c341 f2011 chapter 1 general chemistry...

31
C341 Fall 2011/Chapter 1 Page 1 of 31 Welcome to C341!! Chapter 1 & 2: Review of General Chemistry What will we do today? 1. Review of the syllabus together. 2. Discuss course structure and textbook. You will use the entire textbook between C341, C342 and C343. 3. Set realistic expectations for work load. 4. Start reviewing general chemistry concepts in chapter 1.

Upload: dinhhanh

Post on 28-Aug-2018

214 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 1 of 31

Welcome to C341!! Chapter 1 & 2:

Review of General Chemistry   What will we do today?  1. Review of the syllabus together. 

2. Discuss course structure and textbook. 

You will use the entire textbook between C341, C342 and C343. 

3. Set realistic expectations for work load. 

4. Start reviewing general chemistry concepts in chapter 1. 

 

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 2 of 31

Pertinent subjects in C117 that lead to success in C341: 

 1. Periodic table; charges on ions and atoms by group 

 2. Types of bonding; ionic versus covalent bonds, e.g. NaOCH3, NaH 

 3. Lewis structures; organic line drawings, understanding ball and stick drawings with wedges and dashes; bond polarity and molecular polarity; functional groups would be nice.  

4. Hybridization, shape, and VSEPR.  

5. Resonance structures with organic molecules, not just carbonate, sulfate and nitrate.  

6. Intermolecular forces, physical properties and solubilities in water versus hydrocarbons. 

 7. Thermochemistry; bond energies, potential energy diagrams and enthalpy changes.   

 8. Kinetics; one‐step versus two‐step reactions, reaction mechanisms and their rate laws.   

9. Equilibrium; equilibrium constants; Le Châtelier’s principle; product‐favored versus reactant‐favored.  

 10. Thermodynamics, ΔG and spontaneity; product‐favored versus 

reactant‐favored.  

 

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 3 of 31

Chapter 1 & 2 outline: 

 1. Lewis Structures for organic compounds 

Line Drawings ‐ drawing organic compounds  

Formal charge  

Resonance, resonance contributors & bond order 

2. Bond Angles & Shapes 

3. Hybridization 

4. Bond Polarity & Molecular Polarity 

Polar & Non‐polar compounds 

5. Intermolecular forces  

6. Predicting physical properties based on intermolecular forces 

7. Predicting solubility based on intermolecular forces 

Solubility of molecules 

8. Functional Groups – may be new material for some people 

 

You should do all the problems within the chapter and at the end of the chapter.  But if you who want to do the minimal amount of work:    Chapter 1:   1.34 (use  line drawings), 1.39, 1.45, 1.46, 1.48, 1.52, 1.53, 1.56 (draw this as a line drawing), 1.61, 1.63, 1.64  Chapter 2:  2.43‐2.50, 2.53, 2.55‐2.58, 2.61, 2.63‐2.66     

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 4 of 31

1. Lewis Dot Structures from Condensed Structural Formulae 

A  Lewis  Structure  depicts  the  structure  of  a  compound  by  its  arrangement  of atoms with its neighbors, bonds that exist, and the presence of lone pairs.    

Molecules share electrons  in order  to achieve a closed shell or a  total of 8 electrons surrounding each atom (octet rule).   

Hydrogen is the only atom who is content with only 2 electrons. 

Don’t forget that third row atoms or lower can exceed an octet, e.g. S and P.   

CH3COCH2NH2 

 

 

 

 

 

  CH3CO2CHCHCH3       

 

CH3CHOHCH2CONHCH2CH3       

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 5 of 31

Line Drawings  Amoxicillin: 

 

 

Estrogen (female steroid):          Zingerone (pungent extract from ginger):  

                   

Capsaicin (you and a neighbor come up with the formula for this):  

 

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 6 of 31

Constitutional Isomers:  Single bonds are axes of rotation to form conformers:  

Constitutional isomers of hexanes:  

      

Draw several constitutional isomers for C4H10O: 

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 7 of 31

Formal Charge    

   

  

 

    

      

   

  

O SN

OOH

N

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 8 of 31

Resonance Structures:    

o Some molecules cannot be adequately represented by a single Lewis structure.   

o Resonance structures are two Lewis structures having the same placement of atoms but a different arrangement of electrons. 

 o Resonance allows certain electron pairs to be delocalized over several atoms, 

and this delocalization adds stability to the molecule.  o A molecule with two or more resonance forms is said to be resonance 

stabilized.  

o Resonance structures are possible if electrons are in conjugation.  Rule 1:   All resonance structures must have the same number of valence e’s.   Rule 2:    The octet rule must be obeyed and not exceeded (esp. for C, O, N,& H).   Rule 3:   Nuclei do not change positions in space between resonance structures.  Rule 4:   Sigma bonds must not be broken and the skeletal structure rearranged.  

Conjugation =       A series of alternating single and multiple bonds with overlapping p orbitals.     

 

 

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 9 of 31

Organic Resonance structures (anions, cations & neutral compounds):  

Recognizing allylic and vinylic positions:  

 Indicate all chlorides as either allylic and vinylic:         Circle all the allylic lone pairs:  

 

Cl

Cl Cl

Cl

Cl

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 10 of 31

 

O

         

        

         

NH

O O

    

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 11 of 31

Common Mistakes   

            

Localized vs. delocalize electrons.   Generally,  lone pars adjacent to a C=C double bond are capable of resonance, but not in this case.  

       

Your turn to practice with a neighbor: 

 

        

O

N

N

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 12 of 31

2.  Bond angles & shapes  VSEPR Theory predicts the MOLECULAR SHAPE & ANGLES  FACT:    Molecules  bond  such  that  all  the  regions  of  electron  density  around  a  central 

atom are as far away from each other as possible.   

Determine the shape, not geometry, for the following atoms:         

N

O O

OO

cocaine

 

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 13 of 31

3.  Hybridization, σ & π‐bonds 

 

Single bonds –   

End‐to‐end overlap of orbitals of two ‘s’ orbitals. 

Electron density is found along the bond axis in between the atoms. 

The first bond between any 2 atoms is always a σ‐bond. 

Multiple bonds –  

Multiple bonds arise from a combination of a σ ‐bond and π–bonds. 

π ‐bonds have their electron density above and below the bond axis. 

π ‐bonds arise from the parallel overlap of unhybridized p orbitals. 

π ‐bonds are weaker than σ‐bonds. 

Two π ‐bonds on the same atom are made in perpendicular planes. 

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 14 of 31

Determine the hybridization for the following atoms: 

 

Co-enzyme Q-10

H3CO

H3CO

O

O

 

 Hybridization of an amide?  

    

 

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 15 of 31

Orbital overlap descriptions: 

   

                          

           

   

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 16 of 31

4.  Bond Polarity & Molecular Polarity  

 

Electronegativity =  The relative ability of an atom to attract electron density to itself during a covalent bond (expressed on a scale relative to “F” being assigned a number of 4.0)   

  

Expressions of bond polarity    

   

 

  

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 17 of 31

Which  of  the  following  bonds  are  polar?   How  do we  illustrate  that  a bond is polar and which direction is the electron density flowing?  

     

    H—Br      C—O      C—H                 O—H       B—H      C—I         

Bond polarity relates to acidity in chapter 3:   

H2B—H     H3C—H    H2N—H     HO—H            H—F 

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 18 of 31

Polar molecules versus non‐polar molecules 

 A. Use electronegativity values to predict bond dipoles (assign δ+ and δ ‐).  B. Use the VSEPR method to predict the molecular shape.  C. From the molecular shape, determine whether bond dipoles cancel to give a 

non‐polar molecule or  combine  to produce  a  resultant dipole moment  for the molecule. 

 Start to learn these organic solvents below (they will be tested on quiz 1/exam 1).    Which are polar and non‐polar?   

O

acetone

O

H N

DMF(dimethyl

formamide)

O

OHacetic acid

CH3

toluenehexanediethyl ether

S

O

DMSOdimethly sulfoxide

H3C C N

acetonitrilemethanol

CH3OH

O

O

THF(tetrahydrofuran)

methylene chlorideCH2Cl2

 

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 19 of 31

Where do you draw the line between polar vs. non‐polar?   

Dielectric constant = the property of a dielectric that determines the electrostatic energy per unit volume for unit potential gradient.               WHAT does that mean?  

What is considered a polar solvent based on dielectric constant?         

Name   Structure   bp, oC   dipole momentdielectric constant  

water   H‐OH   100   1.85   80  

formic acid   100   1.41   58  

diemthyl sulfoxide (DMSO)   189   3.96   47.2  

N,N‐dimethylformamide (DMF)  

153   3.82   38.3  

acetonitrile   81   3.92   36.6  

methanol   CH3‐OH   68   1.70   33  

ethanol   CH3CH2‐OH   78   1.69   24.3  

acetone   56   2.88   20.7  

1‐propanol   CH3CH2CH2‐OH   97   1.68   20.1  

methyl ethyl ketone   80   2.78   18.5  

1‐butanol   CH3CH2CH2CH2‐OH   118   1.66   17.8  

methylene chloride (DCM)  CH2Cl2   40   1.60   9.08  

tetrahydrofuran (THF)   66   1.63   7.52  

acetic acid   118   1.74   6.15  

ethyl acetate   78   1.78   6.02  

diethyl ether   CH3CH2OCH2CH3   35   1.15   4.34  

benzene   80   0   2.28  

carbon tetrachloride   CCl4   76   0   2.24  

hexane   CH3(CH2)4 CH3   69   ‐‐‐‐   2.02  

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 20 of 31

5.  Intermolecular Interactions  

Intramolecular forces (covalent & ionic forces) are strong.  

Intermolecular forces are comparatively weak.  But these intermolecular forces add up to make an “overall” significant contribution to the overall physical property of a substance.  

 Review the types of intermolecular forces:                   Relative strengths 

o H‐bonding (HBA & HBD)      10‐40 kJ/mol o Dipole‐dipole forces (DD)      5‐25 kJ/mol o London dispersion forces (LDF)    0.5‐40 kJ/mol o Induced dipole          2‐10 kJ/mol 

 Compare to:            Relative strengths 

o Ionic             400‐4000 kJ/mol o Covalent            150‐1100 kJ/mol o Metallic            75‐1000 kJ/mol 

  Why is understanding intermolecular forces (IMF) important?  

Solubility in solvents (hydrophobic vs. hydrophilic) 

Physical properties like boiling and melting points (e.g. the stronger the 

intermolecular forces the higher the boiling point) 

Three dimensional structures (consider the tertiary structure of a protein) 

Reactivity between species 

 

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 21 of 31

Non‐polar molecules tend to experience predominately: 

 London Dispersion Forces (a.k.a. van der Waals forces) WEAK, attractive forces between molecules with TEMPORARY DIPOLE.   What dictates extent of LDF?  

  What is polarizability?  Which are more polarizable:  cations or anions?      Compare  the  isomers  of  hexane  –  they  have  the  same  number  of  atoms  and electrons.  Which has higher LDF and why?     

   

     

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 22 of 31

Polar organic molecules tend to experience: 

 Dipole‐dipole forces:  attractive forces between molecules with a PERMANENT DIPOLE.  Demonstrate how acetone exhibits a DD  interaction  (you must understand polar bonds and dipoles first).   

 

  H‐bonding:  an especially strong dipole‐dipole attraction forces between molecules that have X—H bonds (X = O, N, F only).  What are HBA and HBD?  Demonstrate an H‐bonding interaction: 

 

  

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 23 of 31

6.  Predicting physical property trends in organic chemistry  

Work with  your neighbors  to put  the  following  compounds  in order of boiling point.  

    

  Also put in an example of the methyl butyl amine.  

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 24 of 31

7.  Polarity Effects on Solubility (“Like dissolves like”) 

Which would you predict to be soluble in water?        

Which would you predict to be NOT water soluble? 

Which are protic?             

Which are aprotic? 

  

O

acetone

O

H N

DMF(dimethyl

formamide)

O

OHacetic acid

CH3

toluenehexanediethyl ether

S

O

DMSOdimethlysulfoxide

H3C C N

acetonitrilemethanol

CH3OH

O

O

THF(tetrahydrofuran)  

 

 

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 25 of 31

What type of solvent would you use to dissolve cholesterol?     (Ask me now about the 5‐carbon rule…) 

            

  

Micelles:  

HO

H

H

H

cholesterol

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 26 of 31

Predict the solubility of the following molecules:  

  NHO

HO OH

     NH2

ON

O

          Vitamin B6            Novocain (procaine)     

 

OO OH

OH

HO OH     

O

O

5

     Vitamin C              Vitamin K            

O

HO

  HO        Vitamin E              Vitamin D    

       O N

Cl

N

             

H3CHN Cl

Cl

     Valium (diazepam)          Zoloft – antidepressant 

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 27 of 31

8. Functional Groups:   

Organic Chemistry is the study of carbon and the compounds that contain carbon (also contain H, N, O & S) 

 

Organic compounds are organized by classes called functional groups.  

A functional group is an atom or a group of atoms with characteristic chemical and physical properties. It is the reactive part of the molecule. 

 

The different functional groups refer to compounds that have similar properties with similar chemical bonds. 

 

Functional groups differ based on their component heteroatoms or pi‐bonds.  

Heteroatoms have lone pairs and create electron‐deficient sites on carbon.  

Many molecules have several functional groups in one molecule!   

Capsaicin:   

 

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 28 of 31

Hydrocarbons  

Hydrocarbons contain carbons and hydrogens; generic formula of R—H (ask me what the R means).  

Functional group 

Characteristic   Examples

Alkanes   Contains all C—C single bonds 

 

  

Alkenes  Contains at least one C=C double bond 

 

  

Alkynes  Contains at least one C≡C triple bond 

 

  

Arenes  Contains at least one benzene ring 

CH3

NO2

NO2O2N

CH3

Toluene

TNT = trinitrotoluene

Naphthalene = moth ballsOH

NO2

NO2O2N

OH

Phenol

Picric acid = insecticide

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 29 of 31

 

FG  Characteristic   Examples

Alcohol    R—OH    

  Primary (1o)       Secondary (2 o)             Tertiary (3 o) 

Thiol  R—SH   

  

Primary (1o)       Secondary (2 o)             Tertiary (3 o) 

Ether  R—O—R    

  

Thioether  R—S—R 

SSAmines   R—NH2   

 

 

Primary (1o)             Secondary (2 o)    Tertiary (3 o)  

Nitriles  R—C≡N   

  

Alkyl Halides 

R—X,  X = halogen 

     Primary (1o)       Secondary (2 o)             Tertiary (3 o) 

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 30 of 31

Carbonyl containing compounds:  C=O is called a “carbonyl group”  

RC

O

H              RC

O

R                       Aldehyde           Ketone          

    RC

O

OH   RC

O

OR      RC

O

NH2  

Acid chloride  Carboxylic acid          Ester       Amide 

Identify correct functional groups in the following molecules. 

   

C341 Fall 2011/Chapter 1

Page 31 of 31

Working with a neighbor/after class, determine the following:  Functional groups?    Soluble (S) or insoluble (N) in water?   

IMF?   LF (London Forces), DD (dipole‐dipole), HBA (hydrogen bond 

acceptor), and HBD (hydrogen bond donor) as appropriate.     

 CH3

OHO

O

OH  

                                               

  S or N        S or N                       S or N                     S or N   

  LF        LF               LF                            LF        

  DD        DD               DD                DD        

  HBA        HBA               HBA                     HBA        

  HBD        HBD               HBD                     HBD        

  

NH

N

O

O

O

  

                                               

  S or N        S or N                       S or N                     S or N   

  LF        LF               LF                           LF        

  DD        DD               DD                DD        

  HBA        HBA               HBA                     HBA        

  HBD        HBD             HBD                   HBD