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Unformatted text preview: CK-12 Chemistry Intermediate Wade Baxter, Ph.D. Say Thanks to the Authors Click (No sign in required) To access a customizable version of this book, as well as other interactive content, visit AUTHOR Wade Baxter, Ph.D. EDITORS Donald Calbreath, Ph.D. Max Helix CK-12 Foundation is a non-profit organization with a mission to reduce the cost of textbook materials for the K-12 market both in the U.S. and worldwide. Using an open-content, web-based collaborative model termed the FlexBook®, CK-12 intends to pioneer the generation and distribution of high-quality educational content that will serve both as core text as well as provide an adaptive environment for learning, powered through the FlexBook Platform®. Copyright © 2013 CK-12 Foundation, The names “CK-12” and “CK12” and associated logos and the terms “FlexBook®” and “FlexBook Platform®” (collectively “CK-12 Marks”) are trademarks and service marks of CK-12 Foundation and are protected by federal, state, and international laws. Any form of reproduction of this book in any format or medium, in whole or in sections must include the referral attribution link (placed in a visible location) in addition to the following terms. Except as otherwise noted, all CK-12 Content (including CK-12 Curriculum Material) is made available to Users in accordance with the Creative Commons Attribution-Non-Commercial 3.0 Unported (CC BY-NC 3.0) License ( licenses/by-nc/3.0/), as amended and updated by Creative Commons from time to time (the “CC License”), which is incorporated herein by this reference. Complete terms can be found at . Printed: December 13, 2013 iii Contents Contents 1 Introduction to Chemistry 1.1 What is Chemistry? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 The Scientific Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 11 17 2 Matter and Change 2.1 Properties of Matter . . 2.2 Classification of Matter 2.3 Changes in Matter . . . 2.4 References . . . . . . . . . . . 18 19 25 34 39 3 4 5 6 7 8 iv . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Measurements 3.1 The International System of Units 3.2 Unit Conversions . . . . . . . . . 3.3 Uncertainty in Measurements . . . 3.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 41 49 60 70 Atomic Structure 4.1 Atoms . . . . . . . . . . . . . . 4.2 The Nuclear Model of the Atom 4.3 Isotopes and Atomic Mass . . . 4.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 72 78 85 93 Electrons in Atoms 5.1 Light . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 The Quantum Mechanical Model 5.3 Electron Arrangement in Atoms 5.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 . 95 . 108 . 117 . 130 The Periodic Table 6.1 History of the Periodic Table . . . . . . . . . 6.2 Electron Configuration and the Periodic Table 6.3 Periodic Trends . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 132 141 151 166 Chemical Nomenclature 7.1 Ionic Compounds . . . 7.2 Molecular Compounds 7.3 Acids and Bases . . . . 7.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 169 185 191 197 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ionic and Metallic Bonding 198 8.1 Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 8.2 8.3 8.4 9 Contents Ionic Bonds and Ionic Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Metallic Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 Covalent Bonding 9.1 Lewis Electron Dot Structures . . 9.2 Molecular Geometry . . . . . . . 9.3 Polarity and Intermolecular Forces 9.4 Hybridization of Atomic Orbitals . 9.5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 225 238 251 264 277 . . . . 279 280 290 302 313 11 Chemical Reactions 11.1 Chemical Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Types of Chemical Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 315 324 340 12 Stoichiometry 12.1 Mole Ratios . . . . . . . . . . . . . 12.2 Stoichiometric Calculations . . . . . 12.3 Limiting Reactant and Percent Yield 12.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 342 349 360 370 13 States of Matter 13.1 Kinetic-Molecular Theory and Gases 13.2 Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3 Solids . . . . . . . . . . . . . . . . 13.4 Changes of State . . . . . . . . . . . 13.5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 372 381 390 400 407 14 The Behavior of Gases 14.1 Gas Properties . . . . . . . . . . . . 14.2 Gas Laws . . . . . . . . . . . . . . 14.3 Ideal Gases . . . . . . . . . . . . . 14.4 Gas Mixtures and Molecular Speeds 14.5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408 409 415 426 435 444 15 Water 15.1 15.2 15.3 15.4 10 The Mole 10.1 The Mole Concept . . . . . . 10.2 Mass, Volume, and the Mole 10.3 Chemical Formulas . . . . . 10.4 References . . . . . . . . . . Properties of Water . . . Aqueous Solutions . . . . Colloids and Suspensions References . . . . . . . . 16 Solutions 16.1 Solubility . . . . . . . 16.2 Solution Concentration 16.3 Colligative Properties . 16.4 Net Ionic Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 446 453 460 465 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466 467 476 487 495 v Contents 16.5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501 17 Thermochemistry 17.1 Heat Flow . . . . . . . . . 17.2 Thermochemical Equations 17.3 Heat and Changes of State 17.4 Hess’s Law . . . . . . . . 17.5 References . . . . . . . . . 18 Kinetics 18.1 Rates of Reactions . . 18.2 Rate Laws . . . . . . 18.3 Reaction Mechanisms 18.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Equilibrium 19.1 The Nature of Equilibrium 19.2 Le Châtelier’s Principle . . 19.3 Solubility Equilibrium . . . 19.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Entropy and Free Energy 20.1 Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2 Spontaneous Reactions and Free Energy 20.3 Free Energy and Equilibrium . . . . . . 20.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Acids and Bases 21.1 Acid-Base Definitions . . 21.2 The pH Concept . . . . . 21.3 Acid and Base Strength . 21.4 Acid-Base Neutralization 21.5 Salt Solutions . . . . . . 21.6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Oxidation-Reduction Reactions 22.1 The Nature of Oxidation and Reduction 22.2 Oxidation Numbers . . . . . . . . . . . 22.3 Balancing Redox Reactions . . . . . . . 22.4 References . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Electrochemistry 23.1 Electrochemical Cells 23.2 Cell Potentials . . . . 23.3 Electrolysis . . . . . 23.4 References . . . . . . 24 Nuclear Chemistry 24.1 Nuclear Radiation . 24.2 Half-Life . . . . . . 24.3 Fission and Fusion . 24.4 References . . . . . vi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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. . . . . . . . 27 Glossary 27.1 A. 27.2 B . 27.3 C . 27.4 D. 27.5 E . 27.6 F . 27.7 G. 27.8 H. 27.9 I . 27.10 J . 27.11 K . 27.12 L . 27.13 M 27.14 N . 27.15 O . 27.16 P . 27.17 Q . 27.18 R . 27.19 S . 27.20 T . 27.21 U . 27.22 V . 27.23 W 27.24 X . 27.25 Y . 27.26 Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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Introduction to Chemistry C HAPTER 1 Introduction to Chemistry Chapter Outline 1.1 W HAT IS C HEMISTRY ? 1.2 T HE S CIENTIFIC M ETHOD 1.3 R EFERENCES Do these cookies look delicious? Cooking and baking is one way that you may have experienced chemistry in your daily life. Baking powder and baking soda are both chemicals that undergo a reaction during the baking process to produce carbon dioxide. The carbon dioxide is responsible for the familiar “rising” of cookies and cakes. Of course, you know that it is very important to follow a recipe carefully in order to make the cookies turn out the way that you want. A chemist must also carefully follow specific procedures when he or she is attempting to synthesize new chemicals in the laboratory. While you read this book, you will learn about many different types of chemicals and chemical reactions. You will see how chemistry is a part of your life in many varied ways each and every day. This first chapter will introduce you to the basics of chemistry and the steps of the scientific method. Imagecopyright3445128471,2013. f romShutterstock.com 1 1.1. What is Chemistry? 1.1 What is Chemistry? Lesson Objectives • • • • • Define chemistry. Differentiate between the macroscopic and the microscopic as it relates to chemistry. Know the relationship between pure chemistry and applied chemistry. Identify and describe the five primary disciplines of chemistry. Describe some of the concerns of the modern world in which chemistry has played and will continue to play a role. Lesson Vocabulary • • • • • • • • • • • analytical chemistry applied chemistry biochemistry chemistry inorganic chemistry macroscopic matter microscopic organic chemistry physical chemistry pure chemistry Check Your Understanding Recalling Prior Knowledge • What are some areas of science with which you are familiar? • List some of the chemicals that influence your everyday life. Chemistry is a diverse and fascinating science that impacts our lives each and every day. In this first lesson, you will learn what chemistry is and some of the ways in which chemistry influences the modern world. A Definition of Chemistry Science is a general term used to describe the principled, rigorous study of the natural world. Many interconnected disciplines fall under this broader concept. For example, physics is the study of motion and forces. Biology is the 2 Chapter 1. Introduction to Chemistry study of living things. Geology is the study of the Earth ...
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