inorganic chemistry adv

profileturhab
homework_4.pdf

Chemistry  4161:  Inorganic  Chemistry,  Fall  2014   Problem  set  4  

Due  date:  Tues  November  25     In  class,  we  derived  the  reducible  representation  for  the  3N  degrees  of  freedom  of  the  wa-­‐ ter  molecule,  which  has  C2v  symmetry.  C2v  is  a  particularly  simple  group  as  all  the  irreduci-­‐ ble  representations  are  one-­‐dimensional  (also  known  as  an  Abelian  group),  and  all  the  irre-­‐ ducible  characters  are  +1  or  –1.  In  the  first  two  problems,  we  will  work  through  examples   involving  groups  where  the  irreducible  characters  have  values  other  than  +1  or  –1.     Problem  1:  XeF4  is  a  square  planar  molecule  with  D4h  sym-­‐ metry.  The  molecule  is  oriented  such  that  it  lies  flat  on  the  xy-­‐ plane,  with  the  Xe  at  the  origin  and  each  Xe–F  bond  parallel   to  either  the  x-­‐  or  y-­‐axis.  The  principal  C4  axis  is  aligned  along   the  z-­‐axis.  The  atoms  are  numbered  as  indicated  on  the  figure   to  the  right.   Consider  a  reducible  representation  involving  the  set  of  (xi,  yi,   zi)  coordinates  centered  on  each  atom  i,  for  a  total  of  5  ×  3  =   15  basis  functions.  We  order  these  as:  (x1,  y1,  z1,  x2,  y2,  z2,  x3,   y3,  z3,  x4,  y4,  z4,  x5,  y5,  z5).  In  this  representation,  each  operator   of  the  D4h  group  is  a  15  ×  15  matrix.  However,  we  can  view  the  15  ×  15  matrix  as  a  set  of  3  ×   3  sub-­‐blocks  arranged  in  a  5  ×  5  array.  

1a:  For  the  C4  operator  (counterclockwise  90°  rotation  about  the  z-­‐axis),  mark  with  an   “x”  to  indicate  the  sub-­‐blocks  that  contain  non-­‐zero  elements  in  the  5  ×  5  array  below.  

           

         

         

         

         

  1b:  Write  the  individual  matrix  elements  for  only  the  3  ×  3  sub-­‐block(s)  that  lie  on  the   diagonal  in  the  above  array.   1c:  Determine  the  reducible  character  of  the  C4  operator.   1d:  For  the  S4  operator  (4-­‐fold  improper  rotation  about  the  z-­‐axis),  write  the  individual   matrix  elements  for  only  the  3  ×  3  sub-­‐block(s)  that  lie  on  the  diagonal.  Determine  the   reducible  character  of  the  S4  operator.   1e:  State  a  simple  rule  for  determining  the  contributions  to  the  character  when  one  co-­‐ ordinate  is  transformed  to  another  coordinate.    

 

     

CHEM  4161  Fall  2014     Problem  Set  4  2  

Problem  2:  NH3  is  a  trigonal  pyramidal  molecule  with  C3v  symmetry.  The  molecule  is  ori-­‐ ented  such  that  the  principal  C3  axis  is  aligned  along  the  z-­‐axis.   Consider  a  reducible  representation  involving  the  set  of  (xi,  yi,  zi)  coordinates  centered  on   each  atom  i,  for  a  total  of  4  ×  3  =  12  basis  functions.  In  this  representation,  each  operator  of   the  C3v  group  is  a  12  ×  12  matrix.  Similar  to  Problem  1,  we  can  view  each  12  ×  12  matrix  as   a  set  of  3  ×  3  sub-­‐blocks  arranged  in  a  4  ×  4  array.  

2a:  For  the  C3  operator  (counterclockwise  120°  rotation  about  the  z-­‐axis),  write  the  in-­‐ dividual  matrix  elements  for  only  the  3  ×  3  sub-­‐block(s)  that  lie  on  the  diagonal.  Deter-­‐ mine  the  reducible  character  of  the  C3  operator.   2b:  Determine  the  reducible  representation  Γ.   2c:  Reduce  Γ  to  its  irreducible  representations.  Do  the  total  degrees  of  freedom  equal   3N?  Note  that  each  two-­‐dimensional  irreducible  representation  E  counts  as  two  degrees   of  freedom.   2d:  Subtract  out  the  translational  and  rotational  degrees  of  freedom  from  Part  2c  to  ob-­‐ tain  the  irreducible  representations  of  the  normal  modes.  Indicate  which  modes  are  in-­‐ frared  active.  

  Problem  3:  White  phosphorus  is  a  form  of  elemental  phosphorus  that  is  important  for  syn-­‐ thetic  applications.  It  consists  of  tetrahedral  P4  molecules,  where  each  P  atom  is  arranged   on  the  vertices  of  a  tetrahedron  and  bonded  to  three  other  P  atoms.  In  contrast,  tetrahedral   As4  is  unstable,  even  though  As  is  only  one  element  below  P  on  the  periodic  table.   AsP3  has  been  isolated  at  ambient  temperature,  and  a  tetrahedral  structure  where  an  As   replaces  a  P  at  one  vertex  of  the  tetrahedron  has  been  proposed  [B.M.  Cossairt,  M.-­‐C.  Di-­‐ awara,  and  C.C.  Cummins,  Science  323,  602  (2009)].  The  Raman  spectrum  of  AsP3  exhibits   four  peaks  at  313  cm–1,  345  cm–1,  428  cm–1,  and  557  cm–1.  

3a:  Sketch  the  proposed  AsP3  structure.  What  is  its  molecular  point  group?   3b:  Consider  a  reducible  representation  involving  the  set  of  (xi,  yi,  zi)  coordinates  cen-­‐ tered  on  each  atom  i.  Determine  the  characters  of  this  reducible  representation  Γ.   3c:  Carry  out  the  reduction  of  Γ  in  Part  3b  to  its  irreducible  representations.  Do  the  to-­‐ tal  degrees  of  freedom  equal  3N?   3d:  Subtract  out  the  translational  and  rotational  degrees  of  freedom  from  Part  3c  to  ob-­‐ tain  the  irreducible  representations  of  the  normal  modes.  Indicate  which  modes  are   Raman  active.  Is  the  observed  Raman  spectrum  consistent  with  the  proposed  structure?   Note  that  a  mode  with  E  symmetry  is  doubly  degenerate,  meaning  that  it  is  actually  two   vibrations  with  the  same  energy,  thus  appearing  as  a  single  peak  in  a  spectrum.  

   

     

CHEM  4161  Fall  2014     Problem  Set  4  3  

Problem  4:  Consider  the  cis  and  trans  isomers  of  Fe(CO)4Cl2,  whose  structures  are  given   below:  

  Determine  the  number  of  C–O  stretching  peaks  in  the  infrared  spectrum  of  each  isomer.   Can  the  infrared  spectra  distinguish  between  the  two  isomers?  Note  that  a  mode  with  E   symmetry  is  doubly  degenerate,  meaning  that  it  is  actually  two  vibrations  with  the  same   energy,  thus  appearing  as  a  single  peak  in  a  spectrum.  For  the  purpose  of  determining  the   infrared-­‐active  modes,  it  is  sufficient  to  consider  only  the  irreducible  representations  that   are  infrared-­‐active.    

                                       cis-­‐Fe(CO)4Cl2                          trans-­‐Fe(CO)4Cl2