General Chemistry

657 Pages·2012·16.245 MB·English

by  S. Ekambaram

General
Chemistry
This page is intentionally left blank.
General
Chemistry
S. Ekambaram
Former Scientist
Authentix Inc.
Texas, USA
Chennai • Delhi • Chandigarh
(cid:38)(cid:82)(cid:83)(cid:92)(cid:85)(cid:76)(cid:74)(cid:75)(cid:87)(cid:3)(cid:139)(cid:3)(cid:21)(cid:19)(cid:20)(cid:22)(cid:3)(cid:39)(cid:82)(cid:85)(cid:79)(cid:76)(cid:81)(cid:74)(cid:3)(cid:46)(cid:76)(cid:81)(cid:71)(cid:72)(cid:85)(cid:86)(cid:79)(cid:72)(cid:92)(cid:3)(cid:11)(cid:44)(cid:81)(cid:71)(cid:76)(cid:68)(cid:12)(cid:3)(cid:51)(cid:89)(cid:87)(cid:17)(cid:3)(cid:47)(cid:87)(cid:71)(cid:17)(cid:3)(cid:3)
(cid:47)(cid:76)(cid:70)(cid:72)(cid:81)(cid:86)(cid:72)(cid:72)(cid:86)(cid:3)(cid:82)(cid:73)(cid:3)(cid:51)(cid:72)(cid:68)(cid:85)(cid:86)(cid:82)(cid:81)(cid:3)(cid:40)(cid:71)(cid:88)(cid:70)(cid:68)(cid:87)(cid:76)(cid:82)(cid:81)(cid:3)(cid:76)(cid:81)(cid:3)(cid:54)(cid:82)(cid:88)(cid:87)(cid:75)(cid:3)(cid:36)(cid:86)(cid:76)(cid:68)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)
(cid:3)
(cid:49)(cid:82)(cid:3)(cid:83)(cid:68)(cid:85)(cid:87)(cid:3)(cid:82)(cid:73)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:76)(cid:86)(cid:3)(cid:72)(cid:37)(cid:82)(cid:82)(cid:78)(cid:3)(cid:80)(cid:68)(cid:92)(cid:3)(cid:69)(cid:72)(cid:3)(cid:88)(cid:86)(cid:72)(cid:71)(cid:3)(cid:82)(cid:85)(cid:3)(cid:85)(cid:72)(cid:83)(cid:85)(cid:82)(cid:71)(cid:88)(cid:70)(cid:72)(cid:71)(cid:3)(cid:76)(cid:81)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:92)(cid:3)(cid:80)(cid:68)(cid:81)(cid:81)(cid:72)(cid:85)(cid:3)(cid:90)(cid:75)(cid:68)(cid:87)(cid:86)(cid:82)(cid:72)(cid:89)(cid:72)(cid:85)(cid:3)(cid:90)(cid:76)(cid:87)(cid:75)(cid:82)(cid:88)(cid:87)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)
(cid:83)(cid:88)(cid:69)(cid:79)(cid:76)(cid:86)(cid:75)(cid:72)(cid:85)(cid:182)(cid:86)(cid:3)(cid:83)(cid:85)(cid:76)(cid:82)(cid:85)(cid:3)(cid:90)(cid:85)(cid:76)(cid:87)(cid:87)(cid:72)(cid:81)(cid:3)(cid:70)(cid:82)(cid:81)(cid:86)(cid:72)(cid:81)(cid:87)(cid:17)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)
(cid:3)
(cid:55)(cid:75)(cid:76)(cid:86)(cid:3)(cid:72)(cid:37)(cid:82)(cid:82)(cid:78)(cid:3)(cid:80)(cid:68)(cid:92)(cid:3)(cid:82)(cid:85)(cid:3)(cid:80)(cid:68)(cid:92)(cid:3)(cid:81)(cid:82)(cid:87)(cid:3)(cid:76)(cid:81)(cid:70)(cid:79)(cid:88)(cid:71)(cid:72)(cid:3)(cid:68)(cid:79)(cid:79)(cid:3)(cid:68)(cid:86)(cid:86)(cid:72)(cid:87)(cid:86)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:68)(cid:87)(cid:3)(cid:90)(cid:72)(cid:85)(cid:72)(cid:3)(cid:83)(cid:68)(cid:85)(cid:87)(cid:3)(cid:82)(cid:73)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:83)(cid:85)(cid:76)(cid:81)(cid:87)(cid:3)(cid:89)(cid:72)(cid:85)(cid:86)(cid:76)(cid:82)(cid:81)(cid:17)(cid:3)(cid:55)(cid:75)(cid:72)(cid:3)
(cid:83)(cid:88)(cid:69)(cid:79)(cid:76)(cid:86)(cid:75)(cid:72)(cid:85)(cid:3)(cid:85)(cid:72)(cid:86)(cid:72)(cid:85)(cid:89)(cid:72)(cid:86)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:72)(cid:3)(cid:85)(cid:76)(cid:74)(cid:75)(cid:87)(cid:3)(cid:87)(cid:82)(cid:3)(cid:85)(cid:72)(cid:80)(cid:82)(cid:89)(cid:72)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:92)(cid:3)(cid:80)(cid:68)(cid:87)(cid:72)(cid:85)(cid:76)(cid:68)(cid:79)(cid:3)(cid:76)(cid:81)(cid:3)(cid:87)(cid:75)(cid:76)(cid:86)(cid:3)(cid:72)(cid:37)(cid:82)(cid:82)(cid:78)(cid:3)(cid:68)(cid:87)(cid:3)(cid:68)(cid:81)(cid:92)(cid:3)(cid:87)(cid:76)(cid:80)(cid:72)(cid:17)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)
(cid:3)
(cid:44)(cid:54)(cid:37)(cid:49)(cid:3)(cid:28)(cid:26)(cid:27)(cid:27)(cid:20)(cid:22)(cid:20)(cid:26)(cid:26)(cid:22)(cid:26)(cid:27)(cid:28)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)
(cid:72)(cid:44)(cid:54)(cid:37)(cid:49)(cid:3)9789332514164(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)
(cid:3)
(cid:43)(cid:72)(cid:68)(cid:71)(cid:3)(cid:50)(cid:73)(cid:73)(cid:76)(cid:70)(cid:72)(cid:29)(cid:3)(cid:36)(cid:16)(cid:27)(cid:11)(cid:36)(cid:12)(cid:15)(cid:3)(cid:54)(cid:72)(cid:70)(cid:87)(cid:82)(cid:85)(cid:3)(cid:25)(cid:21)(cid:15)(cid:3)(cid:46)(cid:81)(cid:82)(cid:90)(cid:79)(cid:72)(cid:71)(cid:74)(cid:72)(cid:3)(cid:37)(cid:82)(cid:88)(cid:79)(cid:72)(cid:89)(cid:68)(cid:85)(cid:71)(cid:15)(cid:3)(cid:26)(cid:87)(cid:75)(cid:3)(cid:41)(cid:79)(cid:82)(cid:82)(cid:85)(cid:15)(cid:3)(cid:49)(cid:50)(cid:44)(cid:39)(cid:36)(cid:3)(cid:21)(cid:19)(cid:20)(cid:3)(cid:22)(cid:19)(cid:28)(cid:15)(cid:3)(cid:44)(cid:81)(cid:71)(cid:76)(cid:68)(cid:3)(cid:3)
(cid:53)(cid:72)(cid:74)(cid:76)(cid:86)(cid:87)(cid:72)(cid:85)(cid:72)(cid:71)(cid:3)(cid:50)(cid:73)(cid:73)(cid:76)(cid:70)(cid:72)(cid:29)(cid:3)(cid:20)(cid:20)(cid:3)(cid:47)(cid:82)(cid:70)(cid:68)(cid:79)(cid:3)(cid:54)(cid:75)(cid:82)(cid:83)(cid:83)(cid:76)(cid:81)(cid:74)(cid:3)(cid:38)(cid:72)(cid:81)(cid:87)(cid:85)(cid:72)(cid:15)(cid:3)(cid:51)(cid:68)(cid:81)(cid:70)(cid:75)(cid:86)(cid:75)(cid:72)(cid:72)(cid:79)(cid:3)(cid:51)(cid:68)(cid:85)(cid:78)(cid:15)(cid:3)(cid:49)(cid:72)(cid:90)(cid:3)(cid:39)(cid:72)(cid:79)(cid:75)(cid:76)(cid:3)(cid:20)(cid:20)(cid:19)(cid:3)(cid:19)(cid:20)(cid:26)(cid:15)(cid:3)(cid:44)(cid:81)(cid:71)(cid:76)(cid:68)(cid:3)(cid:3)(cid:3)
Dedicated to My Teachers
This page is intentionally left blank.
Contents
Preface xv
Acknowledgements xvii
1 Chemical Foundations 1
Theories of atoms, molecules, and ions 2
First atomic model 6
Periodic Table of elements 7
Stoichiometry 10
Understanding Chemical Foundation 29
Review Questions 31
2 Quantum Chemistry 32
Limitations of classical theories and old quantum theories 32
Need for quantum chemistry 33
Electromagnetic radiation 33
Photoelectric effect 38
de Broglie Equation 42
Heisenberg’s uncertainty principle or Heisenberg’s
complimentary principle 46
Absorption and emission spectra 48
Atomic spectrum of hydrogen 48
Quantum mechanical approach for the atom 51
Schrodinger’s time-independent equation 53
Hermitian operators 54
Quantum numbers 55
Valence electrons 60
The particle in a box 64
Harmonic oscillator 69
Rigid rotor 70
Understanding Quantum Chemistry 72
Review Questions 73
3 Thermodynamics and Thermochemistry 74
Basic terms 75
Types of energy 77
viii CONTENTS
The first law of thermodynamics 78
The second law of thermodynamics 88
Other applications of thermodynamics 96
Maxwell’s equations 99
Joule–Thomson coefficient, μ 109
JT
Third law of thermodynamics 110
Properties of liquid helium 110
Understanding Thermodynamics and Thermochemistry 111
Review Questions 111
4 Chemical Kinetics 113
Rates of reaction in general 113
Order and molecularity 114
Rate laws or rate equations 114
Model for chemical kinetics 128
Activated complex theory 131
Uni-molecular reaction 137
Catalysis 140
Photo-catalysis 144
Understanding Chemical Kinetics 146
Review Questions 147
5 Photochemistry 149
Difference between thermal and photochemical reactions 149
Absorption and emission of energy 151
First law of photochemistry (or Grotthus and Draper law) 151
Second law of photochemistry (Einstein’s law of
photochemical equivalence) 152
Aspects of chain reaction 155
Understanding Photochemistry 160
Review Questions 161
6 Chemical Equilibrium 162
Reversible and irreversible reactions 162
Chemical equilibrium and equilibrium constant 163
Understanding Chemical Equilibrium 175
Review Questions 177
7 Chemical Bonding 179
Bonding between different atoms 180
Bonding between identical atoms 180
CONTENTS ix
Types of chemical bonding 181
Coordinate bond 207
Hydrogen bonding 207
van der Waal’s Forces 207
Understanding Chemical Bonding 208
Review Questions 208
8 Ideal Gas Laws and van der Waal’s Gas Equation
of Real Gas 210
Boyle’s law 211
Charles law 213
Gay–Lussac’s law 215
Avogadro’s law 215
The ideal gas law 217
Molar mass of gas 226
Dalton’s law of partial pressures 227
Concept of mole fraction of gas in the mixture 229
Kinetic molecular theory of gases 231
Root mean square velocity 234
Graham’s law of rate of diffusion/effusion 236
Understanding Ideal Gas Laws and van der
Waal’s Gas Equation of Real Gas 237
Review Questions 239
9 Properties of Solutions (Colligative Properties) 241
Terms required to understand colligative properties 242
Properties of a solvent 242
Effect of solute on vapour pressure of solution 243
Effect of added non-volatile, non-electrolyte
Solute on the boiling point of a solvent 252
Effect of added non-volatile, non-electrolyte solute on the
freezing point of a solvent 259
Osmosis 264
van’t Hoff’s law of osmotic pressure 265
Experimental measurement of osmotic pressure of a
solution 266
Abnormal molecular weight 268
Subnormal (lower) molecular weight for electrolyte solution 269
van’t Hoff’s Factor, i 270
Reverse osmosis 271
Important equations to remember in this chapter 275