Spectroscopy reads molecules by the light they absorb or the fragments they break into. This unit covers the Index of Hydrogen Deficiency, atomic spectra, UV–visible spectroscopy (electronic transitions), infrared spectroscopy (functional groups from absorption ranges), and mass spectrometry (molecular mass, fragmentation, and isotope patterns for Cl and Br).
اسپیکٹروسکوپی مالیکیولز کو ان کی جذب کردہ روشنی یا ٹوٹنے والے ٹکڑوں سے پڑھتی ہے۔ اس یونٹ میں IHD، ایٹمک اسپیکٹرم، UV–وزبل، انفراریڈ اور ماس اسپیکٹرومیٹری شامل ہیں۔
The Index of Hydrogen Deficiency (IHD) counts the rings plus multiple bonds in a formula: IHD = (2C + 2 + N − H − X) ÷ 2 (for a formula CcHhNnXx). Each ring or double bond adds 1; each triple bond adds 2.
Examples: C₄H₆ → IHD = (8 + 2 − 6) ÷ 2 = 2 (two rings/double bonds, one of each, or one triple bond). But-1-ene C₄H₈ → IHD = 1 (one double bond). Buta-1,3-diene C₄H₆ → IHD = 2 (two double bonds). Benzene C₆H₆ → IHD = 4 (one ring + three double bonds).
IHD فارمولے میں رنگز اور ملٹیپل بانڈز گنتا ہے: IHD = (2C + 2 + N − H − X) ÷ 2۔ ہر رنگ یا ڈبل بانڈ 1 کا اضافہ کرتا ہے؛ ہر ٹرپل بانڈ 2 کا۔
مثالیں: C₄H₆ → IHD = 2۔ بیوٹ-1-این C₄H₈ → IHD = 1۔ بیوٹا-1,3-ڈائی این C₄H₆ → IHD = 2۔ بینزین C₆H₆ → IHD = 4۔
Electrons live in fixed energy levels. When an electron absorbs exactly the right energy it jumps to a higher level; when it falls back, it emits that energy as light. Emission spectra show bright lines at the emitted wavelengths; absorption spectra show dark lines where light of those wavelengths was absorbed.
Because energy levels are unique to each element, the line pattern is a fingerprint — that is how the composition of stars and unknown samples is identified. The two types of atomic spectrum are therefore: emission (bright lines on dark background) and absorption (dark lines on a continuous bright background).
الیکٹرانز مقررہ انرجی لیولز میں رہتے ہیں۔ جب الیکٹران درست توانائی جذب کرتا ہے تو اوپر جاتا ہے؛ واپس گرتے ہوئے وہ توانائی روشنی کی صورت میں خارج کرتا ہے۔ ایمیشن اسپیکٹرم میں روشن لکیریں، ایبزورپشن اسپیکٹرم میں سیاہ لکیریں نظر آتی ہیں۔
ہر ایلیمنٹ کے انرجی لیولز منفرد ہیں، اس لیے لائنوں کا پیٹرن فنگر پرنٹ ہے — اسی سے ستاروں اور نامعلوم نمونوں کی ساخت پہچانی جاتی ہے۔
In UV–visible spectroscopy, molecules absorb UV or visible light and electrons jump between molecular orbitals. Possible transitions: σ → σ* (highest energy, in the vacuum-UV/UV region), n → σ*, π → π* and n → π* (lowest energy). For a compound with molecular formula C₄H₈ (an alkene, no non-bonding electrons), the transition possible in the UV–visible region is π → π*.
Conjugation matters: the more conjugated a system, the longer the wavelength of maximum absorption (λmax). Buta-1,3-diene (conjugated) has a higher λmax than but-1-ene (isolated double bond) — qualitatively, the diene absorbs at longer wavelength. Comparing two diene isomers: the one with the longer conjugated system (ring double bond conjugated with the diene chain) absorbs at longer wavelength than the one with an isolated diene separated by a CH₂ group.
UV–وزبل اسپیکٹروسکوپی میں مالیکیولز روشنی جذب کر کے الیکٹرانز کو مالیکیولر آربیٹلز کے درمیان منتقل کرتے ہیں۔ ممکنہ ٹرانزیشنز: σ → σ* (سب سے زیادہ توانائی)، n → σ*، π → π*، n → π* (سب سے کم توانائی)۔
کنجوگیشن اہم ہے: جتنا زیادہ کنجوگیٹڈ سسٹم، اتنا ہی لمبا λmax۔ بیوٹا-1,3-ڈائی این (کنجوگیٹڈ) کا λmax بیوٹ-1-این (اکیلا ڈبل بانڈ) سے زیادہ ہوتا ہے۔
Infrared (IR) spectroscopy detects vibrations of bonds: a bond absorbs IR radiation at a characteristic wavenumber, so the spectrum identifies functional groups. Key ranges: O–H (alcohol, broad, ~3300 cm⁻¹), O–H (carboxylic acid, very broad, 2500–3300 cm⁻¹), C=O (aldehyde/ketone ~1715 cm⁻¹; carboxylic acid ~1700 cm⁻¹), C–H (~2900–3000 cm⁻¹), C=C (~1650 cm⁻¹).
Worked identifications: an IR spectrum with a broad O–H band around 3300 cm⁻¹ (labelled X) and a C=O band near 1700 cm⁻¹ (labelled Y) is a carboxylic acid — of the exercise options, propanoic acid fits (pentan-1-ol has O–H but no C=O; 4-hydroxybutanone has O–H and C=O but the broad acid O–H shape points to the acid). Distinguishing isomers: cyclopentanone (A) shows a C=O peak near 1715 cm⁻¹ and no O–H band; cyclopentanol (B) shows a broad O–H band near 3300 cm⁻¹ and no C=O peak.
انفراریڈ اسپیکٹروسکوپی بانڈز کی وائبریشن سے فنکشنل گروپز پہچانتی ہے۔ اہم رینجز: O–H (الکحل، چوڑا، ~3300 cm⁻¹)، O–H (کاربوکسلک ایسڈ، بہت چوڑا، 2500–3300 cm⁻¹)، C=O (~1700 cm⁻¹)، C–H (~2900 cm⁻¹)۔
مثال: چوڑا O–H بینڈ + C=O بینڈ = کاربوکسلک ایسڈ۔ سائیکلوپینٹانون میں C=O ہے، O–H نہیں؛ سائیکلوپینٹانول میں O–H ہے، C=O نہیں۔
Mass spectrometry vaporises a sample, ionises it (usually by electron impact), and sorts the ions by mass/charge (m/e). The molecular ion peak (M⁺) gives the molecular mass. Fragmentation breaks the molecular ion into smaller ions whose m/e values reveal the structure: e.g. for butan-1-ol, a fragment at m/e 17 is OH⁺, and other expected fragments are CH₃⁺ (15), C₂H₅⁺ (29), C₃H₇⁺ (43) and CH₂OH⁺ (31).
Isotope patterns: chlorine has two isotopes (³⁵Cl : ³⁷Cl ≈ 3:1), so a compound with one Cl atom shows M and M+2 peaks in a 3:1 ratio (for CH₃Cl: m/e 50 and 52). Bromine has two near-equal isotopes (⁷⁹Br : ⁸¹Br ≈ 1:1), so a compound with one Br atom shows M and M+2 peaks of equal height (for CH₃Br: m/e 94 and 96). This is how mass spectrometry determines isotopic masses and average atomic masses: from the m/e values and their relative abundances.
ماس اسپیکٹرومیٹری نمونے کو بخارات بنا کر آئنائز کرتی ہے اور آئنز کو m/e کے حساب سے الگ کرتی ہے۔ مالیکیولر آئن پیک (M⁺) مالیکیولر ماس بتاتا ہے۔ فریگمنٹیشن سے ساخت کا پتہ چلتا ہے: بیوٹین-1-اول میں m/e 17 = OH⁺، اور CH₃⁺ (15)، C₂H₅⁺ (29)، C₃H₇⁺ (43) بھی ملتے ہیں۔
آئسوٹوپ پیٹرن: کلورین (³⁵Cl:³⁷Cl ≈ 3:1) سے M اور M+2 پیکس 3:1 تناسب میں؛ برومین (⁷⁹Br:⁸¹Br ≈ 1:1) سے برابر اونچائی کے پیکس۔
یہ exercise کتاب کے printed pages 183–198 سے لی گئی ہے — تمام سوال کتاب کے اپنے ہیں, جواب کے ساتھ: Multiple Choice (6), Short Answer (4), Constructed Response (2) اور Descriptive (3). اس chapter کی exercise کے چاروں حصے یہاں موجود ہیں; کوئی سوال invent نہیں کیا گیا.
1. Which of the following compounds could produce the IR spectrum shown below? (broad O–H band near 3300 cm⁻¹ and C=O band near 1700 cm⁻¹)
Answer: (a) The combination of a very broad O–H band and a C=O band is characteristic of a carboxylic acid: propanoic acid. جواب: چوڑا O–H بینڈ + C=O بینڈ = کاربوکسلک ایسڈ: پروپینوئک ایسڈ۔
2. What is the wavelength range of the UV spectrum?
Answer: (a) NOTE: the standard UV range is about 200–400 nm, and none of the printed options states it exactly. Option (a) (100–500 nm) is the closest, as it spans the UV region; option (b) (200–800 nm) is the combined UV–visible range of a typical spectrophotometer. جواب: نوٹ: معیاری UV رینج تقریباً 200–400 nm ہے، جو کسی آپشن میں نہیں؛ (a) قریب ترین ہے۔
3. The λ of σ to σ* transitions lies in the:
Answer: (c) σ → σ* needs the highest energy, in the (vacuum) UV region. جواب: σ → σ* کو سب سے زیادہ توانائی چاہیے — UV ریجن۔
4. The types of transitions possible in UV-visible region for a compound with molecular formula C₄H₈ are:
Answer: (d) C₄H₈ (an alkene) has π electrons but no non-bonding electrons; σ → σ* needs vacuum-UV energy beyond the UV–visible region. جواب: C₄H₈ میں π الیکٹرانز ہیں، نان بانڈنگ نہیں — UV–وزبل میں π → π* ممکن ہے۔
5. What is index of hydrogen deficiency of C₄H₆?
Answer: (b) IHD = (2×4 + 2 − 6) ÷ 2 = 2. جواب: IHD = (8 + 2 − 6) ÷ 2 = 2۔
6. Which of the following statements about the mass spectrum of CH₃Cl is correct?
Answer: (c) NOTE: as printed, none of the options is correct. The true spectrum of CH₃Cl has molecular-ion peaks at m/e 50 (CH₃³⁵Cl⁺) and 52 (CH₃³⁷Cl⁺) in a 3:1 abundance ratio (³⁵Cl:³⁷Cl ≈ 3:1), not 1:1. Option (c) has the right m/e values but the wrong ratio; it is the closest option. جواب: نوٹ: درست اسپیکٹرم میں m/e 50 اور 52 پر پیکس 3:1 تناسب میں ہوتے ہیں، 1:1 نہیں — کتاب کے آپشنز میں یہ تناسب درست نہیں لکھا۔
Answer: i) m/e 17 = OH⁺. ii) CH₃⁺ at m/e 15 and C₂H₅⁺ at m/e 29 (also acceptable: C₃H₇⁺ at 43, CH₂OH⁺ at 31). جواب: i) m/e 17 = OH⁺۔ ii) CH₃⁺ (15) اور C₂H₅⁺ (29)۔
Answer: X (broad band near 3300 cm⁻¹) = O–H stretching (carboxylic acid O–H, very broad 2500–3300 cm⁻¹). Y (band near 1700 cm⁻¹) = C=O stretching. Together they identify a carboxylic acid. جواب: X = O–H اسٹریچنگ، Y = C=O اسٹریچنگ — مجموعی طور پر کاربوکسلک ایسڈ۔
Answer: A (cyclopentanone) shows a strong C=O absorption near 1715 cm⁻¹ and no O–H band. B (cyclopentanol) shows a broad O–H band near 3300 cm⁻¹ and no C=O band. The presence/absence of these two bands distinguishes them. جواب: A میں C=O (~1715 cm⁻¹) ہے، O–H نہیں۔ B میں O–H (~3300 cm⁻¹) ہے، C=O نہیں۔
Answer: i) But-1-ene: IHD = 1 (one double bond). Buta-1,3-diene: IHD = 2 (two double bonds). ii) The conjugated diene absorbs at a longer wavelength (higher λmax) than the isolated alkene, because conjugation lowers the π → π* energy gap. جواب: i) بیوٹ-1-این: IHD = 1؛ بیوٹا-1,3-ڈائی این: IHD = 2۔ ii) کنجوگیٹڈ ڈائی این کا λmax زیادہ (لمبی ویولنتھ) ہوتا ہے۔
Answer: Moles: C = 88.89/12 = 7.41; H = 11.11/1 = 11.11; ratio C:H = 1:1.5 = 2:3 → empirical formula C₂H₃ (mass 27). Molecular mass 54 → molecular formula C₄H₆. IHD = 2. Reaction with H₂ in 1:2 ratio means two π bonds are hydrogenated. Compound X = buta-1,3-diene, CH₂=CH–CH=CH₂ — a known carcinogenic vehicle-exhaust pollutant. جواب: ایمپیریکل فارمولا C₂H₃، مالیکیولر ماس 54 → C₄H₆، IHD = 2، دو π بانڈز → بیوٹا-1,3-ڈائی این۔
Answer: The conjugated system (i) has a longer conjugated path, so its π → π* gap is smaller and its λmax is at a longer wavelength (and absorption is more intense) than the isolated system (ii), where the ring double bond is separated from the diene by a CH₂ group and does not extend the conjugation. جواب: کنجوگیٹڈ سسٹم (i) کا λmax لمبی ویولنتھ پر ہوتا ہے؛ (ii) میں CH₂ گروپ کنجوگیشن توڑ دیتا ہے۔
Answer: σ → σ* (highest energy, vacuum UV), σ → π*, π → σ*, π → π* (UV–visible, conjugated systems), n → σ* and n → π* (lowest energy, lone pairs on O/N). Only transitions whose energy matches the absorbed light occur; the observed spectrum is dominated by the lowest-energy accessible transitions (π → π* and n → π*). جواب: σ → σ* (سب سے زیادہ توانائی)، π → π*، n → σ*، n → π* (سب سے کم توانائی)۔
Answer: Emission spectrum: excited atoms emit light as electrons fall to lower levels, giving bright lines on a dark background. Absorption spectrum: atoms absorb light of exactly the energies needed to promote electrons, giving dark lines on a continuous bright background. Both are line spectra, unique to each element. جواب: ایمیشن: روشن لکیریں (الیکٹران نیچے گرتا ہے)۔ ایبزورپشن: سیاہ لکیریں (الیکٹران اوپر جاتا ہے)۔
Answer: The mass spectrometer separates ions by m/e and records relative abundances. For chlorine, peaks at m/e 35 and 37 (from CH₃Cl: 50 and 52) in a 3:1 ratio give the isotopic masses 35 and 37 and their abundances (75% and 25%). Average atomic mass = (35 × 75 + 37 × 25) ÷ 100 = 35.5. The same method works for bromine (79 and 81, ~1:1 → average ≈ 80). جواب: m/e اور نسبتاً مقدار سے آئسوٹوپک ماس اور اوسط ایٹمک ماس نکالا جاتا ہے: کلورین کے لیے (35×75 + 37×25) ÷ 100 = 35.5۔
Spectroscopy-1 — The Index of Hydrogen Deficiency (IHD) counts the rings plus multiple bonds in a formula: IHD = (2C + 2 + N − H − X) ÷ 2 (for a formula CcHhNnXx). Electrons live in fixed energy levels. When an electron absorbs exactly the right energy it jumps to a higher level; when it falls back, it emits that energy as light. Emission spectra show bright lines at the emitted wavelengths; absorptio In UV–visible spectroscopy, molecules absorb UV or visible light and electrons jump between molecular orbitals. Infrared (IR) spectroscopy detects vibrations of bonds: a bond absorbs IR radiation at a characteristic wavenumber, so the spectrum identifies functional groups. Mass spectrometry vaporises a sample, ionises it (usually by electron impact), and sorts the ions by mass/charge (m/e).
Revision guidance: پہلے 6 MCQs خود حل کرو, پھر جواب ملاؤ; short اور constructed-response سوالوں کو اپنے الفاظ میں لکھ کر practice کرو; descriptive سوالوں (3) کے لیے ہر section کی headings یاد رکھو. جو formula یا equation اس chapter میں ہے, اسے لکھ کر یاد کرو — رٹا نہیں, سمجھ کر.
IHD فارمولے میں رنگز اور ملٹیپل بانڈز گنتا ہے: IHD = (2C + 2 + N − H − X) ÷ 2۔ ہر رنگ یا ڈبل بانڈ 1 کا اضافہ کرتا ہے؛ ہر ٹرپل بانڈ 2 کا۔مثالیں: C₄H₆ → IHD = 2۔ بیوٹ-1-این C₄H₈ → IHD = 1۔ بیوٹا-1,3-ڈائی این C₄H₆ → IHD = 2۔ بینزین C₆H₆ → IHD الیکٹرانز مقررہ انرجی لیولز میں رہتے ہیں۔ جب الیکٹران درست توانائی جذب کرتا ہے تو اوپر جاتا ہے؛ واپس گرتے ہوئے وہ توانائی روشنی کی صورت میں خارج کرتا ہے۔ ایمیشن اسپیکٹرم میں روشن لکیریں، ایبزورپشن اسپیکٹرم میں سیاہ لکیریں نظر آتی ہیں۔ہر ایل UV–وزبل اسپیکٹروسکوپی میں مالیکیولز روشنی جذب کر کے الیکٹرانز کو مالیکیولر آربیٹلز کے درمیان منتقل کرتے ہیں۔ ممکنہ ٹرانزیشنز: σ → σ* (سب سے زیادہ توانائی)، n → σ*، π → π*، n → π* (سب سے کم توانائی)۔کنجوگیشن اہم ہے: جتنا زیادہ کنجوگیٹڈ سسٹم، انفراریڈ اسپیکٹروسکوپی بانڈز کی وائبریشن سے فنکشنل گروپز پہچانتی ہے۔ اہم رینجز: O–H (الکحل، چوڑا، ~3300 cm⁻¹)، O–H (کاربوکسلک ایسڈ، بہت چوڑا، 2500–3300 cm⁻¹)، C=O (~1700 cm⁻¹)، C–H (~2900 cm⁻¹)۔مثال: چوڑا O–H بینڈ + C=O بینڈ = کاربوکسلک ایس ماس اسپیکٹرومیٹری نمونے کو بخارات بنا کر آئنائز کرتی ہے اور آئنز کو m/e کے حساب سے الگ کرتی ہے۔ مالیکیولر آئن پیک (M⁺) مالیکیولر ماس بتاتا ہے۔ فریگمنٹیشن سے ساخت کا پتہ چلتا ہے: بیوٹین-1-اول میں m/e 17 = OH⁺، اور CH₃⁺ (15)، C₂H₅⁺ (29)، C₃H₇
اس باب کے موضوعات: ہائیڈروجن ڈیفیشنسی کا انڈیکس (IHD) · ایٹمک اسپیکٹرم: ایمیشن اور ایبزورپشن · UV–وزبل اسپیکٹروسکوپی اور الیکٹرانک ٹرانزیشنز · انفراریڈ اسپیکٹروسکوپی: فنکشنل گروپز · ماس اسپیکٹرومیٹری: آئنز، ٹکڑے اور آئسوٹوپس · مشق
رہنمائی: پہلے MCQs خود حل کریں، پھر جوابات سے ملائیں؛ مختصر اور تعمیری سوالات اپنے الفاظ میں لکھ کر پریکٹس کریں۔
Chapter-wise tests, fresh random papers اور instant score کے لیے PunjabTest.com کا میں test section دیکھو:
PunjabTest.com — Complete Guide Book • FSc Part 2 Chemistry, Chapter 29 (PECTAA New Book, Session 2026–27) • English + Urdu