CHEMISTRY Module 1 Fundamentals of Chemistry

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CHEMISTRY Module 1
Fundamentals of Chemistry

Fundamentals of Chemistry

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TABLE OF CONTENTS

TABLE OF CONTENTS
LIST OF FIGURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
LIST OF TABLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi
OBJECTIVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
CHARACTERISTICS OF ATOMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Characteristics of Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 The Atom Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Chemical Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Avogadro’s Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 The Mole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Mole of Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
THE PERIODIC TABLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Periodic Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Classes of the Periodic Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Group Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Atomic Structure of Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
CHEMICAL BONDING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Chemical Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Ionic Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Covalent Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Metallic Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Van der Waals Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Organic Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Alkanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Alkenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Alkynes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

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Aromatics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Alcohols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Aldehydes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Basic Chemical Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Forming Chemical Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Combining Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
CHEMICAL EQUATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Le Chatelier’s Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Molarity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Normality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Parts per Million . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Chemical Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Balancing Chemical Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
ACIDS, BASES, SALTS, AND pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Salts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 pOH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Dissociation Constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
APPENDIX A BASIC SEPARATION THEORY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-1 Isotopic Separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-1 Separation Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-2 Stage Separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-2 Barrier Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-5 Cascade Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-6 Circuit Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-7

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CONVERTERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-10
Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-10 Converter Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-10 The Gas Cooler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-12 Barrier Tubing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-12 Process Gas Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-12 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-13

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LIST OF FIGURES

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LIST OF FIGURES
Figure 1 Schematic of a Simple Atom (Helium) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Figure 2 A Mole of Gold Compared to a Mole of Copper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Figure 3 Periodic Table of the Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Figure 4 Regional Schematic of Periodic Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Figure 5 Electron Shells of Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Figure 6 Ionic Bond, Sodium Chloride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Figure 7 Covalent Bond, Methane CH4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Figure 8 Formation of the Carbon Dioxide Molecule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Figure 9 Coordinate Covalent Bond, Chlorate Ion ClO3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Figure 10 Van der Waals Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Figure 11 Alkane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Figure 12 Alkene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Figure 13 Alkyne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Figure 14 Aromatic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Figure 15 Alcohol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Figure 16 Aldehyde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Figure 17 Ion Product Constant for Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Figure A-1 "R" Stage Separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3 Figure A-2 Variation of Permeability with the Slope Factor and Change in Pressure . . . . A-6 Figure A-3 Pressures, Temperatures, and Flows in a Typical V-31 Stage . . . . . . . . . . . . A-8 Figure A-4 Typical Converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-11

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LIST OF TABLES

LIST OF TABLES

Table 1 Properties of the Atom and its Fundamental Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Table 2 Table of Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Table 3 Description of the Properties of the First Twenty Elements . . . . . . . . . . . . . . . 12 Table 4 Electrons, Orbital, and Shell Relationships in Atomic Structure . . . . . . . . . . . . 20 Table 5 Ion Product Constant and Neutral pH for Water at Various Temperatures . . . . . 51 Table A-1 Converter Stage Size vs. Location . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-10

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REFERENCES

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TERMINAL OBJECTIVE
1.0 Without references, DESCRIBE the characteristics of an atom.

OBJECTIVES

ENABLING OBJECTIVES

1.1 DEFINE the following terms:

a. States of matter b. Atomic weight c. Molecular weight

d. Mole e. Gram atomic weight f. Gram molecular weight

1.2 LIST the components of an atom, their relative sizes, and charges.

1.3 STATE the criterion used to classify an atom chemically.

1.4 DEFINE the following subdivisions of the periodic table:

a. Periods of the periodic table b. Groups of the periodic table c. Classes of the periodic table

1.5 Given a periodic table, IDENTIFY the following subdivisions:

a. Periods of the periodic table b. Groups of the periodic table c. Classes of the periodic table

1.6 LIST the characteristics that elements in the same group on the periodic table share.

1.7 DEFINE the term valence.

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OBJECTIVES

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TERMINAL OBJECTIVE
2.0 Given an incomplete chemical equation, BALANCE the equation by the method presented.

ENABLING OBJECTIVES

2.1 DEFINE the following terms:

a. Ionic bonds b. Van der Waals forces

c. Covalent bonds d. Metallic bonds

2.2 DESCRIBE the physical arrangement and bonding of a polar molecule.

2.3 DESCRIBE the three basic laws of chemical reactions.

2.4 STATE how elements combine to form chemical compounds.

2.5 EXPLAIN the probability of any two elements combining to form a compound.

2.6 DEFINE the following terms:

a. Mixture b. Solvent

c. Solubility d. Solute

e. Solution f. Equilibrium

2.7 STATE Le Chatelier’s principle.

2.8 DEFINE the following terms:

a. ppm b. Molarity

c. Density d. Normality

2.9 BALANCE chemical equations that combine elements and/or compounds.

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