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  • Chemistry 127

    General Chemistry I

    (Fall 2011)

     

    Darin J. Ulness

    Department of Chemistry

    Concordia College Moorhead, MN 

  • Contents

    1 Lecture L1: Introduction 1

    2 Physical and Chemical Properties 3

    2.1 Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

    2.1.1 Pure Substances and Mixtures . . . . . . . . . . . . . . 4

    2.2 Elements, Compounds and Molecules . . . . . . . . . . . . . . 4

    2.3 Physical Properties of Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    2.3.1 Extensive and Intensive Properties . . . . . . . . . . . 6

    2.4 Physical and Chemical Changes . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

    2.5 Group Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2.6 Problem Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

    3 Measurement 10

    3.1 Units of Measure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

    3.1.1 Reporting Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    3.2 Group Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

    3.3 Problem Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

    4 Anatomy of the Atom and the Periodic Table 18

    4.1 Basic Structure of the Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

    4.2 Atomic Number, Atomic Mass and Isotopes . . . . . . . . . . 19

    4.2.1 Atomic number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

    1

  • 4.2.2 Atomic mass and atomic mass number . . . . . . . . . 19

    4.2.3 Isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    4.3 The Periodic Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    4.3.1 Group 1A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    4.3.2 Group 2A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    4.3.3 The B groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    4.3.4 Group 3A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    4.3.5 Group 4A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    4.3.6 Group 5A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    4.3.7 Group 6A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    4.3.8 Group 7A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    4.3.9 Group 8A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    4.4 Group Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

    4.5 Problem Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

    5 The Mole 25

    5.1 The Mole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

    5.2 Molar Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

    5.2.1 Converting between grams and moles . . . . . . . . . . 26

    5.2.2 Percent Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

    5.2.3 Empirical formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

    5.3 Group Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

    5.4 Problem Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

    2

  • 6 Molecules and Compounds 30

    6.1 Chemical Formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

    6.2 Naming Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

    6.3 Group Work: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

    6.4 Problem Set: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

    7 Ions and Ionic Compounds 34

    7.1 Oxidation Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

    7.2 Polyatomic Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

    7.3 Ionic Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    7.3.1 Naming Ionic Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    7.4 Group Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

    7.5 Problem Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

    8 Chemical Equations and Stoichiometry 40

    8.1 Balancing Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

    8.2 Quantitative Relations in Chemical Reactions . . . . . . . . . 42

    8.3 Mass Relations in Chemical Reactions . . . . . . . . . . . . . 42

    8.4 Group Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

    8.5 Problem Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

    9 Limiting Reagents 47

    9.1 Group Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

    9.2 Problem Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

    3

  • 10 Net Ionic Equations 51

    10.1 Ions in Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

    10.1.1 Electrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

    10.2 Precipitation Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

    10.3 Net Ionic Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    10.4 Acids and Bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    10.4.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    10.4.2 A Word on the Hydrogen Ion . . . . . . . . . . . . . . 54

    10.4.3 Reactions of Acids and Bases . . . . . . . . . . . . . . 55

    10.5 Group Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

    10.6 Problem Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

    11 Redox Reactions 58

    11.0.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

    11.0.2 Redox reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

    11.1 Group Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

    11.2 Problem Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

    12 Concentration and Molarity 62

    12.1 Concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

    12.2 Molarity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

    12.3 pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

    12.4 Group Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

    12.5 Problem Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

    4

  • 13 Titration Reactions 68

    13.1 Titrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

    13.2 Group Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

    13.3 Problem Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

    14 Energy, Heat and the First Law of Thermodynamics 72

    14.1 Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

    14.1.1 Conservation of energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

    14.1.2 Work and heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

    14.2 The First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . 73

    14.3 Temperature and Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

    14.3.1 Heat capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

    14.4 Phase Changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

    14.5 Group Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

    14.6 Problem Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

    15 Enthalpy 77

    15.1 Work and the First Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

    15.2 Enthalpy Changes for Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

    15.3 Group Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

    15.4 Problem Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

    16 Lecture L19: Calorimetry 82

    16.1 Calorimetry and Heats of Combustions . . . . . . . . . . . . . 82

    16.1.1 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

    16.2 Group Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

    16.3 Problem Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

    5

  • 17 Hess’ Law 86

    17.1 State Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

    17.2 Hess’ Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

    17.2.1 Heats of formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

    17.3 Group Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

    17.4 Problem Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

    18 Light 92

    18.1 Electromagnetic Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

    18.2 The Photon Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

    18.3 Group Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

    18.4 Problem Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

    19 The Fall of Classical Physics and the Bohr Model 97

    19.1 Brief Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

    19.2 Bohr’s Atomic Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

    19.2.1 First attempts at the structure of the atom . . . . . . . 98

    19.3 Group Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

    19.4 Problem Set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

    20 Atomic Orbitals 104

    20.1 The Modern Theory of the Hydrogen Atom . . . . . . . . . . 104

    20.2 The Quantum Numbers of the Hydrogen Atom . . . . . . . . . 105

    20.3 Visualizing the Atomic Orbitals . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

    20.4 Group Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

    20.5 Problem Set . . . . . . . . . . .

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