:                This  diagram  tells  us  that  a  C=O  bond  absorbs  strongly  between  1500cm-­‐1  and  1800cm-­‐1.  If  we  look  back  at  our  vanillin  example,  we  indeed  did  have  a  C=O  bond  (the  aldehyde  at  the  top  of  the  molecule).  If  we  look  at  the  spectrum,  we  do  see  a  strong  peak  at  1700cm-­‐1.      This  diagram  also  tells  us  that  O-­‐H  bond  absorbs  strongly  at  3500  cm-­‐1.  If  we  look  back  at  our  vanillin  example,  indeed,  we  do  see  a  3500  cm-­‐1  peak  and  we  also  have  an  O-­‐H  in  our  molecule!    IR  spectroscopy  allows  us  to  identify  functional  groups  in  our  molecules  if  we  see  specific  peaks.  However,  there  is  generally  a  lot  of  extra  information  too.  Look  at  all  the  peaks  at  ~3000  cm-­‐1  in  vanillin,  and  peaks  from  <1500  cm-­‐1.  All  those  peaks  either  correspond  to  C-­‐H  (which  all  organic  molecules  have,  so  it  is  not  useful)  or  they  overlap  so  much  that  we  cannot  tell  what  is  what.  Organic  chemists  generally  use  IR  spectroscopy  to  identify  O-­‐H,  C=O,  N-­‐H,  and  C≡C  bonds  in  molecules.    Example  13:  Analyse  the  IR  spectrum  for  hexanoic  acid.  Try  to  find  the  peaks  corresponding  to  the  C=O  and  O-­‐H  in  hexanoic  acid.  You  may  need  to  refer  to  the  diagram  above  that  lists  the  IR  absorption  wavenumbers  for  functional  groups.  

These  are  considered  ‘peaks’  although  they  are  upside  down.  

   

 

   

Page 16: AP#Chemistry12# # ~UnitX:Spectroscopy~...andnucleus#(Thomson#model#andRutherford’s#goldfoil#experiment),#Bohr’s#model#of#the#hydrogen# atom,#andelectron#configuration). ! Youwill!need!to!also!review!periodic!trends,!particularly!

AP  Chemistry  12    

  16  

Answer:  We  are  only  interested  in  the  O-­‐H  stretch  and  C=O  stretch  at  ~3000  cm-­‐1  and  ~1700  cm-­‐1  respectively.    

Notice  that  earlier,  the  O-­‐H  stretch  was  at  ~3500cm-­‐1,  but  when  bonded  as  COOH,  the  numbers  can  change  slightly.  It  is  not  expected  that  you  know  this,  but  experienced  chemists  will  use  this  information  to  tell  apart  a  molecule  that  has  C=O  and  O-­‐H  as  a  ketone  +  alcohol  versus  COOH  as  carboxylic  acid.  

Example  14:  You  produced  an  organic  molecule  with  an  oxygen  group  attached,  and  you  know  the  empirical  formula  is  C5H10O.  Referring  to  the  diagram  on  the  left:  Which  of  the  molecules  best  fit  the  IR  spectrum  given?  

Answer:  A  peak  at  ~3500cm-­‐1  shows  that  there  is  an  O-­‐H  group  in  the  molecule.  The  only  one  that  matches  is  d).  Moreover,  if  the  molecule  was  either  a)  or  c),  we  would  expect  a  large  peak  at  ~1700  cm-­‐1.  But  we  do  not  see  it  in  the  spectrum,  so  we  can  rule  out  a)  and  c).                

Example  15:  An  organic  compound  with  the  formula  C6H11N  has  an  IR  spectrum  peak  at  2169  cm-­‐1,  no  peak  near  1600cm-­‐1,  and  no  peak  from  3200cm-­‐1  to  4000cm-­‐1.  Which  of  the  following  functional  groups  could  be  present  in  this  molecule?  

a. Alkene  (C=C)  b. Imine  (C=N)  c. Amine  (C-­‐N)  

d. Alkyne  (C≡C)  e. Nitrile  (C≡N)  f. Ketone  (C=O)  

Answer:  Ruling  out  wrong  answers:  A  peak  near  2169cm-­‐1  means  it  could  be  a  variety  of  things  based  on  the  diagram  on  the  previous  page,  but  since  the  molecule  only  has  one  N  (no  S,  O),  it  could  either  be  an  alkyne  (C≡C)  or  nitrile  (C≡N),  and  we  can  immediately  rule  out  f).  No  peak  from  3200-­‐4000cm-­‐1  lets  us  rule  out  any  amides,  alcohols,  or  amine,  so  c)  cannot  be  an  answer.  No  peak  at  1600cm-­‐1  means  it  cannot  be  a)  or  b).  Thus,  the  only  answers  can  be  d)  or  e).  

Based  on  the  formula  of  the  molecule,  C6H11N,  it  can  only  have  one  triple  bond,  and  not  any  more  double  or  triple  bonds  (try  drawing  out  molecules  with  more  than  a  triple  bond:  You  would  have  left  over  hydrogens  that  can’t  go  anywhere).  If  the  molecule  had  an  alkyne,  d),  then  that  means  the  nitrogen  would  have  to  be  singly  bonded.  As  we  know,  the  amine  (C-­‐N)  option  has  been  ruled  out  from  before,  so  it  cannot  have  an  alkyne  either.    

Thus,  the  answer  is  only  e).  Note:  The  last  part  about  comparing  e)  and  d)  is  sophisticated.  In  your  answer,  if  you  circle  both  d)  and  e),  I  would  accept  that  answer  as  well.  

   

Page 17: AP#Chemistry12# # ~UnitX:Spectroscopy~...andnucleus#(Thomson#model#andRutherford’s#goldfoil#experiment),#Bohr’s#model#of#the#hydrogen# atom,#andelectron#configuration). ! Youwill!need!to!also!review!periodic!trends,!particularly!

AP  Chemistry  12    

  17  

Summary  of  Spectroscopy  

• Electrons  can  transition  from  one  energy  level  to  another  by  absorbing  electromagnetic  radiation.  The  type  of  EM  radiation  they  absorb  depend  on  which  energy  level  they  jump  from  and  jump  to.  These  transitions  can  happen  in  atoms  (atomic  orbitals)  or  in  molecules  (electrons  in  bonds)  

• Photoelectron  spectroscopy  involves  electrons  ejected  from  their  atomic  orbitals  using  extremely  high  energy  EM  radiation.  The  ejected  electrons  have  their  kinetic  energy  measured  and  that  indirectly  measures  the  binding  energy  of  the  electrons.  We  can  match  binding  energy  to  specific  orbitals  from  where  the  electrons  come  from  

• UV-­‐vis  spectroscopy  involves  compounds  that  absorb  strongly  in  the  UV  light  region  or  visible  light  region.  Substances  that  absorb  these  wavelengths  can  be  analysed  for  their  concentration  since  their  absorbance  is  related  to  concentration  according  to  Beer’s  Law,  A=ɛbc.    

• IR  spectroscopy  involves  the  vibrations  of  bonds  in  molecules.  Since  specific  bonds  absorb  at  different  frequencies  of  IR  radiation,  we  can  analyse  a  spectrum  and  determine  what  bonds  are  present.  This  is  used  extensively  in  organic  chemistry  to  identify  functional  groups  that  are  present.  

• There  are  many  other  types  of  spectroscopic  techniques  used  in  chemistry  and  other  fields  of  science.  Each  of  them  take  advantage  of  a  different  aspect  (rotation  of  molecules,  magnetic  behavior  of  nucleus,  vibration  of  bonds,  electron  transitions,  etc)  

Example  16  (from  AP  exam):  The  following  spectrum  is  taken  for  a  pure  substance.  Out  of  the  following  type  of  transitions  (molecular  rotations,  molecular  vibrations,  nuclei  spin  transition,  electronic  transition),  which  type  of  transitions  is  observed  for  each  region  in  the  absorption  spectrum?    

Answer:  Region  X  corresponds  to  electronic  transitions  in  bonds;  region  Y  corresponds  to  molecular  vibrations;  and  region  Z  corresponds  to  molecular  rotations.