Honors General Chemistry - Course Notes

Honors General Chemistry - Course Notes


Chemistry 138 - Course Notes

Contents
I The Microscopic 1
1 Quantum Theory 2
1.1 Electromagnetic Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 The “Fall” of Classical Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Bohr’s Atomic Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.1 First attempts at the structure of the atom. . . . . . . . . . 7
1.4 The Postulates ofQuantumMechanics . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.1 TheHamiltonian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.2 TheHeisenberg Uncertainty Principle . . . . . . . . . . . . . 13
2 Quantum Models 15
2.1 Particle in a Box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 The HarmonicOscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 Interesting Aspects of the Quantum Harmonic Oscillator . . 21
2.3 TheMorseOscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Rigid Rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 Atoms 26
3.1 The Hydrogen Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1.1 The quantumnumbers of the hydrogen system . . . . . . . . 27
i
3.1.2 The energy levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.3 Ground and excited states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 TheOther Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.1 The Pauli exclusion principle . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2.2 Electronic configurations of atoms . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3 Periodic Properties of the Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4 Fundamentals of Chemical Bonding 35
4.1 Valence Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1.1 Lewis dot structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2 Chemical Bond Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3 Properties of the Chemical Bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4 ChargeDistribution in Covalent Compounds . . . . . . . . . . . . . 40
4.4.1 Formal charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.4.2 Electronegativity and bond polarity . . . . . . . . . . . . . . 41
5 Chemical Bonding: Valence Bond Theory 44
5.1 VSEPR Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.2 Valence Bond Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.2.1 Multiple Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.2.2 Hybridization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6 Molecular Spectroscopy 48
6.1 The Born—Oppenheimer Approximation. . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.2 Molecular Energy Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.2.1 The electronic energy levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.2.2 The vibrational levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.2.3 The rotational levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
ii
6.2.4 Putting it all together . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.3 Spectroscopy ofMolecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.3.1 Absorption Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.3.2 Fluorescence (or emission) Spectra . . . . . . . . . . . . . . 54
II The Macroscopic 56
7 Rudiments of Statistical Mechanics 57
7.1 Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7.1.1 Algebra for Probabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7.1.2 Factorials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
7.1.3 Combinations and Permutations . . . . . . . . . . . . . . . . 62
7.2 Statistics and Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7.3 The BoltzmannDistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
7.4 Partition Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.4.1 EnsembleAverages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.4.2 Relation between the Q and W . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.5 TheMolecular Partition Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
8 Gases 75
8.1 The IdealGas Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8.2 GasMixtures and Partial Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
8.3 Chemical Reactions BetweenGases . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.4 TheKineticMolecular Theory ofGases . . . . . . . . . . . . . . . . 80
9 The Zeroth and First Laws of Thermodynamics 82
9.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
9.1.1 Types of Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
iii
9.1.2 System Parameters (or properties) . . . . . . . . . . . . . . 83
9.2 Work and Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
9.2.1 P V work. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
9.2.2 MaximalWork: Reversible versus Irreversible changes . . . . 86
9.2.3 Heat Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
9.3 Equations of State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
9.3.1 Example 1: The IdealGas Law . . . . . . . . . . . . . . . . 90
9.3.2 Example 2: The van derWaals Equation of State . . . . . . 91
9.4 Temperature and the Zeroth Law of Thermodynamics . . . . . . . . 91
9.5 The First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.5.1 The internal energy state function . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.6 Calorimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
9.7 Hess’ Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
10 Entropy and the Second and Third Laws of Thermodynamics 99
10.0.1 Statements of the Second Law . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
10.1 Calculation of Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
10.1.1 Entropy change for changes in temperature. . . . . . . . . . 102
10.1.2 Isothermal expansion of an ideal gas: . . . . . . . . . . . . . 102
10.1.3 Entropy ofMixing of an ideal gas . . . . . . . . . . . . . . . 103
10.2 The Third Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
10.2.1 The Third Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
10.3 Time’s Arrow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
11 Equilibrium 107
11.1 TheOther Important State Functions of Thermodynamics . . . . . 107
11.2 Enthalpy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
iv
11.2.1 Heuristic definition: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
11.2.2 Hess’ Law revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
11.3 Helmholtz Free Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
11.3.1 Heuristic definition: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
11.4 Gibbs Free Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
11.4.1 Heuristic definition: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
11.5 Spontaneity of processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
11.6 Chemical potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
11.6.1 Reference States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
11.6.2 Chemical potential and solutions . . . . . . . . . . . . . . . 119
11.7 General Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
11.7.1 Free EnergyDiagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
11.7.2 An Example: The Partition Coefficient . . . . . . . . . . . . 125
12 Electrochemistry 127
12.1 Oxidation—Reduction (Redox) Reactions . . . . . . . . . . . . . . . 127
12.1.1 Balancing redox reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
12.2 Electrochemical Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
12.2.1 Cell diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
12.2.2 Cell potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
12.2.3 Reversible emf and free energy . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
12.2.4 The standard emf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
12.3 Concentration Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
12.3.1 Membrane Potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Honors General Chemistry, Course Notes

Αν σας άρεσε...

Αφήστε το σχόλιό σας από το Facebook!

Αγαπητοί φίλοι καλώς ήρθατε στο ψηφιακό σχολείο taexeiola

Στο blog αυτό θα προσπαθούμε συνεχώς να συλλέγουμε όσο το δυνατόν περισσότερα σχολικά βοηθήματα, λυσάρια, βιβλία, σημειώσεις κτλ. για τους μαθητές και τους εκπαιδευτικούς. Σκοπός μας είναι να βοηθήσουμε όλους εσάς που έχετε ανάγκη από βοηθητικά βιβλία και online video καθώς και τα σχολικά βιβλία δημοτικού, γυμνασίου και λυκείου. Βοηθήματα και βιβλία σε ηλεκτρονική μορφή σωστά αρχειοθετημένα ώστε να μπορείτε με ένα κλικ να βρείτε αυτό που ζητάτε εύκολα, γρήγορα και δωρεάν. Μακροπρόθεσμος στόχος μας είναι να δημιουργήσουμε ένα ολοκληρωμένο δωρεάν ηλεκτρονικό - ψηφιακό σχολείο για όσους το χρειάζονται. Τέλος θέλουμε να ευχαριστήσουμε θερμά όλους όσους προσφέρουν ελεύθερα τα βοηθήματα και τα βιβλία τους βοηθώντας όσους το έχουν ανάγκη. Όσοι εκπαιδευτικοί, φροντιστήρια ή εκδόσεις επιθυμούν να συμβάλουν στην προσφορά Ψηφιακών βοηθημάτων και εκπαιδευτικού υλικού και ταυτόχρονα να αναδείξουν το έργο τους, μπορούν να επικοινωνήσουν μαζί μας.
Να διευκρινίσουμε πως όλα τα βιβλία και βοηθήματα έχουν βοηθητικό χαρακτήρα. Στόχος τους είναι η βοήθεια του μαθητή και του εκπαιδευτικού και όχι η τυφλή αποδοχή των όσων αναφέρονται σε αυτά!
Επικοινωνήστε μαζί μας στο taexeiola@gmail.com. Επισκεφθείτε τις σελίδες μας στο facebook, στο twitter και στο Google+