Vanden&Bout/LaBrake& CH301& LIGHT,&ELECTRONS&and&QUANTUM …

51
CH302 Vanden Bout/LaBrake Fall 2012 Vanden Bout/LaBrake CH301 LIGHT, ELECTRONS and QUANTUM MODEL UNIT 2 Day 2

Transcript of Vanden&Bout/LaBrake& CH301& LIGHT,&ELECTRONS&and&QUANTUM …

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Vanden  Bout/LaBrake  

CH301  

LIGHT,  ELECTRONS  and  QUANTUM  MODEL  

UNIT  2  Day  2  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Spring  2012  

Important  InformaKon  

EXAM  GRADES  WERE  GREAT!  EXAM  WRAPPER  –  QUEST  LM  –  BONUS  POINTS  

LM13  &  14due  Th  9AM  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

What  are  we  going  to  learn  today?  

•  Understand how light can probe electrons in atoms"

•  Recognize that electrons have discrete energy levels in atoms"

•  Predict the energy for transitions of an electron between the energy levels in hydrogen "

•  Relate the empirical model to the theoretical model of the energy levels of electrons in H atom"

•  Solutions to the theoretical model predict electron configuration "

−The simplest Atom - Hydrogen"

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

What  is  the  energy  associated  with  a  photon  that  has  a  wavelength  of  550  nm?      

   Plank’s  constant  =  6.626  X  10-­‐34  J  *  s      Speed  of  light  =  2.99  x  108  m/s  

A)  414  kJ  B)  3.61  x  10-­‐37  J  C)  3.61  X  10-­‐19  J  D)  235  J  E)  4.14  J  

QUIZ:    CLICKER  QUESTION  1          

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

The  Rydberg  formula  is  an  empirically  derived  relaKonship  between  the  difference  between  the    inverse  square  of  integer  values  and  emission  spectral  lines.      

A)  True  B)  False  

QUIZ:    CLICKER  QUESTION  2          

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Exciting Electrons Demo"

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Exciting Electrons Demo"

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Exciting Electrons Demo"

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Exciting Electrons Demo" Think Like a Chemist"

HH                HH  

H*            H*  

H*    H*  

Ne*  

   Ne*  

Ne      Ne  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Exciting Electrons Demo"POLLING:    CLICKER  QUESTION  3          

WHICH  SPECTRUM  WOULD  YOU  EXPECT  TO  SEE  IF  WE  WERE  TO  PUT  A  GRATING  BETWEEN  YOU  AND  THE  LIGHT  SOURCE?  

A.  

B.  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

ExciKng  which  gas  leads  to  emission  of  the  the  highest  energy  visible  photons?  a)    He  b)  H2  c)  Ne  

           

POLL:    CLICKER  QUESTION  4          

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Rydberg Formula "

MathemaKcian  Balmer  noted  a  pamern  in  the  frequencies  of  some  of  the  lines.  

Rydberg  figured  this  out  with  an  Empirical  model  for  all  the  lines  for  the  H-­‐atom  (simple  because  there  is  only  one  electron)  

Convert  wavelength  to  frequency  to  energy  n1  and  n2  are  Integers!  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Rydberg Formula "Discrete  lines  =  Discrete  Energies  ParKcular  wavelengths  correspond  to  transiKons  between  different  energy  levels.  

NOT  ALL  ENERGIES  ARE  POSSIBLE!  

What  is  the  energy  difference  between  the  n=1  and  n=2  states  

NegaKve  corresponds  to  emission  PosiKve  to  absorpKon  

n1  and  n2  are  Integers!  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

E  is  proporKonal  to  1/n2  

Where  do  these    Energy  levels  come  from?  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Bohr’s  model-­‐  solar  system  -­‐EMPIRICAL  

•  Bohr’s  theory  allowed  for  the  calculaKon  of  an  energy  level  

•  Or  the  calculaKon  of  the  emimed  wavelength  upon  release  of  energy  when  an  electron  transiKons  from  higher  to  lower  energy  

             ΔE  =  h(c/λ)  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

•  Bohr  model  was  not  working  well  for  an  atom  with  more  than  one  electron.    It  treated  the  electron  as  a  parKcle.    de  Broglie  had  shown  that  electrons  have  wave  properKes.    Schrödinger  decided  to  emphasize  the  wave  nature  of  electrons  in  an  effort  to  define  a  theory  to  explain  the  architecture  of  an  atom.  

BOHR  MODEL  

hmp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cf/Circular_Standing_Wave.gif  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Heisenberg  Uncertainty  Principle  

•  Wavelike  properKes  of  very  small  mamer  means  that  we  cannot  simultaneously  determine  the  locaKon  of  the  parKcle  and  exactly  how  it  is  moving  (momentum).  

•  Δp  Δx  >  constant  •  Δp  Δx  >  ½  ħ  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Wave-­‐ParKcle  Duality  

Small  (low  mass)  “parKcles”  have  wave-­‐like  properKes  

They  are  neither  described  as  parKcles  or  waves  They  have  characterisKcs  of  each  

We  saw  the  same  issue  for  “light”  

Seems  like  a  wave,  but  the  energy  (photon)  appears  parKcle-­‐like  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

How do we deal with the new “wave/particle” things? We need a new model!!"

Quantum  Mechanics!  

It  doesn’t  make  sense!  It  shouldn’t!    

You  don’t  live  in  a  world  of  Kny  parKcles  with  vanishingly  small  mass  and  momentum.  

It  is  what  it  is.  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Wave  funcKons  –  Tell  us  about  “where”  the  electron  is.  (the  probability  of  finding  the  parKcle  at  a  given  posiKon)  

Energies–  Tell  us  about  the  energy  of  the  electron  

The  Schrödinger  EquaKon  allows  us  to  solve  for  all  possible  wavefuncKons  and  energies  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

The Hydrogen Atom"Simplest  of  all  atomic  problems.      1  proton,  1  electron.  

Put  that  into  the  Schrödinger  EquaKon  and  solve  

WavefuncKons  and  energies  

FuncKon  Machine  (Schrödinger  EquaKon)  

That  will  give  us  the  soluKons  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

The Hydrogen Atom"

Infinite  number  of  soluKons  Which  soluKon  are  we  are  interested  in?  LOWEST  ENERGY      GROUND  STATE  ELECTRON  CONFIGURATION  

FuncKon  Machine  (Schrödinger  EquaKon)  

That  will  give  us  the  soluKons  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Where is the Energy?"

Two  key  ideas  from  Quantum  Mechanics,  systems  are  described  by  

Wave  funcKons  –  Tell  us  about  “where”  the  electron  is.  (the  probability  of  finding  the  parKcle  at  a  given  posiKon)  

Energies–  Tell  us  about  the  energy  of  the  electron  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

ENERGY  

•  Rydberg-­‐from  Bohr  model:      υ  =  R(1/n12  –  1/n22)    (R  =  3.29  X  1015  Hz)  

•  Schrödinger  calculated  actual  energy  of  the  e-­‐  in  H  using  his  wave  equaKon  with  the  proper  expression  for  potenKal  energy        En  =  -­‐hR/n2  =  -­‐2.18  x  10-­‐18  J/n2  

•  n  is  principal  quantum  number  which  is  an  integer  that  labels  the  different  energy  levels  

•  e-­‐  will  climb  up  the  energy  levels  unKl  freedom  –  ionizaKon  n  =  ∞  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Where is the particle?"

Two  key  ideas  from  Quantum  Mechanics,  systems  are  described  by  

Wave  funcKons  –  Tell  us  about  “where”  the  electron  is.  (the  probability  of  finding  the  parKcle  at  a  given  posiKon)  

Energies–  Tell  us  about  the  energy  of  the  electron  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

WAVE  FUNCTION  

•  Schrödinger  replaced  precise  trajectory  of  a  parKcle  with  a  wave  funcKon.  

•  Born  interpretaKon  of  the  wave  funcKon-­‐  the  probability  of  finding  the  parKcle  in  a  region  is  proporKonal  to  the  value  of  ψ2  

•  Ψ2  =  probability  density  –  probability  that  a  parKcle  will  be  found  in  a  region  divided  by  the  volume  of  the  region  

•  Ψ2  =  0    indicates  node  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

" "Physical Model – Quantum Mechanics"

 Electrons  are  they  parKcles?  Are  they  waves?  

Neither!      

They  are  strange  quantum  mechanical  things  that  appear  to  us  someKmes  as  being  parKcles  and  someKmes  as  waves  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

DIAGRAM  SOLUTIONS  LOWEST  ENERGY  ELECTRON  TO  HIGHEST  ENERGY  ELECTRON  (Draw  energy  level  diagram  for  hydrogen  atom)  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

IONIZATION  VERSUS  PHOTOELECTRIC  EFFECT  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

SOLUTIONS:    Atomic  Orbitals  

•  Apply  wave  funcKon  to  e-­‐  in  3-­‐D  space,  bound  by  nucleus.  

•  SoluKons  to  these  wave  equaKons  are  called  orbitals.  

•  Wave  funcKon  squared  gives  the  probability  of  finding  the  electron  in  that  region  in  space.  

•  Each  wave  funcKon  is  labeled  by  three  quantum  numbers,  –  n  –  size  and  energy  

–  l  –  shape  

–  ml  –  orientaKon  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Atomic  Orbitals-­‐  Defined  by  Quantum  Numbers  

n  –  principal  quantum  number-­‐specifies  the  energy  of  the  orbital,      All  atomic  orbitals  with  the  same  value  of  n  have  the  same  energy  and  belong  to  

the  same  shell  

l  –  orbital  angular  momentum  quantum  number  –  measure  of  the  rate  at  which  the  electron  circulates  around  the  nucleus,  which  defines  the  shape  of  the  orbital  

 l  =  0,1,2…n-­‐1    n  different  values  of  l  for  any  given  n    orbitals  of  a  shell  fall  into  n  groups  called  subshells      l=0  is  called  s-­‐orbital      l=1  is  called  p-­‐orbital      l=2  is  called  d-­‐orbital      l=3  is  called  f-­‐orbital    

ml  –  magneKc  quantum  number  –  indicates  the  orienta;on  of  the  angular  momentum    around  the  nucleus  

   disKnguishes  the  different  orbitals  within  a  subshell      ml=l,  l-­‐1…,  -­‐l    there  are  2l  +  1  values  of  ml  for  a  given  value  of  l  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Classify the solutions"

Classify  our  wavefuncKon  soluKons  based  upon  both    

Energy  -­‐    principle  quantum  number  n  

“Shape”    -­‐  angular  momentum  quantum  number  l

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Shapes are hard to draw"At  the  moment  we  really  care  about  the  wavefuncKon  squared  o�en  called  the  probability  density.  

Radial  probability  density  is  the  probability  of  finding  the  electron  at  some  distance  from  the  nucleus  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Hydrogen Like atoms"

Below  is  a  plot  of  the  radial  distribuKon  of  He+,  and  H  (both  have  only  1  electron)  Which  is  He+?  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Shapes are hard to draw"

 How  do  we  draw  three  dimensional  funcKons?  

It  is  hard.  

hmp://winter.group.shef.ac.uk/orbitron/  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

s  orbital  –  actually  1s  is  “easy”  to  draw  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Probability  density  of  s  orbital  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Solutions Shapes (where is the electron?)"

These are the n = 2 solutions, which one of these is not like the others?"

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

 p-­‐orbitals  

Probability  distribuKon  of  p  orbital  

 3  different  orientaKons  of  p  subshell,  denoted  by  the  three  values  of  ml  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

d-­‐orbitals  

Probability  distribuKon  distribuKon  of  d  orbital    

 5  different  orientaKons  of  d  orbitals  denoted  by  5  different  values  of  ml  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

f-­‐orbitals  

 7  different  orientaKons  of  f  orbitals  denoted  by  the  seven  different  values  for  ml  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

•  The  locaKon  of  an  electron  in  a  H  atom  is  described  by  a  wave  funcKon  known  as  an  atomic  orbital,  each  orbital  is  designated  by  a  set  of  three  quantum  numbers  and  fall  into  shells  and  subshells  

quantum  numbers  –  orbital  notaKon  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Ground  state  for  H  

•  Picture  shows  the  difference  in  energy  levels  for  the  first  3  energy  levels  available  for  an  electron  in  the  H  atom.    Show  the  ground  state  vs  an  excited  state  locaKon  on  the  diagram.  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Electronic  ConfiguraKon    and  Quantum  Numbers  for  H  

State  the  ground  state  electron  configuraKon  and  the  associated  quantum  numbers  for  H.  

QUIZ:    CLICKER  QUESTION  5          

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Electronic  ConfiguraKon    and  Quantum  Numbers  for  H  

The  three  quantum  numbers  for  an  electron  in  a  hydrogen  atom  in  a  certain  excited  state  are  n=4,  l=2,  ml=-­‐1.    In  what  type  of  orbital  is  the  electron  located?  

QUIZ:    CLICKER  QUESTION  6          

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Electronic  ConfiguraKon    and  Quantum  Numbers  for  H  

What  are  all  the  possible  quantum  numbers  for  an  electron  located  in  a  2d  orbital  of  a  H  atom?  

QUIZ:    CLICKER  QUESTION  7          

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

What Did We Learn Today?"

Light  is  a  wave  with  a    frequency,  speed  and  wavelength  

THIS  ALLOWS  US  TO  USE  LIGHT  TO  PROBE  THE  ENERGY  OF  ELECTRONS  IN  MATTER  

Developed  a  physical  model  that  predicts  the  energy  of  electron  in  H  atom  -­‐  QUANTUM  

CH302  Vanden  Bout/LaBrake    Fall  2012  

Learning Outcomes"Understand  QM  is  a  model  and  that  soluKons  to  the  Schrödinger    equaKon  yield  wave  funcKons  and  energies  

Understand  that  the  wave  funcKon  can  be  used  to  find    a  radial  distribuKon  funcKon  that  describes  the  probability    of  an  electron  as  a  funcKon  of  distance  away  from  the  nucleus  

List,  define  and  describe  the  three  quantum  numbers  for  the    H-­‐atom  wave  funcKons  and  know  what  possible  combinaKons  of    quantum  numbers  are  allowed.  

Define  the  atomic  orbital  names  based  on  quantum  numbers