Download Structure and Reactivity

C
C
Contents
Table of Contents
i
List of Figures
ix
List of Tables
xiii
List of Examples
A1 Introductory Concepts in Chemistry
A1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A1.2 The Vocabulary of Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A1.3 Element Names and Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A1.4 Regions of the Periodic Table, Cations and Anions . . . . . . . . . .
A1.5 Naming Inorganic Compounds (Nomenclature) . . . . . . . . . . . .
A1.6 Fundamental Units of Measurement for Chemistry . . . . . . . . . .
A1.7 Accuracy and Precision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A1.8 Significant Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A1.9 Multiple Measurements: Averages and Standard Deviations . . . .
A1.10 Logarithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A1.11 Solving Problems Using Dimensional Analysis . . . . . . . . . . . .
A1.12 Molecules, Molecular Formulae, Molecular Mass and Formula Mass
A1.13 The Mole, Avogadro’s Number and Molar Mass . . . . . . . . . . .
xv
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28
Table of Contents i
A1.14 Empirical Formula and Mass % . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
A1.15 Answers to Exercises A1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
A2 Chemical Reactions and Stoichiometry
A2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A2.2 Writing Chemical Equations . . . . . . . . .
A2.3 Procedure for Balancing Chemical Equations
A2.4 Stoichiometry and Mass . . . . . . . . . . . .
A2.5 Determining the Limiting Reagent . . . . . .
A2.6 Actual, Theoretical and Percent Yield . . . .
A2.7 Elemental Analysis and Empirical Formula .
A2.8 Additional Exercises . . . . . . . . . . . . . .
A2.9 Answers to Exercises A2 . . . . . . . . . . .
1
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61
64
Atomic Structure
1.1
Contents in Brief . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3
Subatomic Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4
Mass Number, Isotopes and Average Atomic Mass .
1.5
Electromagnetic Radiation: a Useful Probe of Atomic
1.6
Atomic Line Spectra and the Bohr Model . . . . . . .
1.7
Quantum Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.8
Shapes of Atomic Orbitals . . . . . . . . . . . . . . .
1.9
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.10
Additional Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.11
Answers to Exercises 1 . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Structure
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93
The Periodic Table
2.1
Contents in Brief . . . . . . . . . . . . . .
2.2
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3
Pauli Exclusion Principle and Hund’s Rule
2.4
Relative Energies of Atomic Orbitals . . .
2.5
Electron Configurations . . . . . . . . . . .
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Table of Contents ii
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
3
4
Valence and Core Electrons . . .
The Periodic Table and Electron
Summary . . . . . . . . . . . . .
Additional Exercises . . . . . . .
Answers to Exercises 2. . . . . .
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Configurations
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109
111
113
113
116
Periodic Properties of the Elements
3.1
Contents in Brief . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3
Effective Nuclear Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4
Atomic Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5
The Size of Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6
Ionization Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7
Electron Affinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.8
Electronegativity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.9
Solid State Properties: Metals, Metalloids and Non-Metals
3.10
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.11
Additional Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.12
Answers to Exercises 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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. 130
. 130
. 134
Chemical Bonding and MO Theory
4.1
Contents in Brief . . . . . . . . . . . . . . .
4.2
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3
Electrostatic Interactions and Ionic Bonding
4.4
Covalent Bonding . . . . . . . . . . . . . . .
4.5
Delocalized Electron Model . . . . . . . . . .
4.6
Molecular Orbital Diagram for Dihydrogen .
4.7
Second Row Diatomic Molecules . . . . . . .
4.8
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.9
Additional Exercises . . . . . . . . . . . . . .
4.10
Answers to Exercises 4 . . . . . . . . . . . .
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142
143
145
151
151
155
Table of Contents
iii
5
6
7
The Lewis Bonding Model
5.1
Contents in Brief . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3
Lewis Drawings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4
Sequential Procedure for Drawing Lewis Structures . . . . . .
5.5
Alternative Procedure for Drawing Lewis Structures . . . . . .
5.6
Lewis Structures for Structural Isomers . . . . . . . . . . . . .
5.7
Resonance, Energy Equivalent Structures and “Curly Arrows”
5.8
Limitations of the Lewis Bonding Model . . . . . . . . . . . .
5.9
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.10
Additional Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.11
Answers to Exercises 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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174
179
179
180
183
Molecular Structure and the VSEPR Model
6.1
Contents in Brief . . . . . . . . . . . . . . .
6.2
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3
Principles of the VSEPR Model . . . . . . .
6.4
Procedure for Predicting Molecular Shape .
6.5
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6
Additional Exercises . . . . . . . . . . . . . .
6.7
Answers to Exercises 6 . . . . . . . . . . . .
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192
196
198
201
Valence Bond Theory (Hybridization)
7.1
Contents in Brief . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3
Hybrid Atomic Orbitals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4
Hybridization in Compounds Containing the Heavy Elements
7.5
Compounds Involving Lone Pairs in Hybrid Orbitals . . . . .
7.6
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.7
Additional Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.8
Answers to Exercises 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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207
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222
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Table of Contents
iv
8
9
Bond
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8
8.9
Polarity and Molecular Polarity
Contents in Brief . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Electronegativity and Bond Polarity . . . . . . . . . . .
Molecular Polarity and Dipole Moment . . . . . . . . .
Polarity of Polyatomic Ions and Ionic Compounds . . .
Non-covalent Intermolecular and Inter-ion Interactions
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Additional Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Answers to Exercises 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Quantitative Description of Aqueous Solutions
9.1
Contents in Brief . . . . . . . . . . . . . . . .
9.2
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3
General Characteristics of Aqueous Solutions .
9.4
Solution Concentration . . . . . . . . . . . . .
9.5
Mass % . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.6
Mole Fraction (X) . . . . . . . . . . . . . . . .
9.7
Molarity (M) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.8
Dilution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.9
Reactions Involving Aqueous Solutions . . . .
9.10
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.11
Additional Exercises . . . . . . . . . . . . . . .
9.12
Answers to Exercises 9 . . . . . . . . . . . . .
10 Qualitative View of Acid-Base Equilibria in
10.1
Contents in Brief . . . . . . . . . . . . . .
10.2
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3
Strong Acids . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4
Strong Bases . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5
Weak Acids and Weak Bases . . . . . . . .
10.6
The Equilibrium Constant . . . . . . . . .
10.7
Autodissociation of Water . . . . . . . . .
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Aqueous
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225
225
225
226
228
230
231
236
236
238
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. 244
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. 258
Solution
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261
261
261
262
263
264
267
269
Table of Contents v
10.8
10.9
10.10
10.11
10.12
10.13
pKa and pKb . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Polyprotic Acids . . . . . . . . . . . . . . . . .
Structural Influences on the Magnitude of pKa
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Additional Exercises . . . . . . . . . . . . . . .
Answers to Exercises 10 . . . . . . . . . . . . .
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or pKb
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270
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279
283
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290
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Bases
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295
295
295
296
299
301
307
315
317
318
321
12 Applications of Acid-Base Equilibria: Buffer Solutions
12.1
Contents in Brief . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.2
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3
Buffer Solutions from a Weak Acid and Its Conjugate Base . . . . .
12.4
Henderson-Hasselbalch Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5
Buffering Action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.6
Buffer Solutions from Weak Acids (Bases) and Strong Bases (Acids)
12.7
Preparation of Buffer Solutions of a Desired pH . . . . . . . . . . .
12.8
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.9
Additional Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.10 Answers to Exercises 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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325
325
325
326
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331
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339
345
345
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11 Quantitative Acid-Base Chemistry in Aqueous Solution
11.1
Contents in Brief . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3
pH and pOH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4
Acid-Base Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.5
Titrations Involving Strong Acids and Strong Bases . . . .
11.6
Determining the pH for Solutions of Weak Acids and Weak
11.7
Solutions of Acidic or Basic Salts . . . . . . . . . . . . . .
11.8
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.9
Additional Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.10 Answers to Exercises 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Table of Contents
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13 Coordination Chemistry
13.1
Contents in Brief . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.2
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3
Lewis Acids and Bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.4
Complex Ions and Transition Metal Coordination Compounds . .
13.5
Ligands and Oxidation Numbers of the Central Metal . . . . . . .
13.6
Electron Counting in Transition Metal Complexes . . . . . . . . .
13.7
Coordination Geometries of Complex Ions . . . . . . . . . . . . .
13.8
Bonding and Electronic Structure of Transition Metal Complexes
13.9
Magnetic Properties of Transition Metal Complexes . . . . . . . .
13.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.11 Additional Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13.12 Answers to Exercises 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14 Gases
14.1
Contents in Brief . . . . . . . . . . .
14.2
Introduction . . . . . . . . . . . . . .
14.3
The Mercury Barometer and Pressure
14.4
The Ideal Gas Law . . . . . . . . . .
14.5
Density of Gases . . . . . . . . . . . .
14.6
Dalton’s Law of Partial Pressures . .
14.7
Real Gases . . . . . . . . . . . . . . .
14.8
Summary . . . . . . . . . . . . . . . .
14.9
Additional Exercises . . . . . . . . . .
14.10 Answers to Exercises 14 . . . . . . . .
Index
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Table of Contents vii