general’science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/lectures/gsci101/11chemistry.pdf ·...

54
General Science 101 The atomic nature of Ma5er Chapters 11 and 32

Upload: others

Post on 14-Feb-2020

7 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

General  Science  101    

The  atomic  nature  of  Ma5er    

Chapters  11  and  32  

Page 2: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic  2  

•  First  developed  concept  of  atom  

•  Atom  is  the  smallest  parEcle  that  could  not  be  divided  any  further  

Democritus  and  Leuccipus    (5th  century  BCE)  

The  Atomic  hypothesis  

Aristotle  (350  BCE)  

•  All  ma5er  is  composed  of  combinaEons  of  4  elements      –  Earth  (solids)  

     –  air  (gas)        –  water  (liquids)  

   –  fire  (state  of  flame)    

•  Persisted  for  more  than  2000  years  

Page 3: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

The  discovery  of  atom  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic  3  

John  Dalton  (1766  -­‐  1844)  

•  Set  foundaEons  of  modern  chemistry  by  proposing  his  atomic  theory  

 1)  All  ma5er  is  made  of  atoms.  Atoms  are                            indivisible  and  indestrucEble.    

 2)  All  atoms  of  a  given  element  are  idenEcal                                in  mass  and  properEes.    

 3)  Compounds  are  formed  by  a  combinaEon                            of  two  or  more  different  kinds  of  atoms.    

 4)  A  chemical  reacEon  is  a  rearrangement  of                            atoms.    

•  No  proof  

Basics  of  Dalton’s  theory  are  sEll  valid.  

Page 4: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   4  

•  Sco]sh  botanist  

•  Observed  that  grains  of  pollen  placed  into  a    clear  liquid  moved  strangely  as  if  pushed  with  invisible  parEcles  –  Brownian  mo*on  

•  The  first  detecEon  of  atoms  

Robert  Brown  (1773  –  1858)  

The  discovery  of  atom  

Albert  Einstein  (1879  –  1955)    

•  1905  –  explained  Brownian  moEon  and  confirmed  the  existence  of  atoms  

•  Also  got  Nobel  prize  for  this  

Page 5: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Atomic  structure  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   5  

Brown  –  All  ma5er  is  made  of  atoms.  Atoms  are  indivisible  and  indestrucEble.  

Atomic  structure    

•  Atomic  nucleus  –  filled  with  nucleons  •  Protons  –  posiEvely  charged  

nucleons  •  Neutrons  –  neutral  nucleons  

•  Electron  shell  –  negaEvely  charged  

Page 6: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Discovery  of  atomic  nucleus  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   6  Same  charges  repel  and  opposite  charges  a5ract  each  other.  

Ernest  Rutherford  (1907)  

Atom  –  small,  massive  and  posiEvely  charged  core  (nucleus)          –  large  shell  filled  with  light  electrons  

Page 7: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Discovery  of  the  electrons  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   7  

Joseph  John  Thomson  (1897)  

Chapter  32  –  The  atom  and  quantum    

Page 8: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Conceptual  quesEon:  Atomic  structure  

Proton.    

Neutron.    

Electron.    

Except  for  slight  differences,  all  have  about  the  same  mass.    

Need  more  informaEon  

 

Which  of  the  following  has  the  smallest  mass?  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   8  

✓  

Page 9: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

The  elements  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   9  

Substance  composed  of  only  one  kind  of  atom  is  called  an  element.  

ScienEsts  discovered  117  different  kinds  of  elements    

 –  90  occur  in  nature.    –  Others  produced  in  laboratory  are  unstable.  

Page 10: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

The  Elements  

99.9  %  of  Earth  is  formed  from  a  dozen  of  the  elements  

ComposiEon  of  living  things  include  these  5  elements:  •  Oxygen  (O)  •  Carbon  (C)  •  Hydrogen  (H)  •  Nitrogen  (N)    •  Calcium  (Ca)  

 

10  GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic  

Page 11: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Atomic  structure  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   11  

ProperEes  of  elements  and  atoms    1.   Atomic  number  (Z)  –  number  of  protons  in  the  nucleus  of  an  atom  

               –  neutral  atom:  number  of  protons  =                                number  of  electrons                      –  all  atoms  in  elements  have  the  same  Z  

Example:  Hydrogen  (H)    

Z  =  1  →  1  proton  Neutral  hydrogen  →  1  electron  

Page 12: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Atomic  structure  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   12  

ProperEes  of  elements  and  atoms    2.        Mass  number  (A)  –  total  number  of  protons  and  neutrons  together  

             Example:  Hydrogen  (H)    

Z  =  1  →  1  proton  Neutral  hydrogen  →  1  electron    

A  =  1  →  0  neutrons  

Example:  Lithium  (Li)    

Z  =  3  →  3  protons  Neutral  Li  →  3  electrons    

A  =  7  →  4  neutrons  

Page 13: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Isotopes  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   13  

Atoms  of  the  same  element  that  have  different  numbers  of  neutrons  are  called  isotopes.  

We  idenEfy  isotopes  by  their  mass  number  A.  

Three  isotopes  of  Carbon  

Page 14: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Atomic  structure  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   14  

ProperEes  of  elements  and  atoms    2.   Atomic  mass  (A)  –  total  mass  of  an  atom  

a)  Electrons  –  small  mass  →  negligible  contribuEon  b)  Protons  c)  Neutrons                  

Atoms  have  so  small  mass  that  it  is  hard  to  express  their  mass  in  grams  and  kilograms  →  atomic  mass  unit  (amu)      -­‐  1nucleon  (proton  or  neutron)  →  mass  of  1  amu  

Atomic  mass  unit  is  defined  as  1/12  of  the  mass  of  a  carbon-­‐12  (12C)  

Page 15: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Conceptual  quesEon:  Atomic  structure  

Protons  in  the  nucleus  of  an  atom.    

Electrons  in  a  neutral  atom.    

All  of  the  above.    

None  of  the  above.  

The  atomic  number  of  an  element  matches  the  number  of  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   15  

✓  

Page 16: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Conceptual  quesEon:  Atomic  structure  

44  neutrons.    

56  neutrons.    

100  neutrons.    

None  of  the  above.  

A  nucleus  with  an  atomic  number  of  44  and  a  mass  number  of  100  must  have  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   16  

✓  

Z  =  44  →  44  protons  A  =  100  →  100  –  44  =  56  neutrons  

Page 17: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Electron  configuraEon  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   17  

Niels  Bohr  (1885  –  1962)  

•  Postulated  the  idea  of  atomic  structure  based  on  Rutherford’s  experiments  

•  Electrons  populate  shells  with  specific  energies  around  nucleus  

1.  Electrons  in  the  same  shell  have  the  same  energy.  

2.  Electrons  can  only  jump  between  shells.  

Page 18: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Why  don’t  electrons  fall  onto  the  nucleus?  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   18  

Electrons  are  not  just  parEcles,  they  are  waves  too!  

Even  more,  they  standing  waves    è  These  waves  close  in  on  themselves.  

Not  an  orbit  for  an  electron.  

Electron’s  mass  and  charge  are  spread  out  over  the  wave.  

Even  the  smallest  orbit  of  electrons  sEll  has  to  close  on  itself      è Electrons  cannot  fall,  they  have                to  circle.    

Page 19: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Why  don’t  electrons  fall  onto  the  nucleus?  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   19  

Electrons  are  not  just  parEcles,  they  are  waves  too!  

Page 20: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   20  

Why  don’t  electrons  fall  onto  the  nucleus?  

Modern  quantum  mechanics  –  electron  wave  is  spread  out  in  3  dimensions  forming  an  electron  “cloud”  of  probability.    

We  can  only  calculate  the  probability  of  finding  the  electron  in  the  cloud  (Schrodinger’s  wave  equa3on).  

Why?    

Because  of  the  Heisenberg  uncertainty  principle.              We  ether  know  where  the  electron  is                  or  how  fast  it  is.  

Page 21: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Electron  configuraEon  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   21  

Niels  Bohr  (1885  –  1962)  

•  Postulated  the  idea  of  atomic  structure  based  on  Rutherford’s  experiments  

•  Electrons  populate  shells  with  specific  energies  around  nucleus  

1.  Electrons  in  the  same  shell  have  the  same  energy.  

2.  Electrons  can  only  jump  between  shells.  

Page 22: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Electron  configuraEon  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   22  

The  arrangement  of  electrons  in  shells  is  called  electron  configura*on.    

Elements  may  have  up  to  7  shells  also  called  energy  levels    

a)  n  =  1,  shell  K  b)  n  =  2,  shell  L  c)  n  =  3,  shell  M,  …  

Each  shell  may  have  up  to  4  subshells  also  called  orbitals    

a)  s  =  2  electrons  b)  p  =  8  c)  d  =  10  d)  f  =  14  

Page 23: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Electron  configuraEon  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   23  

Number  of  orbitals  in  a  shell  ≤  n  (number  of  the  shell).    

 

a)  n  =  1,  only  s  orbital  and  up  to  2  electrons  →  1s2  

b)  n  =  2,  s  and  p  orbitals  →  2s2  2p6  

c)  n  =  3,  s,  p,  and  d  orbitals      →  3s2  3p6  3d10    

 

d)    n  =  4,  s,  p,  d,  and  f  orbitals      →  4s2  4p6  4d10  4f14  

 

e)    n  =  5,  s,  p,  d,  and  f  orbitals      →  5s2  5p6  5d10  5f14  

Example:  Chlorine  17Cl  Z  =  17  →  17  protons  →  17  electrons  

n  =1  →  1s2  (2  electrons)  n  =  2  →  2s2  2p6    (8  electrons)  n  =  3  →  3s2  3p5  (7  electrons)  

Page 24: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Electron  configuraEon  -­‐  rules  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   24  

Exercise  :  Find  the  electron  configuraEon  copper  29Cu  Z  =  29  →  29  electrons  

1s2  2s2  2p6  3s2  3p6  4s2  3d9  

n  =  1  →  1s2  (2  electrons)  n  =  2  →  2s2  2p6    (8  electrons)  n  =  3  →  3s2  3p6  (8  electrons)  –  total  of  18  electrons      n  =  4  →  4s2  (2  electrons)  –  total  of  20  electrons      n  =  3  →  3d9    

4s  orbital  comes  before  3d  orbital!  

Before  going  to  3d  orbital  check  what  happens  with  4s    

Page 25: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Periodic  table  of  elements  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   25  

Page 26: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Periodic  table  of  the  elements  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   26  

a)  Elements  are  classified  by  their  atomic  number  (Z)  

b)  Groups                A  –  representaEve  elements                B  –  transiEon  elements  

Periods  –  how  many  shells  (n)  are  there  in  an  atom    

Group  A  –  how  many  electrons  are  in  the  last  shell  

Page 27: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Periodic  table  of  the  elements  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   27  

Group  A    a)  I  A  –  1  electron  –  alkali  metals  

(shiny,  sot  metals)  

b)  II  A  –  2  electrons  –  alkaline  earth  metals  

c)  VII  A  –  7  electrons  –  halogens  (very  reacEve)  

d)  VIII  A  –  8  electrons  –  filled  outer  shell  –  inert  gases  (colorless,  odorless,  nonreacEve  gases)  

Page 28: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Exercise:  Periodic  pracEce    

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   28  

Write  down  the  electron  configuraEon  of  silicon  (14Si)  and  then  idenEfy  its  period  and  group.  Silicone  14Si  Z  =  14  →  14  protons  →  14  electrons  

n  =1  →  1s2  (2  electrons)  n  =  2  →  2s2  2p6    (8  electrons)  n  =  3  →  3s2  3p2  (4  electrons)  

Silicon  belongs  to  3rd  period,  IV  A  group    

What  about  iron  (26Fe)?  Iron  26Fe  Z  =  26  →  26  protons  →  26  electrons  

n  =1  →  1s2  (2  electrons)  n  =  2  →  2s2  2p6    (8  electrons)  n  =  3  →  3s2  3p6  (8  electrons)  n  =  4  →  4s2  (2  electrons)  -­‐  total  of  20  electrons  n  =  3  →  3d6  

Iron  belongs  to  4rd  period,  VIII  B  group    (you  add  up  2e-­‐from  4s  and  6e-­‐  from  3d)      

Page 29: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Ions  and  neutrals  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   29  

Neutral  atom  è  number  of  protons  =  number  of  electrons  

If  an  atom  loses/gains  a  proton  è  it  becomes  a  different  atom  (element).  If  an  atom  loses/gains  a  neutron  è  it  becomes  a  different  isotope  of  the  same  element.  

Page 30: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Compounds  and  mixtures    

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   30  

When  atoms  of  different  elements  bond  to  one  another,  they  make  a  compound.  

–  A  compound  is  different  from  the  elements  from  which  it  is  made.    –  It  can  only  be  separated  into  its  consEtuent  elements  by  chemical  means.    Example:  Salt  (a  compound  of  sodium  and  chlorine)  

 A  substance  that  is  mixed  together  without  chemically  bonding  is  

called  a  mixture.  

Example: Air (a mixture of several gases)

Page 31: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Molecules  Molecules  •  Two  or  more  atoms  bonded  together    Example:    •  NH3  (ammonia)  •  3  atoms  of  hydrogen  and  1  atom  of  nitrogen  

Why  do  atoms  bond  into  molecules?  GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   31  

Page 32: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Valence  electrons  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   32  

Electrons  populaEng  the  last  electron  shell  are  called  valence  electrons.  

•  Groups  in  the  periodic  table  contain  an  informaEon  on  how  many  valence  electrons  each  element  has.  •  VIII  A  group  –  8  electrons  filled  shell  –  most  stable  elements  

Carbon  6C  Z  =  6  →  6  electrons  

n  =1  →  1s2  (2  electrons)  n  =  2  →  2s2  2p2    (4  electrons)  

Octet  rule  –  atoms  a5empt  to  acquire  an  outer  shell  with  8  electrons.      

Page 33: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Halogen  elements  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   33  

Group  VII  A  –  7  valence  electrons  

Fluorine  9F  Z  =  9  →  9  electrons  

n  =1  →  1s2  (2  electrons)  n  =  2  →  2s2  2p5    (7  electrons)  

Fluorine  is  one  electron  short  of  having  a  completely  full  2p  orbital.  

•  To  saEsfy  the  octet  rule  and  have  stable  configuraEon  with  8  valence  electrons,  fluorine  is  pracEcally  begging  to  gain  1  electron  

•  On  the  other  hand,  fluorine  (and  the  other  halogens)  isn’t  too  keen  on  accepEng  any  more  than  one  electron.      

Page 34: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Other  elements  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   34  

Group  VI  A  –  6  valence  electrons  Oxygen  8O  Z  =  8  →  8  electrons  

n  =1  →  1s2  (2  electrons)  n  =  2  →  2s2  2p4    (6  electrons)  

Oxygen  has  two  vacancies  in  the  last  shell.  

Group  V  A  –  5  valence  electrons  Nitrogen  7N  Z  =  7  →  7  electrons  

n  =1  →  1s2  (2  electrons)  n  =  2  →  2s2  2p3    (5  electrons)  

Nitrogen  has  three  vacancies  in  the  last  shell.  

Page 35: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

On  the  other  side  of  periodic  table  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   35  

Group  I  A  –  1  valence  electron  

Sodium  11Na  Z  =  11  →  11  electrons  

n  =1  →  1s2  (2  electrons)  n  =  2  →  2s2  2p6    (8  electrons)  n  =  3  →  2s1    (1  electron)  

Only  one  electron.  If  sodium  gets  rid  of  that  electron,  then  the  configuraEon  of  the  remaining  electrons  is  very  stable.  

Page 36: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   36  

Metals  These  elements  are  trying  to  lose  an  electron,  or  two.  

Non-­‐metals  These  elements  are  trying  to  gain  an  electron,  or  two  (even  three).  

We  are  not  going  to  discuss  these,  they  are  too  complicated.    

Page 37: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Ionic  bonds    

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   37  

In  an  ionic  bond,  a  metal  gives  up  one  or  more  electrons  and  a  non-­‐metal  accepts  one  or  more  electrons.  

What  happens  when  a  sodium  atom  meets  a  chlorine  atom?  

Na      

loses  electron  è  posiEve  ion  

Cl    

gains  electron  è  negaEve  ion  

The  oppositely  charged  ions  stay  bound  together,  forming  the  molecule  NaCl  (table  salt)  

Page 38: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Ionic  bonds  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   38  

What  happens  if  magnesium  meets  up  with  chlorine?  

Cl  Cl  

One  of  magnesium’s  extra  electrons  goes  to    a  chlorine  atom,  but  that  chlorine  atom  won’t  accept  more.  

So  another  chlorine  atom  appears  and  takes  the  other  electron  magnesium  wants  to  give  up.    In  this  molecule,  for  every  one  magnesium  we  have  two  chlorines:    MgCl2.  

Mg  

Page 39: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Covalent  bonds  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   39  

A  covalent  bond  is  a  chemical  bond  formed  by  the  SHARING  of  at  least  a  pair  of  electrons.  

•  Each  of  these  fluorine  atoms  is  willing  to  share  one  electron  with  the  other.      

•  Each  fluorine  atom  is  then  fooled  into  thinking  it  has  the  same  configuraEon  as  neon.    The  resulEng  molecule  is  F2.  

Page 40: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Covalent  bonds  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   40  

•  Similar  processes  occur  to  form  H2,  Cl2,  Br2  and  I2.      

•  What  about  oxygen?  

•  Each  atom  of  oxygen  is  willing  to  share  two  electrons.  

•  Each  oxygen  shares  two  of  its  electrons  with  another  oxygen.      

•  Each  oxygen  atom  is  then  fooled  into  thinking  it  has  the  same  configuraEon  as  neon.    The  resulEng  molecule  is  O2.  

Page 41: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Covalent  bonds  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   41  

Naturally,  non-­‐metal  atoms  can  join  up  with  non-­‐metal  atoms  of  other  elements  in  covalent  bonds.  

The  red  circles,  represenEng  the  electrons,  are  ge]ng  shared    •  Each  hydrogen  atom  “has”  2  

electrons  

•  Oxygen  atom  “has”  8  electrons  

Page 42: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Molar  mass  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   42  

Molar  mass  of  a  molecule  is  the  sum  of  the  atomic  masses  (amu)  of  all  the  atoms  in  a  molecule.  

Exercise  :  What  is  the  molar  mass  of  water,  which  has  the  formula  H2O?  

Atoms   Atomic  mass  unit  (amu)  

2  of  H   2  x  1  amu   =   2  amu  

1  of  O   1  X  16  amu   =   16  amu  

Molar  mass  (M)   =   18  amu  

Page 43: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Exercise:  Molar  mass  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   43  

What  is  the  molar  mass  of  ethyl  alcohol,  which  has  the  formula  C2H5OH?    

Atoms   Atomic  mass  unit  (amu)  

2  of  C   2  x  12  amu   =   24  amu  

6  of  H   6  x  1  amu   =   6  amu  

1  of  O   1  X  16  amu   =   16  amu  

Molar  mass  (M)  

=   46  amu  

Page 44: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Units  of  measurement  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   44  

Atomic  mass  unit  (amu)  is  based  on  12  g  of  isotope  Carbon-­‐12.    

In  12  g  of  Carbon-­‐12  there  is    6.0  x  1023  atoms  è  Avogadro’s  number  (Na)    

The  amount  of  substance  that  contains  Avogadro’s  number  of  parEcles  is  defined  as  a  MOLE  of  the  substance.  

1  mole  è  Na  =  6.0  x  1023  parEcles  è  12  g  of  Carbon-­‐12  

What  about  other  elements?  

Hydrogen:          1  mole  è  6.0  x  1023  parEcles  è  1  g  of  Hydrogen-­‐1  Oxygen:                  1  mole  è  6.0  x  1023  parEcles  è  16  g  of  Hydrogen-­‐16  Magnesium:  1  mole  è  6.0  x  1023  parEcles  è  24  g  of  Magnesium-­‐24  

Page 45: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Conceptual  quesEon:    Mole  and  Avogadro’s  number  

1.    

10.    

6.0x1023    

15x6.02x1023    

31x6.02x1023    

How  many  atoms  is  in  1  mole  of  Phosphorus  (P)?  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   45  

✓  

One  mole  of  any  element  is  always  6.0  x  1023  atoms.  

Three  moles  of  any  element  are  always  3  x  6.0  x  1023  atoms  =  18  x  1023  atoms,  etc.  

NotaEon  for  mole  is:  n  (small  le5er  n).  

Or,  by  applying  mathemaEcal  formula:  

N = n ⋅Na N  –  number  of  parEcles  n  –  number  of  moles  Na  –  Avogadro’s  number  

Page 46: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Mass  of  elements  and  molecules  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   46  

Mass  of  an  element/molecule  is  given  with  the  formula:  

m = n ⋅M m  –  mass  of  the  molecule  given  in  grams  n  –  number  of  moles  M  –  molar  mass  given  in  amu  

Example:  What  is  the  mass  of  2  moles  of  water?  

First,  find  the  molar  mass  of  the  water  M(H2O):  M(H2O)  =  2xA(H)  +  1xA(O)  

             =  2x1  +  1x16  =  18  amu  

Then,  find  the  mass  using  the  formula:  m(H2O)  =  n  x  M(H2O)    

             =  2  moles  x  18  amu                =  36  g  

If  we  are  looking  for  the  mass  of  an  element  than  use  atomic  mass  of  the  element.  

Page 47: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Conceptual  quesEon:    Mole  and  Avogadro’s  number  

36  amu.    

36  g.    

72  amu.    

72  g.    

Need  more  info.    

What  is  the  mass  of  2  moles  of  Chlorine  atom?  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   47  

✓  

What  about  chlorine  molecule  Cl2?  

The  same  rules  apply  for  molecules  just  instead  of  atomic  mass  unit  you  should  use  molar  mass  (M).    

Atomic  mass  of  chlorine  A(Cl)  =  36  amu  

m(Cl)  =  n  x  A(Cl)  =  2  moles  x  36  amu  =  72  g  

The  molar  mass:  M(Cl2)  =  2  x  A(Cl)  =  2x36  =  72  amu  

m(Cl2)  =  n  x  M(Cl2)  =  2  moles  x  72  amu  =  144  g  

Page 48: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Exercise:  Mole  and  mass  I    

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   48  

What  is  the  mass  of  4  moles  of  iron  oxide,  Fe2O3?    

m  =  n  x  M(Fe2O3)      

First,  find  the  molar  mass  of  the  iron  oxide  M(Fe2O3):  

M(Fe2O3)  =  2xA(Fe)  +  3xA(O)  =  2x56  +  3x16  =  112  +  48  =  160  amu  

m  =  4  moles  x  M(F2O3)  =  4  moles  x  160  amu  =  640  g  =  0.64  kg    

Page 49: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Exercise:  Mole  and  mass  II    

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   49  

How  many  atoms  are  in  96  g  of  O2?  

To  find  number  of  atoms  we  need  number  of  moles  in  O2  

Since:    

m  =  n  x  M(O2)    

If  we  find  molar  mass  of  O2  we  could  solve  for  number  of  moles.    

Molar  mass  of  O2:  M(O2)  =  2xA(O)  =  2x16  =  32  amu  

Number  of  moles  of  O2:  96  g=  n  x  32  amu  è  n  =  96/32  =  3  moles  

Number  of  atoms  of  O2:  N  =  n  x  Na    N  =  3  moles  x  6x1023  =  18x1023  atoms  

Page 50: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

AnEma5er  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   50  

Ma5er  è  Composed  of  atoms  with  posiEve  nuclei  and  nega3ve  electrons    

An*maYer  è  Composed  of  atoms  with  nega*ve  nuclei  and  posi%ve  electrons  (positrons)  

Page 51: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

AnEma5er  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   51  

•  Positron  was  discovered  in  1932  •  The  first  arEficial  anE-­‐atom  was  constructed  in  1995  

Every  charged  parEcle  has  an  anEparEcle  of  the  same  mass  and  opposite  charge.    

Even  neutrons  have  anE-­‐neutrons.  

Page 52: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

AnEma5er  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   52  

•  GravitaEonal  force  does  not  disEnguish  between  ma5er  and  anEma5er  •  Both  ma5er  and  anEma5er  emit  the  same  light  

There  could  be  galaxies  made  of  anEma5er  and  we  would  not  know!  

But  when  anEma5er  meets  the  ma5er  they  mutually  annihilate  each  other  converEng  the  equal  amounts  of  ma5er  and  anEma5er  

to  energy  (E=mc2)    

Page 53: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Conceptual  quesEon:  AnEma5er  

1  gram.    

2  grams.    

4  grams.    

Much  more  than  4  grams.    

 

If  1.0  gram  of  anEma5er  meets  with  4.0  grams  of  ma5er,  the  energy  released  would  correspond  to  the  energy  equivalent  of  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   53  

✓  

When  ma5er  meets  the  anEma5er  they  annihilate  the  equal  amounts  of  masses.    Since  we  have  only  1  gram  of  anEma5er  è  this  is  the  most  mass  that  anEma5er  can  annihilate  

+  The  same  amount  of  mass  from  the  ma5er  (1  g)      è Total  energy  released  corresponds  to  the  

energy  equivalent  of        1  g  +  1  g  =  2  g  

Page 54: General’Science’101’csma31.csm.jmu.edu/physics/nikolic/Lectures/GSCI101/11Chemistry.pdf · GSCI101,’Prof.’M.’Nikolic’ 2 • Firstdeveloped’conceptof’atom’ •

Dark  ma5er  

GSCI  101,  Prof.  M.  Nikolic   54  

Dark  ma5er  is  NOT  an  anEma5er!  

Dark  ma5er  is  the  strange  and  unknown  ma5er  that  cannot  be  seen,  since  it  does  not  reflect,  absorb  or  emit  light.  

ScienEsts  predicted  dark  ma5er  because  gravity  laws  were  not  adding  up  for  most  of  the  galaxies  in  our  universe.    

Dark  energy  is  the  property  of  space  –  it  counterparts  the  gravity  and  causes  the  universe  to  expand.