review in chm11-3/2 concepts

139
REVIEW OF CONCEPTS IN CHM113/112

Upload: paul-maynard

Post on 26-Dec-2015

12 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

Review in CHM11-3/2 Concepts

TRANSCRIPT

Page 1: Review in CHM11-3/2 Concepts

REVIEW  OF  CONCEPTS  IN  CHM11-­‐3/11-­‐2  

Page 2: Review in CHM11-3/2 Concepts

Scien&st  and  their  Important  Discovery  in  Atomic  Structure  

Scien&st   Discovery  John  Dalton   Atom,     3   Fundamental   Laws   of  

Science  J.J  Thomson   Mass/charge   raLo   of   Electron    

( -­‐ 5 . 6   x   1 0 -­‐ 9     g / C )   u s i n g  CATHODE  RAY  TUBE  

Robert  Millikan   Charge   of   electron   (-­‐1.602   x   10-­‐19      C)  using  Oil  Drop  Experiment  

Eugene  Goldstein   Proton  through  Canal  Ray  Tube  James  Chadwick   Neutrons   using   α-­‐parLcle   at   Be  

atom  Ernest  Rutherford   N u c l e u s   u s i n g  

Gold  Foil  Experiment  

Page 3: Review in CHM11-3/2 Concepts

ATOMIC  STRUCTURE  Dalton’s  Atomic  Theory  •  An  element  is  composed  of  Lny  parLcles  called  atoms  – All  atoms  of  the  same  element  have  the  same  chemical  properLes  

•  In  an  ordinary  chemical  reacLon  – There  is  a  change  in  the  way  atoms  are  combined  with  each  other  

– Atoms  are  not  created  or  destroyed  •  Compounds  are  formed  when  two  or  more  atoms  of  different  element  combine  

Page 4: Review in CHM11-3/2 Concepts

Fundamental  Laws  of  Ma^er  

•  There  are  three  fundamental  laws  of  ma^er  – Law  of  conservaLon  of  mass  

•  Ma^er  is  conserved  in  chemical  reacLons  

– Law  of  constant  composiLon  •  Pure  water  has  the  same  composiLon  everywhere  

– Law  of  mulLple  proporLons  •  Compare  Cr2O3  to  CrO3  

•  The  raLo  of  Cr:O  between  the  two  compounds  is  a  small  whole  number  

Page 5: Review in CHM11-3/2 Concepts

Subatomic Particles

Page 6: Review in CHM11-3/2 Concepts

Cathode Ray Tube

Page 7: Review in CHM11-3/2 Concepts

Millikan  (1911)  studied  electrically-­‐charged  oil  drops.      

Page 8: Review in CHM11-3/2 Concepts

Charge  on  each  droplet  was:                  n  (−1.60  x  10-­‐19  C)      with  n  =  1,  2,  3,…                  n  (e-­‐  charge)      

 Modern  value  =  −1.60217653  x  10-­‐19  C.                  =  −1  “atomic  units”.  

These  experiments  give:  

Modern  value  =  9.1093826  x  10-­‐28  g    

Note:      1  amu  =  1.6605  x  10-­‐24    g  

=  (-­‐1.60  x  10-­‐19  C)(-­‐5.60  x  10-­‐9  g/C)   =  8.96  x  10-­‐28  g  

me  =  charge  x  mass  charge  

Page 9: Review in CHM11-3/2 Concepts

©  2008  Brooks/Cole  

Protons Atoms  gain  a  posiLve  charge  when  e-­‐  are  lost.  Implies  a  posiLve  fundamental  parLcle.  

Hydrogen  ions  had  the  lowest  mass.  • Hydrogen  nuclei  assumed  to  have  “unit  mass”  •  Called  protons.  

Modern  science:  mp  =  1.67262129  x  10-­‐24  g                                                          mp  ≈  1800  x  me.  Charge  =  -­‐1  x  (e-­‐  charge).                            =  +1.602176462  x  10-­‐19  C  =  +1  atomic  units  

Page 10: Review in CHM11-3/2 Concepts

CANAL  RAY  TUBE  

Page 11: Review in CHM11-3/2 Concepts

©  2008  Brooks/Cole  

Neutrons  Atomic  mass  >  mass  of  all  p+  and  e-­‐  in  an  atom.  Rutherford  proposed  a  neutral  parLcle.  

                                   mn  ≈  mp  (0.1%  larger).                                      mn  =  1.67492728  x  10-­‐24  g.  

Present  in  all  atoms  (except  normal  H).  

Chadwick  (1932)  fired  α-­‐parLcles  at  Be  atoms.  Neutral  parLcles,  neutrons,  were  ejected:  

Page 12: Review in CHM11-3/2 Concepts

The Nucleus •  Ernest  Rutherford,  1911  •  Bombardment  of  gold  foil  with  α  parLcles  (helium  atoms  minus  their  electrons  – Expected  to  see  the  parLcles  pass  through  the  foil  – Found  that  some  of  the  alpha  parLcles  were  deflected  by  the  foil  

– Led  to  the  discovery  of  a  region  of  heavy  mass  at  the  center  of  the  atom  

Page 13: Review in CHM11-3/2 Concepts
Page 14: Review in CHM11-3/2 Concepts

Nuclear  symbolism  

•  A  is  the  mass  number  •  Z  is  the  atomic  number  •  X  is  the  chemical  symbol  XAZ

Page 15: Review in CHM11-3/2 Concepts

Same  element  -­‐  same  number  of  p+  Atomic  number  (Z)  =  number  of  p+  

1  amu  =  1.66054  x  10-­‐24  g  

ParLcle      Mass                Mass                    Charge                (g)                          (amu)                    (atomic  units)  

       e−        9.1093826      x  10-­‐28                      0.000548579                        −1          p+      1.67262129  x  10-­‐24                            1.00728                        +1          n0        1.67492728  x  10-­‐24                    1.00866                  0  

Atomic  Numbers  &  Mass  Numbers  

Atomic  mass  unit  (amu)  =                        (mass  of  C  atom)  that              contains  6  p+  and  6  

n0.  

1  12  

Page 16: Review in CHM11-3/2 Concepts

For  most  elements,  the  percent  abundance  of  its  isotopes  are  constant  (everywhere  on  earth).    The  periodic  table  lists  an  average  atomic  weight.  

Example  1.  Naturally  occurring  chromium  consists  of  four  isotopes.    It  is  4.31%    2450Cr,    mass  =  49.946  amu,  83.76%  2452Cr,  mass  =  51.941  amu,  9.55%  2453Cr,  mass  =  52.941  amu,  and  2.38%  2454Cr,  mass  =  53.939  amu.    Calculate  the  atomic  weight  of  chromium.  

Atomic  mass  =  Σ(fracLonal  abundance)(isotope  mass)  

Page 17: Review in CHM11-3/2 Concepts

Quantum  Theory  and  Atomic  Structure  

 The  Nature  of  Light  

Atomic  Spectra  

The  Wave-­‐Par&cle  Duality  of  MaBer  and  Energy  

The  Quantum-­‐Mechanical  Model  of  the  Atom  

Page 18: Review in CHM11-3/2 Concepts

•  All  types  (“colors”)  have  the  same  velocity  (through  a  vacuum).  – c  =  speed  of  light  =  2.99792458  x  108  ms-­‐1  (exact)  

•  OscillaLng  electric  and  magneLc  fields.  

Electric  field  

MagneLc  field  

•  Traveling  wave  § moves  through  space  like  the  ripples  on  a  pond

ElectromagneLc  RadiaLon  and  Ma^er  EM  RadiaLon  

Page 19: Review in CHM11-3/2 Concepts

Wavelength, λ  Distance  between  crests.  Length  units  (m,  cm,  nm).  

distance  

λ

Amplitu

de  

0  

-­‐  

+  

Amplitude  Top  to  bo^om  distance.  

Frequency,  ν  =  number  of  crests  passing  a  fixed  point  per  unit  Lme.    Inverse  Lme  units  (s-­‐1).  

       1  hertz  (1  Hz)  =  1  s-­‐1  νλ  =  c  

ElectromagneLc  RadiaLon  and  Ma^er  

Page 20: Review in CHM11-3/2 Concepts

γ-­‐rays   X-­‐rays   UV   IR   Microwave   Radiowave  FM                  AM   Long  radio  waves  

Frequency  (Hz)            1024                  1022                1020                  1018                1016                  1014                1012                1010                  108                    106                    104                    102                    100    

       10-­‐16              10-­‐14                10-­‐12            10-­‐10                      10-­‐8                  10-­‐6                10-­‐4                10-­‐2                    100                    102                    104                    106                    108  Wavelength  (m)  

400     450        500      550      600      650      700  Wavelength  (nm)  

Bacterial      Animal  Thickness      Width        Dog        cell                      cell            of  a  CD        of  a  CD  

Atom          Virus  

Visible  light  is  a    very  small  porLon  

 of  the  enLre  spectrum  

E  increases  from  radio  waves  (low  ν, long  λ)    to  gamma  rays  (high  ν,  short  λ)  

ElectromagneLc  RadiaLon  and  Ma^er  

Page 21: Review in CHM11-3/2 Concepts

Regions  of  the  electromagne&c  spectrum.  

Page 22: Review in CHM11-3/2 Concepts

ElectromagneLc  RadiaLon  

•  In  1900  Max  Planck  studied  black  body  radiaLon  and  realized  that  to  explain  the  energy  spectrum  he  had  to  assume  that:  1.  energy  is  quanLzed  2.  light  has  parLcle  character  

•  Planck’s  equaLon  is  

22  

sJ 10x 6.626 constant s Planck’ h

hc or E h E

34- ⋅==

==λ

ν

Page 23: Review in CHM11-3/2 Concepts

Heated  solid  objects  emit  visible  light  •  Intensity  and  color  distribuLon  depend  on  T  

Increasing  filament  T  

Planck’s  Quantum  Theory  

Page 24: Review in CHM11-3/2 Concepts

24  

The  Photoelectric  Effect  

•  Light  can  strike  the  surface  of  some  metals  causing  an  electron  to  be  ejected.  

 

Page 25: Review in CHM11-3/2 Concepts

An  anode  (+)  a^racts  e-­‐.  Current  is  measured.  

vacuum  

Anode  (+)  

Metal  cathode  (-­‐)  

window  

“Light”  can  cause  ejecLon  of  e-­‐  from  a  metal  surface.  

The  Photoelectric  Effect  

Page 26: Review in CHM11-3/2 Concepts

26  

The  Photoelectric  Effect  

•  What  are  some  pracLcal  uses  of  the  photoelectric  effect?  – Electronic  door  openers  – Light  switches  for  street  lights  – Exposure  meters  for  cameras  

•  Albert  Einstein  explained  the  photoelectric  effect  – ExplanaLon  involved  light  having  parLcle-­‐like  behavior.  

– Einstein  won  the  1921  Nobel  Prize  in  Physics  for  this  work.  

Page 27: Review in CHM11-3/2 Concepts

The  Bohr  Model  of  the  Hydrogen  Atom  •  Heated  solid  objects  emit  con(nuous  spectra.  •  Excited  atomic  gases  emit  line  spectra.  •  Each  element  has  a  unique  pa^ern.  

400                                       500                      600                                    700                                              wavelength  (nm)  

Hydrogen,  H  

400                                       500                      600                                    700                                              wavelength  (nm)  

Mercury,  Hg  

Page 28: Review in CHM11-3/2 Concepts

The  line  spectra  of  several  elements.  

Page 29: Review in CHM11-3/2 Concepts

Flame  Color  of  Some  Metal  ions  METAL        ION   FLAME    COLOR  

Na+   Yellow  Li+   Red  K+   Violet  Rb+   Red  Cs+   Blue  Ca2+   Orange-­‐Red  Sr2+   Brick  red  Ba2+   Yellow-­‐Green  Cu2+   Green  

Page 30: Review in CHM11-3/2 Concepts

Neils  Bohr  (1913):  •  e-­‐  orbit  the  nucleus.  •  e-­‐  have  fixed  E  (quanLzed).  

•  E-­‐levels  are  idenLfied  with  integers,  n  (n  =  1…∞).  

• Unexcited  H  atom  =  e-­‐  in  the  lowest  level  (n  =  1)  §  the  ground  state.  

•  Ionized  atom  (e-­‐  removed)  has  E  =  0  (n  =  ∞).  

E  =  −2.179  x  10-­‐18  J   n  =  1,  2,  3,  .  .  .  1  n2  

The  Bohr  Model  of  the  Hydrogen  Atom  

Page 31: Review in CHM11-3/2 Concepts

   Ene

rgy  

n  ∞  3      2                        1  

ultraviolet  emission  

visible  emission  

ir  emission  

400                                       500                      600                                    700                                              wavelength  (nm)  

absorpLon:  ΔE  >  0,  n  ↑  emission:    ΔE  <  0,  n  ↓  

absorpLo

n  

Bohr’s  model  exactly  predicts  the  H-­‐atom  spectrum.  

The  Bohr  Model  of  the  Hydrogen  Atom  

Page 32: Review in CHM11-3/2 Concepts

De  Broglie  (1924):  all  moving  objects  act  as  waves:  

λ    =   h  mv  

λ    =  wavelength  (m)    h  =    Planck’s  constant  (J  s)  m  =  mass  (kg)      v  =    velocity  (m  s-­‐1)  

Beyond  the  Bohr  Model:  Quantum  Mechanics  

Davidson  and  Germer  (1927)  observed  e-­‐  diffracLon  by  metal  foils.  

• Wave-­‐like  behavior!  

Page 33: Review in CHM11-3/2 Concepts

Heisenberg  Uncertainty  Principle  It  is  impossible  to  know  both  the  exact  posiLon  and  exact  momentum  of  an  e-­‐.  

Why?  • Objects  only  seen  by  “light”  with  λ  ≤  object  size.  •  Electrons  are  very  small.    Short  λ  is  required.  

•  Short  λ  =  high  ν  =  high  E.  •  EnergeLc  collisions  alter  the  speed  and  direcLon  of  the  e-­‐.  

Beyond  the  Bohr  Model:  Quantum  Mechanics  

Page 34: Review in CHM11-3/2 Concepts

Schrödinger  equaLon  (1926):  •  Treats  e-­‐  as  standing  waves  (not  parLcles).  • Developed  by  analogy  to  classical  equaLons  for  the  moLon  of  a  guitar  string.  

•  Called  “wave  mechanics”  or  “quantum  mechanics”  

§  Explains  the  structure  of  all  atoms  and  molecules.  

§ Complicated  math;  important  results.  

Beyond  the  Bohr  Model:  Quantum  Mechanics  

The  soluLons  are  energies  and  mathemaLcal  funcLons  (wave  funcLons,  ψ).  

Page 35: Review in CHM11-3/2 Concepts

The  Schrödinger  Equa&on  

HΨ  =  EΨ  

d2Ψ  dy2  

d2Ψ  dx2  

d2Ψ  dz2  

+ + 8π2mΘ h2

(E-­‐V(x,y,z)Ψ(x,y,z)  =  0  +

how  ψ  changes  in  space  

mass  of  electron  

total  quanLzed  energy  of  the  atomic  system  

potenLal  energy  at  x,y,z  wave  funcLon  

Page 36: Review in CHM11-3/2 Concepts

An  electron  density  (probability)  map  plots  ψ2  for  each  point  in  space.            Bigger  value  =  darker  shade.  

Beyond  the  Bohr  Model:  Quantum  Mechanics  

ψ2  =  probability  of  finding  an  e-­‐  at  a  point  in  space.  

Page 37: Review in CHM11-3/2 Concepts

Each  ψ  describes  a  different  energy  level.  

Probability  maps  are  hard  to  draw.  •  Boundary  surfaces  are  used  

§  contain  the  e-­‐  90%  of  the  Lme.  § Why  not  100%?  –    it  would  include  the  enLre  universe!  

• H-­‐atom  wavefuncLon  (ψ)  =  an  orbital.  •  e-­‐  do  not  follow  fixed  orbits  around  the  nucleus.  

The  H-­‐atom  ground-­‐state  

orbital  

Beyond  the  Bohr  Model:  Quantum  Mechanics  

Page 38: Review in CHM11-3/2 Concepts

38  

The  Quantum  Mechanical    Picture  of  the  Atom  

Basic  Postulates  of  Quantum  Theory  1.  Atoms  and  molecules  can  exist  only  in  

certain  energy  states.    In  each  energy  state,  the  atom  or  molecule  has  a  definite  energy.    When  an  atom  or  molecule  changes  its  energy  state,  it  must  emit  or  absorb  just  enough  energy  to  bring  it  to  the  new  energy  state  (the  quantum  condiLon).

Page 39: Review in CHM11-3/2 Concepts

39  

2.  Atoms  or  molecules  emit  or  absorb  radiaLon  (light)  as  they  change  their  energies.    The  frequency  of  the  light  emi^ed  or  absorbed  is  related  to  the  energy  change  by  a  simple  equaLon.  

λν

hch E ==

Page 40: Review in CHM11-3/2 Concepts

40  

3.  The  allowed  energy  states  of  atoms  and  molecules  can  be  described  by  sets  of  numbers  called  quantum  numbers.  

•  Quantum  numbers  are  the  soluLons  of  the  Schrodinger,  Heisenberg  &  Dirac  equaLons.  

•  Four  quantum  numbers  are  necessary  to  describe  energy  states  of  electrons  in  atoms.  

Page 41: Review in CHM11-3/2 Concepts

Quantum  Numbers  Each  orbital  (ψ)  includes  three  quantum  numbers:        n,    l,    and  ml

 Principal  quantum  number,    n  (n  =  1,  2,  3,  …  ∞)  

• Most  important  in  determining  the  orbital  energy.  

• Defines  the  orbital  size.  • Orbitals  with  equal  n  are  in  the  same  shell.  

Page 42: Review in CHM11-3/2 Concepts

Quantum  Numbers  

 l    0  1  2  3  4  5  ...  Code    s  p  d  f  g  h  ...  

Azimuthal  quantum  number,    l    (l  =  0  to  n  −1)  

• Defines  the  shape  of  an  orbital.  • Orbitals  with  equal  l  (and  equal  n)  are  in  the  same  subshell.  

•  Code  le^ers  idenLfy  l

Page 43: Review in CHM11-3/2 Concepts

Quantum  Numbers  MagneLc  quantum  number,  ml  (ml  =  –l    to  +l )  •  Defines  the  orientaLon  of  the  orbital.    Example  List  all  sets  of  quantum  numbers  for  an  n  =  3  e-­‐.  

Every  (n,  l,  ml)  set  has  a  different  shape  and/or  orientaLon.  

l  =  0,  or  1,  or  2  if  n  =  3  and  l  =  2  (3d),    ml  is      -­‐2,  -­‐1,  0,  1  or  2.  if  n  =  3  and  l  =  1  (3p),    ml  is      -­‐1,  0,  or  1.  if  n  =  3  and  l  =  0  (3s),    ml  must  be  0.  

Page 44: Review in CHM11-3/2 Concepts

Quantum  Numbers                                      Number  of                  Number  of                      Maximum  

Electron                  Subshell                        Orbitals                    Electrons                        Electrons  Shell                            type                      Available                      Possible                  for  nth  Shell  (n)                                                    (=2l  +  1)                  in  Subshell                            (=2n2)    1      s      1          2          2  2      s      1          2  

   p      3        6          8  3      s      1        2  

   p      3          6      d      5      10      18  

4      s      1          2      p      3          6      d      5      10      f      7      14      32  

5      s      1          2      p      3          6      d      5      10      f    7      14      g*    9      18      50  

Page 45: Review in CHM11-3/2 Concepts

Electron  Spin  Experiments  showed  a  4th  quantum  no.  was  needed  

•  +½  or  −½  only.  spin  quantum  number,  ms  

View  an  e-­‐  as  a  spinning  sphere.  Spinning  charges  act  as  magnets.  

•  Pauli:  every  e-­‐  in  an  atom  must  have  a  unique  set  of  (n,  l,  ml,  ms).  § Maximum  of  2e-­‐  per  orbital  (opposite  spins).  § Pauli  exclusion  principle.  

Page 46: Review in CHM11-3/2 Concepts

s  Orbitals  l  =  0  orbital:  Every  shell  (n  level)  has  one  s  orbital.  

Distance  from  nucleus,  r  (pm)  

Prob

ability  of  fi

nding  e-­‐  at  

distance  r  from

 nucleus  

Spherical.    Larger  n  value  =  larger  sphere  

1s    2s      3s  

Page 47: Review in CHM11-3/2 Concepts
Page 48: Review in CHM11-3/2 Concepts

p  Orbitals  

Three  p  orbitals  (l  =  1):        px,  py  and  pz    Related  to  ml  =  -­‐1,  0,  +1.  

Page 49: Review in CHM11-3/2 Concepts

Five  d  orbitals  (l  =  2):                  3dxz      3dxy      3dyz        3dx    -­‐  y        3dz  2   2   2  

d  Orbitals  

Page 50: Review in CHM11-3/2 Concepts

Periodic  Table  

•  Au�au  Building  up  Principle  •  Pauli’s  Exclusion  Principle  •  Hund’s  Rule  of  Maximum  MulLplicity  

– MulLplicity  –  number  of  unpaired  electron    plus  1  or  the  number  of  possible  energy  levels  that  depend  on  the  orientaLon  of  the  net  magneLc  moment  in  a  magneLc  field  

Page 51: Review in CHM11-3/2 Concepts

Increasing  (n  +  l),  then  increasing  n  

1s  

2s  

3s  

4s  

5s  

6s  

7s  

8s  

2p  

3p  

4p  

5p  

6p  

7p  

3d  

4d  

5d  

6d  

5f  

4f  

n  value  

8  

7  

6  

5  

4  

3  

2  

1  

l  value    

0        1              2                                  3  

n  +  l  =  1  

n  +  l  =  2   n  + l  =  3  

n  +  l  =  4   n  +  l  =  5  

n  +  l  =  6   n  +  l  =  7  

n  +  l  =  8  

Atom  Electron  ConfiguraLons  

Page 52: Review in CHM11-3/2 Concepts

Main  group  s  block  

 2  s    

4  s  

5  s  

6  s  

7  s  

3  s  

1s  

5  f  

4  f  

6d  

4d  

3d  

5d  

6d  

5d  

4d  

3d          4p  

       5p  

       6p  

       7p  

       3p  

       2p  

1s  

Lanthanides  and  acLnides  f  block  

TransiLon  elements  d  block  

Main  group  p  block  

Block  idenLLes  show  where  successive  e-­‐  add.  Note:  d  “steps  down”,  f  “steps  down”  again.  

Atom  Electron  ConfiguraLons  

Page 53: Review in CHM11-3/2 Concepts

H  

He  

Li  

Be  

B  

C  

N  

O  

F  

Ne  

1s   2s   2p            Electron  configuraLons  Expanded  Condensed  

1s1  1s1  

1s2    1s2    

1s22s1  1s22s1  

1s22s2  1s22s2  

1s22s22p1  1s22s22p1  

1s22s22p12p1  1s22s22p2  

1s22s22p12p12p1  1s22s22p3  

1s22s22p22p12p1  1s22s22p4  

1s22s22p22p22p1  1s22s22p5  

1s22s22p22p22p2  1s22s22p6  

1s  

2s  2p  

3s  3p  

Energy  

Atom  Electron  ConfiguraLons  

Page 54: Review in CHM11-3/2 Concepts

§  The  magnets  cancel.  §  The  atom  is  diamagneLc  

•  pushed  weakly  away  from  magneLc  fields.  

Spinning  e-­‐  =  Lny  magnet.  If  all  e-­‐  are  paired:  

With  unpaired  e-­‐:  §  Unpaired  spins  point  in  the  same  direcLon  (Hund’s  rule).  §  Magnets  add.  §  The  atom  is  paramagneLc.  

•  a^racted  to  magneLc  fields.  

If  individual  atom-­‐magnets  line  up  in  a  bulk  sample  §  A  ferromagnet  -­‐  a  permanent  magnet.  Ex.  Fe,  Ni,  Co  

ParamagneLsm  &  Unpaired  Electrons  

Page 55: Review in CHM11-3/2 Concepts

   Paramagnet                    Ferromagnet  ParamagneLsm  &  Unpaired  Electrons  

Page 56: Review in CHM11-3/2 Concepts

•  As  a  result  of  penetraLon  and  shielding,  the  order  of  energies  in  many-­‐electron  atoms  is  typically:  

 ns  <  np  <  nd  <  nf  

Page 57: Review in CHM11-3/2 Concepts

•  EsLmate  of  atomic  size  – ½(homonuclear  bond  length)  – Cl  =  100  pm  (Cl2  bond  =  200  pm)  – H  =  37  pm  (H2  bond  =74  pm)    

 Cl  

 Cl  

200  pm  

100  pm  •  Radii  are  addiLve.  

§  HCl  has  a  (37  +  100)  =  137  pm  bond  

Periodic  Trends:  Atomic  Radii  

Page 58: Review in CHM11-3/2 Concepts

Atoms  grow  down  a  group.  •  Larger  shell  (larger  n)  added  in  each  new  row.  

Atoms  shrink  across  a  period  •  e-­‐  add  to  the  same  shell.  Increase  size?  No,  

Big  Jump  from  noble  gas  to  alkali  metal  • A  new  shell  (with  larger  n)  is  added.  

•  p+  add  to  the  nucleus.  •  Larger  charge  pulls  all  e-­‐  in,  shrinking  the  atom.  

Periodic  Trends:  Atomic  Radii  

Page 59: Review in CHM11-3/2 Concepts

A  caLon  is  smaller  than  its  neutral  atom.  

Group  1A    Group  2A    Group  3A  Li  Li+  Be              Be2+    B              B3+  

   

152  90  112          59  85  25    

Na            Na+  Mg            Mg2+  Al  Al3+  

186  116  160  86  143  68    

K  K+  Ca  Ca2+  Ga  Ga3+  227  152  197  114  135  76    

Rb  Rb+  Sr  Sr2+  In  In3+  248  166  215  132  167  94  

Main  block:  outer  shell  completely  removed.  e-­‐/e-­‐  repulsion  reduced  (fewer  e-­‐  ).  

Periodic  Trends:  Ionic  Radii  

Page 60: Review in CHM11-3/2 Concepts

An  anion  is  larger  than  its  neutral  atom.  

Group  6A    Group  7A    

O  O2-­‐  F              F-­‐  73  126  72          119    

S            S2-­‐  Cl            Cl-­‐  103  170  100  167    

Se  Se2-­‐  Br  Br-­‐  119  184  114  182    

Te  Te2-­‐  I  I-­‐  142  207  133  206  

More  e-­‐/e-­‐  repulsion  (more  e-­‐).  The  shell  swells.  

Periodic  Trends:  Ionic  Radii  

Page 61: Review in CHM11-3/2 Concepts

Periodic  Trends:  Ionic  Radii  Isoelectronic  Ions        O2-­‐          F-­‐    Na+    Mg2+  

Ionic  radius  (pm)    126    119    116        86  Number  of  protons            8          9      11      12  Number  of  electrons        10      10        10      10  

Increasing  nuclear  charge  

decreasing  size  

Page 62: Review in CHM11-3/2 Concepts

Polarizability  

•  Ability  of  an  atom  to  be  distorted  by  an  electric  field  (such  as  that  of  the  neighboring  ion  

•  Large,  heavy  atoms  and  ions  tends  to  be  highly  polarizable.  

Page 63: Review in CHM11-3/2 Concepts

IonizaLon  energy  (IE)  E  to  remove  an  e-­‐  from  a  gas-­‐phase  atom.  

 Mg(g)                    Mg+(g)  +  e-­‐        ΔE  =  IonizaLon  Energy  

Periodic  Trends:  IonizaLon  Energies  

Also  called  IE1  

Page 64: Review in CHM11-3/2 Concepts

Across  a  period:  IE  ↑.  Smaller  atom  =  more  Lghtly  held  e-­‐  Down  a  group:  IE  ↓.  Larger  atom  =  less  Lghtly  held  e-­‐  

Periodic  Trends:  IonizaLon  Energies  

Page 65: Review in CHM11-3/2 Concepts

Second  ionizaLon  energy  (IE2)  E  required  to  remove  a  2nd  e-­‐  from  A+(g).  

•  IE2  >  IE1  • Mg+  holds  the  2nd  e-­‐  more  Lghtly.    • Huge  increase  if  e-­‐  removal  breaks  a  complete  shell  (the  core).  

 Mg(g)    Mg+  (g)  +  e-­‐      ΔE  =  IE1    Mg+(g)    Mg2+(g)  +  e-­‐    ΔE  =  IE2  

Periodic  Trends:  IonizaLon  Energies  

Page 66: Review in CHM11-3/2 Concepts

Table  7.8  IonizaLon  Energies  Required  to  Remove  Successive  Electrons  

IonizaLon  Energy        Li    Be      B      C      N      O      F      Ne  (MJ/mol)    1s22s1        1s22s2      1s22s22p1  1s22s22p2  1s22s22p3  1s22s22p4  1s22s22p5  1s22s22p6  

 IE1        0.52        0.90      0.80        1.09        1.40        1.31            1.68            2.08  IE2        7.30        1.76        2.43        2.35        2.86        3.39            3.37            3.95  IE3    11.81    14.85        3.66        4.62        4.58        5.30            6.05            6.12  IE4      21.01    25.02        6.22        7.48        7.47            8.41          9.37  IE5        32.82    37.83        9.44    10.98        11.02        12.18  IE6          47.28    53.27    13.33        15.16        15.24  IE7            64.37    71.33        17.87        20.00  IE8      Core  electrons        84.08        92.04        23.07  IE9                106.43    115.38  IE10                  131.43  

Periodic  Trends:  IonizaLon  Energies  

Page 67: Review in CHM11-3/2 Concepts

Electron  Affinity  (EA)  E  released  when  an  e-­‐  adds  to  a  gas-­‐phase  atom.  

   F(g)    +    e-­‐                              F-­‐(g)        ΔE  =  Electron  Affinity  

• Usually  exothermic  (EA  is  negaLve)  

•  EA  increases  from  le�  to  right.  

• Metals  have  low  EA;  nonmetals  have  high  EA.  

•  Some  tables  list  posiLve  numbers.  

§ a  sign-­‐convenLon  choice.  

Periodic  Trends:  Electron  AffiniLes  

Page 68: Review in CHM11-3/2 Concepts

Table  7.9  Electron  AffiniLes  (kJ/mol)  1A  2A      3A              4A                      5A                          6A        7A            8A  (1)  (2)      (13)              (14)                      (15)                      (16)        (17)            (18)  

   H      -­‐73  

   Li      -­‐60  

   Na      -­‐53      K      -­‐48      Rb      -­‐47  

     Ne        >0        Ar        >0  

     Kr        >0        Xe        >0  

     He        >0  

   Be      >0      Mg      >0      Ca      -­‐2      Sr      -­‐5  

     B        -­‐27        Al      -­‐43        Ga        -­‐30  

     In        -­‐30  

       C          -­‐122          Si          -­‐134          Ge          -­‐119          Sn          -­‐107  

       N          >0          P          -­‐72          As          -­‐78          Sb          -­‐103  

     O        -­‐141  

     S        -­‐200        Se        -­‐195        Te        -­‐190  

       F          -­‐328  

       Cl        -­‐349          Br          -­‐325          I          -­‐295  

Periodic  Trends:  Electron  AffiniLes  

Page 69: Review in CHM11-3/2 Concepts

Trends  in  three  atomic  proper&es.  

Page 70: Review in CHM11-3/2 Concepts

ATOMS

Dalton's Atomic Theory

Subatomic Particles

Quantum Theory

Dualistic Nature of

MatterSchrodinger

Equation

Quantum Numbers

Wave Function

Atomic Orbitals

Protons

Neutrons

Electrons Periodic Table

Aufbau Principle

Pauli's Principle

Hund's Rule

Periodic trends

Atomic/Ionic Radius

Ionization Energy

Electron Affinity

Electronegativity

Polarizability

Shielding Effect in electrons

CONCEPT  MAP  

Page 71: Review in CHM11-3/2 Concepts

CHEMICAL  FORMULA:  WRITING  AND  NAMING  

Page 72: Review in CHM11-3/2 Concepts

CHEMICAL  FORMULA  

•   representaLon  used  to  denote  a  molecule  or  a  formula  unit  of  a  pure  substance.      

•  It  indicates  the  relaLve  amounts  of  atoms  of  each  element  in  a  compound.      

•  It  consists  of  the  symbols  of  the  elements  composing  the  pure  substance  and  subscripts  denoLng  the  relaLve  number  of  atoms  of  each  element  in  a  molecule  or  formula  unit  of  the  compound.  

Page 73: Review in CHM11-3/2 Concepts

OXIDATION  NUMBER  

•  apparent  charge  of  an  atom  in  a  compound  assuming  that  electrons  are  transferred  from  one  atom  to  another.      

•  This  set  of  whole  numbers  (which  may  be  posiLve  or  negaLve)  are  used  in  predicLng  the  formulas  of  compounds,  classifying  them  as  ionic  or  covalent,  comparing  their  chemical  properLes,  and  describing  chemical  reacLons.  

Page 74: Review in CHM11-3/2 Concepts

Usual  OxidaLon  Number   (Main  Group  Elements)  

GROUP  NO. OXIDATION  NUMBERS EXAMPLES

1 +1 Na+1,  Li+1

2 +2 Mg2+,  Ba2+

13 +3 Al3+,  B3+

14 +4/-­‐4 C4+,  C4-­‐

15 -­‐3 N3-­‐,  P3-­‐

16 -­‐2 O2-­‐,  S2-­‐

17 -­‐1 F-­‐1,  Cl-­‐1

Page 75: Review in CHM11-3/2 Concepts

OXIDATION  NUMBER FORMULA  NAME  OF  THE  ION Cr2+ chromous  /  chromium  (ii) Cr3+ chromic  /  chromium  (iii) Mn2+ manganese  (ii) Mn4+ manganese  (iv) Fe2+ ferrous  /  iron  (ii) Fe3+ ferric  /  iron  (iii) Co2+ cobaltous  /  cobalt  (ii) Co3+ cobalLc  /  cobalt  (iii) Hg22+ mercurous  /  mercury  (i) Hg2+ mercuric  /  mercury  (ii) Sn2+ stannous  /  Ln  (ii) Sn4+ stannic  /  Ln  (iv) Pb2+ plumbous  /  lead  (ii) Pb4+ plumbic  /  lead  (iv)

Page 76: Review in CHM11-3/2 Concepts

Common  Polyatomic  Ions  Polyatomic  Ions   Name  

NH4+ ammonium

C2H3O2-­‐ acetate

ClO-­‐ hypochlorite

ClO2-­‐ chlorite

ClO3-­‐ chlorate

ClO4-­‐ perchlorate

CN-­‐ cyanide

OH-­‐ hydroxide

HCO3-­‐ bicarbonate

IO3-­‐ iodate

NO2-­‐ nitrite

NO3-­‐ nitrate

MnO4-­‐ permanganate

HSO4-­‐ bisulfate

HSO3-­‐ bisulfite

Page 77: Review in CHM11-3/2 Concepts

Polyatomic  Ions   Name  

CNO-­‐ cyanate

CNS-­‐ thiocyanate

CO32-­‐ carbonate

CrO42-­‐ chromate

Cr2O72-­‐ dichromate

C2O42-­‐ oxalate

SO32-­‐ sulfite

SO42-­‐ sulfate

S2O32-­‐ thiosulfate

HPO42-­‐ biphosphate

SiO32-­‐ silicate

ZnO22-­‐ zincate

PO33-­‐ phosphite

PO43-­‐ phosphate

P2O74-­‐ pyrophosphate

Page 78: Review in CHM11-3/2 Concepts

Rule  in  assigning  oxidaLon  number  

•  The  oxidaLon  number  of  an  element  in  the  free  or  uncombined  state  is  always  zero.    Example:    Cu0,  Si0,  Mg0  

 •  The  oxidaLon  number  of  a  monatomic  ion  is  the  same  as  the  charge  of  the  ion.  

Page 79: Review in CHM11-3/2 Concepts

•  The  algebraic  sum  of  the  oxidaLon  numbers  for  all  the  atoms  in  the  formula  of  a  compound  is  zero.    Example:    MgBr2          (+2)  +  (2)(-­‐1)  =  0  

•  The  sum  of  the  oxidaLon  numbers  of  atoms  in  a  polyatomic  ion  must  equal  the  charge  of  the  ion.  

Page 80: Review in CHM11-3/2 Concepts

Rules  in  WriLng  Chemical  Formula  •  Metals,  nonmetals,  and  inert  gases  have  their  formulas  

idenLcal  to  their  symbols.      Examples:  Calcium,  Ca    Magnesium,  Mg  

•  AcLve  gaseous  elements  are  wri^en  as  diatomic  molecules  (they  contain  two  atoms).      Examples:  Oxygen,  O2    Hydrogen,  H2  

•  In  wriLng  formulas  for  compounds,  the  symbol  of  the  posiLve  element  is  wri^en  first,  followed  by  the  symbol  of  the  negaLve  element.    The  sum  of  the  oxidaLon  numbers  must  be  equal  to  zero  so  that  the  compound  is  neutral.    Examples:        KBr          (+1)  +  (-­‐1)  =  0                    CaCl2      (+2)  +  2  (-­‐1)  =  0  

Page 81: Review in CHM11-3/2 Concepts

Naming  Of  Compounds  

Binary  compounds  •  Binary  salts  –  made  up  of  one  metallic  element  and  one  nonmetallic  element.  –  For  compounds  that  contain  metals  with  fixed  oxidaLon  numbers,  the  name  of  the  caLon  is  given  first  followed  by  the  name  of  the  anion,  which  ends  in  –IDE.  

 Examples:              NaI    sodium  iodide                  MgBr2    magnesium  bromide                  K3N    potassium  nitride  

 

Page 82: Review in CHM11-3/2 Concepts

–  For  compounds  containing  metals  with  variable  oxidaLon  numbers,  there  are  two  ways  of  naming  them:  

•  Old  or  Classical  Method    The  name  of  the  metal  ends  with  –ous  or  –ic  while  the  name  of  the  nonmetal  ends  with  –ide.    Examples:    Cu3B    cuprous  boride                              SnS2    stannic  sulfide  

•  Stock  Method    The  name  of  the  metal  is  followed  by  a  Roman  numeral  indica&ng  its  oxida&on  number.    This  is  followed  by  the  name  of  the  nonmetal  which  ends  in      –ide.    Examples:    PbBr2    Lead  (II)  bromide                              AuCl3    Gold  (III)  chloride  

Page 83: Review in CHM11-3/2 Concepts

Binary  Acids  •  contain  hydrogen  and  one  nonmetallic  element.  

 •  Dry  form  –  The  word  hydrogen  is  followed  by  the  name  of  the  nonmetal  which  ends  in  –ide.    Examples:    HCl    hydrogen  chloride  

                 HBr    hydrogen  bromide      

Page 84: Review in CHM11-3/2 Concepts

•  Aqueous  form  –  The  prefix  hydro-­‐  is  followed  by  the  name  of  the  nonmetal  which  ends  in  –ic  acid.    Examples:    HCl(aq)    hydrochloric  acid                                    HBr(aq)    hydrobromic  acid  

Page 85: Review in CHM11-3/2 Concepts

•  Binary  compounds  with  two  nonmetals  are  named  by  naming  the  two  elements  in  the  order  they  appear  in  the  formula.    Greek  prefixes  are  used  to  indicate  the  number  of  each  element  in  the  compound.    The  name  of  the  second  element  ends  in  –ide.    The  prefix  mono-­‐  is  not  used  for  the  first  element.    Prefixes:    1  –  mono  4  –  tetra    7  –  hepta  10-­‐deca    2  –  di  5  –  penta    8  –  octa      3  –  tri  6  –  hexa    9  –  nona      Examples:    N2O    dinitrogen  monoxide                                              CO2    carbon  dioxide                                              ICl3    iodine  trichloride  

Page 86: Review in CHM11-3/2 Concepts

•  Binary  hydrides  contain  a  metal  and  hydrogen.    The  name  of  the  metal  comes  first  followed  by  the  word  hydride.    Examples:    RbH    rubidium  hydride                              CsH      cesium  hydride  

Page 87: Review in CHM11-3/2 Concepts

TERNARY  COMPOUNDS  

Ternary  acids  are  named  in  two  ways:  •  Dry  form  –  The  word  hydrogen  is  followed  by  the  name  of  the  anion.    Examples:    H2CO3    hydrogen  carbonate                                    H2SO3    hydrogen  sulfite                                    H2PO4    hydrogen  phosphate  

Page 88: Review in CHM11-3/2 Concepts

•  Aqueous  form  –  Take  the  root  form  of  the  anion’s  name.    Change  –ate    endings  with  –ic,  and  change  –ite  endings  with  –ous.    Add  the  word  acid.    Examples:    H2CO3    carbonic  acid                                          H2SO3    sulfurous  acid                                          H3PO4    phosphoric  acid  

•  Ternary  salts  –  Name  the  caLon  and  the  anion  in  order.    Examples:    NaNO3    sodium  nitrate                              FeCO3    iron  (II)  carbonate  

   

Page 89: Review in CHM11-3/2 Concepts

CHEMICAL  BONDING  

Page 90: Review in CHM11-3/2 Concepts

Types  of  Bonds  

Ionic  Bond   Covalent    Bond  

r e su l t s   f r om   e l e c t r o s t aL c  a^racLons   among   ions,  which   are  formed   by   the   transfer   of   one   or  more  electrons   from  one  atom  to  another.  

r e s u l t s   f r o m  sharing   one   or  more   e le c t ron  pairs  between  two  atoms.  

90  

Page 91: Review in CHM11-3/2 Concepts

Lewis  Dot  Formulas  of  Atoms  

Lewis   dot   formulas   or   Lewis   dot  representa&ons    

•    are  a  convenient  bookkeeping  method  for  tracking    valence  electrons.  

Valence  electrons    •  are  those  electrons  that  are  transferred  

or  involved  in  chemical  bonding.  •  They  are  chemically  important.  

91  

Page 92: Review in CHM11-3/2 Concepts

LEWIS  DOT  SYMBOLS  of  Main  Group  Elements.     Elements  within  a  group  have  the  same  number  of  valence  electrons  and  idenLcal  Lewis  dot  symbols.  

92  

Page 93: Review in CHM11-3/2 Concepts

Theories  of  Covalent  Bonding  

1. Valence  Bond   (VB)  Theory  and  Orbital  HybridizaLon  

 

2. Valence   Shell   Electron   Pair   Repulsion  Theory  (VSEPR)  

 

3.    Molecular  Orbital  Theory  (MO)  

93  

Page 94: Review in CHM11-3/2 Concepts

VALENCE  BOND  THEORY  Basic  Principle  •  A   covalent   bond   forms   when   the   orbitals   of   two  atoms   overlap   and   the   overlap   region,   which   is  between   the   nuclei,   is   occupied   by   a   pair   of  electrons.  

94  

Page 95: Review in CHM11-3/2 Concepts

•  A   set   of   overlapping   orbitals   has   a  maximum   of   two   electrons   that   must  have  opposite  spins.  

•  The   greater   the   orbital   overlap,   the  stronger  (more  stable)  the  bond.  

•  There  is  a  hybridizaLon  of  atomic  orbitals  to  form  molecular  orbitals.  

95  

Page 96: Review in CHM11-3/2 Concepts

•  OCTET  RULE    – an  atom  will  form  covalent  bonds  to  achieve  a  complement  of  eight  valence  electrons.  

–  -­‐  majority  of  main  group  elements  followed  octet  rule  in  forming  bonds  with  other  elements  

 

96  

Page 97: Review in CHM11-3/2 Concepts

•  EXPANDED  OCTET  – an  atom  will  form  covalent  bonds  to  achieve  a  complement  of  more  than  eight  valence  electrons  (  10  or  12  valence  electrons).  

 Example  :    

97  

Page 98: Review in CHM11-3/2 Concepts

•  INEXPANDED  OCTET  – an  atom  will  form  covalent  bonds  to  achieve  a  complement  of  less  than  eight  valence  electrons  (  2  or  6  valence  electrons).  

 Example  :  

98  

Page 99: Review in CHM11-3/2 Concepts

Drawing  /  Wri&ng  Lewis  Structures  STEP   1:   Count   the  t o t a l   v a l e n c e  e l e c t rons   i n   t he  molecule  or  ion.  

–  Sum  the  number  of  valence  electrons   for   each   element  in  a  molecule.  

–  For   ions,   add   or   subtract  v a l en ce   e l e c t r on s   t o  account  for  the  charge.  

 

STEP   2:   Draw   the  “skeletal   structure”  of  the  molecule.  

–  The  element  wri^en  first  in  the   formula   is   usually   the  central   atom,   unless   it   is  hydrogen.  

– Usually,   the   central   atom   is   the  LEAST  ELECTRONEGATIVE.    

STEP   3:   Place   single  bonds   between   all  connected   atoms   in  the   s t ruc ture   by  d r a w i n g   l i n e s  between  them.  

–  A   single   line   represents   a  bonding  pair.  

 

STEP   4:   Place   the   remaining  valence   electrons   not   accounted  for   on   individual   atoms   un(l   the  octet   rule   is   sa(sfied.     Place  electrons   as   lone   pairs   whenever  possible.  

–  Place  electrons  first  on  outer  atoms,  then  on  central  atoms.  

 

STEP   5:   Create  mul(ple   bonds  by   shiSing   lone   pairs   into  bonding   posi(ons   as   needed  for  any  atoms  that  do  not  have  a   fu l l   octet   o f   va lence  electrons.  

– Correctly   choosing   which   atoms   to   form  mulLple   bonds   between   comes   from  experience.  

99  

Page 100: Review in CHM11-3/2 Concepts

Predic&ng   the   Number   of   bonds   in   the  Lewis  Structure  (  S  –  Rule)  

N  -­‐  A    =    S  rule  Where: N = number of electrons needed to achieve a noble

gas configuration. •  N usually has a value of 8 for representative

elements. •  N has a value of 2 for H atoms.

A = number of electrons available in valence shells of the atoms.

•  A is equal to the periodic group number for each element.

•  A is equal to 8 for the noble gases. S = number of electrons shared in bonds. (A – S) = number of electrons in unshared, lone, pairs.  

100  

Page 101: Review in CHM11-3/2 Concepts

NOTES:  •  For   ions   we   must   adjust   the   number   of  electrons  available,  A.  – Add  one  e-­‐  to  A  for  each  nega&ve  charge.  – Subtract  one  e-­‐  from  A  for  each  posi&ve  charge.  

•  The  central  atom  in  a  molecule  or  polyatomic  ion  is  determined  by:  – The   atom   that   requires   the   largest   number   of  electrons  to  complete  its  octet  goes  in  the  center.  

– For   two   atoms   in   the   same   periodic   group,   the  less  electronegaLve  element  goes  in  the  center.  

101  

Page 102: Review in CHM11-3/2 Concepts

Formal  Charges  

•  Formal  charges    are  analogous  to  oxidaLons  numbers:  – They  are  not  actual  charges  

•  They  keep  track  of  electron  ownership  

Formal  Charge  =      No.  of  Valence  e-  –  no.  of  bonds        –          no.  of  non-­‐bonding  e-­‐  

102  

Page 103: Review in CHM11-3/2 Concepts

Example  1  :  Draw  the  Lewis  structure  of  OF2.    

Step  1:  Count  the  total  valence  electrons  in  the  molecule  or  ion.  

Step   2:   Draw   the   “skeletal   structure”   of   the  molecule.  

103  

Page 104: Review in CHM11-3/2 Concepts

STEP   3:   Place   single   bonds   between   all  connected  atoms  in  the  structure  by  drawing  lines  between  them.  

 

STEP  4:  Place  the  remaining  valence  electrons  not  accounted   for   on   individual   atoms   unLl  the  octet  rule  is  saLsfied.    Place  electrons  as  lone  pairs  whenever  possible.  

104  

Page 105: Review in CHM11-3/2 Concepts

STEP   5:   Create   mulLple   bonds   by   shi�ing   lone  pairs   into   bonding   posiLons   as   needed  for   any   atoms   that   do   not   have   a   full  octet  of  valence  electrons.  

MulLple  bonds  are  not  required  for  OF2,  as  the  octet  rule  is  saLsfied  for  each  atom.  

105  

Page 106: Review in CHM11-3/2 Concepts

The  conceptual  steps  from  molecular  formula  to  the  hybrid  orbitals  used  in  bonding.  

Molecular  formula  

Lewis  structure  

GEOMETRY  (Electronic/Ideal/e-­‐  group  arrangement  and  Molecular  

Shape  

Hybrid  orbitals  

Step  1   Step  2   Step  3  

106  

Page 107: Review in CHM11-3/2 Concepts

Valence   Shell   Electron   Pair  Repulsion  (VSEPR)  Theory    •  The   IDEAL/Electronic   GEOMETRY   of   a  molecule   is   determined   by   the   way   the  electron  pairs  orient  themselves  in  space  •  The  orientaLon  of  electron  pairs  arises  from  electron  repulsions  •  The   electron   pairs   spread   out   so   as   to  minimize  repulsion  

107  

Page 108: Review in CHM11-3/2 Concepts

108  

Page 109: Review in CHM11-3/2 Concepts

109  

Page 110: Review in CHM11-3/2 Concepts

110  

Page 111: Review in CHM11-3/2 Concepts

111  

Page 112: Review in CHM11-3/2 Concepts

112  

SUMMARY  OF  IDEAL  GEOMETRY  

linear   trigonal  planar   tetrahedral  

trigonal  bipyramidal  

octahedral  

Page 113: Review in CHM11-3/2 Concepts

•  The  MOLECULAR  GEOMETRY  of  a  molecule  is  determined   by   the   way   the   electron   pairs  orient   themselves   with   respect   to   their  relaLve  strength  to  repel  each  other.    •  The   orientaLon   of   electron   pairs   arises   from   electron  repulsions  

•  The  electron  pairs  spread  out  so  as  to  minimize  repulsion  

 NOTE:   DECREASING   repulsion,   DECREASING   bond  angle  

 LP-­‐LP    >    LP  –  BP    >    BP  –  BP    LP  –  lone  (non-­‐bonding)  pair  ;      BP  –  bonding  pair  

113  

Page 114: Review in CHM11-3/2 Concepts

114  

Species  Type   Structure     Descrip&on   Example   Bond  Angles  

   AX3  

 Trigonal  Planar  

   BF3  

   

120o  

   

AX2E  

   

Bent  

   

NO2-­‐1  

   

<  120o  

Molecular  Geometry    3  ELECTRON  PAIRS  

Page 115: Review in CHM11-3/2 Concepts

115  

Species  Type   Structure     Descrip&on   Example   Bond  Angles  

   AX4  

   

Tetrahedral  

   

CH4  

   

109.5o  

   

AX3E  

   

Trigonal  pyramidal  

   

NH3  

   

<  109.5o  

   

AX2E2    

   

Bent  

     

H2O    

   

<  109.5o  

4  ELECTRON  PAIRS  

Page 116: Review in CHM11-3/2 Concepts

–  Methane  has  four  equal  bonds,  so  the  bond  angles  are  equal.  

–  HOW  does  the  lone  pair  of  ammonia  affect  its  geometry?  

–  The  bond  angles  in  oxygen  are  even  smaller.    

116  

Page 117: Review in CHM11-3/2 Concepts

117  

Page 118: Review in CHM11-3/2 Concepts

118  

Page 119: Review in CHM11-3/2 Concepts

The  conceptual  steps  from  molecular  formula  to  the  hybrid  orbitals  used  in  bonding.  

Molecular  formula  

Lewis  structure  

GEOMETRY  (Electronic/Ideal/  

e-­‐  group  arrangement  and  Molecular  Shape  

HYBRID  ORBITALS  

Step  1   Step  2   Step  3  

Page 120: Review in CHM11-3/2 Concepts

Hybrid  Orbitals    

•  The  number  of  hybrid  orbitals  obtained  equals  the  number  of  atomic  orbitals  mixed.  

•  The   type   of   hybrid   orbitals   obtained   varies  with  the  types  of  atomic  orbitals  mixed.  

Types  of  Hybrid  Orbitals    

120  

Page 121: Review in CHM11-3/2 Concepts

121  

Page 122: Review in CHM11-3/2 Concepts

122  

Page 123: Review in CHM11-3/2 Concepts

123  

Page 124: Review in CHM11-3/2 Concepts

124  

Page 125: Review in CHM11-3/2 Concepts

125  

Page 126: Review in CHM11-3/2 Concepts

Valence  Bond  :  Hybrid  Orbitals  

126  

Page 127: Review in CHM11-3/2 Concepts

127  

Polar   Molecules:   The   Influence   of  Molecular  Geometry  •  Molecular  geometry  affects  molecular  polarity.  

–  Due  to  the  effect  of  the  bond  dipoles  and  how  they  either  cancel  or  reinforce  each  other.  

•  Polar  Molecules  must  meet  two  requirements:  1.  One  polar  bond  or  one  lone  pair  of  electrons  

on  central  atom.  2.  Neither  bonds  nor  lone  pairs  can  be  

symmetrically  arranged  that  their  polariLes  cancel.  

Page 128: Review in CHM11-3/2 Concepts

128  

Page 129: Review in CHM11-3/2 Concepts

129  

Page 130: Review in CHM11-3/2 Concepts

Stoichiometry  

Page 131: Review in CHM11-3/2 Concepts

Molar  Masses  of  Some  Substances  

Note:      1  amu  =  1.66  x  10-­‐24    g  

Page 132: Review in CHM11-3/2 Concepts

Important  Terms  in  Stoichiometry  

Avogadro’s  Number,  NA  •  Number  of   atoms  of   an  element   in   a   sample  whose  mass   is   numerically  

equal  to  the  mass  of  a  single  atom  

1  mole    =  6.022  x  1023    parLcles    ParLcles  =  (atoms,  ions  or  molecules  

 

Mole,  n  •    Avogadro’s  number  of  items  

n  =  mass  /  molar  mass  

Page 133: Review in CHM11-3/2 Concepts

Chemical  Formulas  

•  Empirical  Formula  •  Simplest  formula  of  a  compound  

•  Molecular  Formula  •  True  formula  of  a  compound  •  Whole-­‐number  mulLple  of  the  Empirical  Formula    

Note:    Empirical  formula  can  be  the  molecular  formula  but  Molecular  may  not  be  the  empirical  formula  

   

Page 134: Review in CHM11-3/2 Concepts

Steps  in  Determining  the  Empirical  and  Molecular  Formula  of  a  compound  

%  Mass  of  each  element  

MASS  of  each  element  

MOLE  of  each  element  

IdenLfy  the  SMALLEST  MOLE  of  

the  element  

Divide  the  MOLES  of  each  element  by  the  SMALLEST  MOLE  of  

the  element  

MOLE  RATIO  of  each  element  

Determine  the  Empirical  

Formula  Weight  (EFW)  

Divide  the  given  MOLAR  MASS  by  the  EFW  

EMPIRICAL  FORMULA  (simplest  Formula)  

MOLECULAR  FORMULA  

Page 135: Review in CHM11-3/2 Concepts

KNOW  COMMON  FRACTIONS  IN  DECIMAL  FORM*  

*Page69  Whi^ens  (9th  ed)  

Decimal  equivalent  

Frac&on   Mul&ply  by  

0.50   1/2   2  

0.33   1/3   3  

0.67   2/3   3  

0.25   ¼   4  

0.75   ¾   4  

0.20   1/5   5  

Page 136: Review in CHM11-3/2 Concepts

WriLng  Chemical  EquaLons  

1.    Write  a  skeleton  equaLon  for  the  reacLon.  2.    Indicate  the  physical  state  of  each  reactant  

and  product.  3.    Balance  the  equaLon  

–  Only  the  coefficients  can  be  changed;    subscripts  are  fixed  by  chemical  nature  of  the  reactants  and  products  

–  It  is  best  to  balance  atoms  that  appear  only  once  on  each  side  of  the  equaLon  first  

Page 137: Review in CHM11-3/2 Concepts

 aA(aq)    +    bB(l)    à    cC(aq)  +    dD(s)↓  +    eE(g)↑  

   where:        a,  b,  c,  d,  e    -­‐  coefficients  of  balance  equaLon      A,  B    -­‐  reactants      C,  D,  E    -­‐  products        ↓    -­‐  precipitate  formed        ↑    -­‐  gas  formed      subscript  -­‐  state/phase  of  the  reactant  &  pdt  

Page 138: Review in CHM11-3/2 Concepts

Mole  Method*          

     Use  Molar                            Use  Molar        mass  (g/mol)                            mass  (g/mol)        of  Compound  A                            of  compound                                      B                        Use  mole  ra&o  of                            B  and    A                        Use  mole  ra&o  of                          A  and  B  

*Taken  from  General  Chemistry  the  essenLal  concepts  by  Raymond  Chang  Fig  3.8  p  79  

MASS  (g)  of  Compound  A  

MOLE  of  Compound  A  

MASS  (g)  of  Compound  B  

MOLE  of  Compound  B  

Page 139: Review in CHM11-3/2 Concepts

Approach  to  LimiLng  Reactant  Problems  

1.    Calculate  the  amount  of  product  that  will  form  if  the  first  reactant  were  completely  consumed.  

2.    Repeat  the  calculaLon  for  the  second  reactant  in  the  same  way.  

3.    Choose  the  smaller  amount  of  product  and  relate  it  to  the  reactant  that  produced  it.    This  is  the  limiLng  reactant  and  the  resulLng  amount  of  product  is  the  theore(cal  yield.  

4.    From  the  theoreLcal  yield,  determine  how  much  of  the  reactant  in  excess  is  used,  and  subtract  from  the  starLng  amount.